（毕业论文 字数： 13070页数：31）摘 要：从工程实际出发，利用先进的MATLAB工程软件实现各类控制功能和控制规律，建成相应的模块库，并重点讨论选通功能、基本PID控制器及其改进型的实现以及单闭环、双闭环、比值、前馈一反馈等控制系统的实现。
针对自动控制系统的设计很大程度上还依赖于实际系统的反复实验、调整的普遍现象,结合具体的设计实例,介绍了利用较先进的MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具来实现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真的方法。它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能。并且能够灵活的改变系统的结构和参数,通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。

关键词：自动控制系统,MATLAB,SIMULINK,计算机辅助设计,仿真实验

Abstract ：From the practical point of view, the various controllers are designed by using the advanced engineering language MATLAB and the corresponding Modularized Libraries are also established next. We mainly fulfill the functions of selection, basic PID controller and its variants, and the single loop control system, the double loops control system, the ratio control system and the feed-forward control system in stress.
As to the general phenomena the design of auto—control system greatly relies on the repeat experiment adjustment of the practical system combined with the specific design，the paper mainly introduces the method of using simulation tool and fuzzy control toolbox，as well as the SIMULINK in advanced software MATLAB，So as to realize simulation，analysis，design and emulate in auto—control system．with the method can be analyzed directly and quickly the systems dynamic&constant functions．It can also flexibly change the structure&parameter of the system．

Key words：Auto-control system, MATLAB, SIMULINK, fuzzy control, Simulation experiment

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2自动控制系统仿真的发展及现状 1
1.3控制系统仿真的一般方法 2
1.4 MATLAB介绍 4
1.4.1 MATLAB语言简介 4
1.4.2 MATLAB的数据可视化功能 5
1.5 SIMULINK介绍 6
1.6本文的立论依据与学术思想 7
1.6.1立论依据 7
1.6.2本文的主要工作和思想 8
第二章 基本控制器与基本控制规律的实现 9
2.1基本控制功能的实现 9
2.1.1选通控制功能 9
2.2.2 PID控制功能 9
2.2基本控制规律的实现 13
2.2.1单回路控制系统 13
2.2.2串级控制系统 14
2.2.3 比值控制系统 15
2.2.4前馈-反馈控制系统 17
第三章 实例 19
3.1 直流电机的数学模型 19
3.2 直流电机的仿真模型将电机系统基本参数设置 19
3.3常规PID控制系统的研究 20
3.4小结 24
第四章 总结 25
参考文献 26
致 谢 27


第一章 绪论
1.1 引言
自动控制理论主要是通过对各种控制系统建模，进而分析系统的动态性能、稳态性能、鲁棒性。以及对各种控制系统进行设计与校正的一门科学。它的实验一般采用自控系统模拟机模拟实验。MATLAB是目前国际上公认的最优秀的数值计算和仿真软件，其主要特点有：
 它是一种解释性语言,语言中的基本元素是矩阵，它提供了各种矩阵的运算和操作，并且具有符号计算、数学和文字统一处理、离线、和在线计算功能；
 具有较强的绘图功能，计算结果和编程可视化；
 具有很强的开放性，针对不同的应用学科，在MATLAB之上，推出了三十多个应用的工具箱。
基于MATLAB/SIMULINK的自控系统仿真实验与传统的自控系统模拟机实验相比，具有以下特点：
 系统结构及参数改变灵活；
 建模及模型转换方便；
 图象显示直观、快速、准确；
 系统分析与设计更快速、便捷、结果更准确。
1.2自动控制系统仿真的发展及现状
仿真是对真实事物的模拟，它形成于40年代二战末期对火炮及自动控制动力学系统的研究，48年电子微分分析器在美国的Bell实验室的研制成功开创了计算机仿真的新纪元。50年代至60年代初对洲际导弹和宇宙飞船姿态及轨道控制动力学的研究，促进了混合仿真技术的发展。70年代，系统工程被广泛用于社会、经济，生态等非工程系统，促进了离散事件系统仿真技术的发展。
仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术、网络技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态试验研究的一门学科综合性技术。控制系统仿真是系统仿真技术在控制领域的应用。其重要作用可以概括为如下几点：(1)在系统尚未建立之前利用仿真技术可以论证系统方案及其可行性，可以避免许多不必要的挫折并为系统设计打下扎实的基础；(2)在系统设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统的模型，进行模型验证与模型简化并进行最优化设计；(3)在系统建成后，利用仿真技术可以分析系统工作的状况，寻求系统改进的途径，以及找出最佳运行参数，尤其对于复杂控制系统，要采用智能的高级控制算法，而每一种算法在建立前是不成熟的，这就需要采用仿真技术改进算法，并进行优化设计。
控制系统仿真经历了物理模型仿真，模拟计算机仿真和数字计算机仿真三个过程。物理模型仿真是以物理过程相似、几何尺寸相似及环境条件相似为基础的仿真。数学仿真是以综合参数比例相似及信息规律传递相似为基础的仿真。物理仿真的优点是能最大限度地反映系统的物理本质，具有直观性及形象化的特点，它能将模型中发生的综合过程在模型中全面反映出来。但它的缺点是为建造物理模型所需的费用高、周期长、技术复杂等。而数学仿真不仅经济、方便、而且通用性强，在一定程度上满足了小系统或简单系统的仿真。但是对于复杂的系统，数字仿真的局限性就明显表现出来，首先它建立的数学模型描述能力有局限性，它不能或难以描述复杂系统的某些问题或现象：它所使用的仿真方法主要是近似的数值解法，缺少知识推理、逻辑判断和学习训练等智能特性。因此，把仿真技术和人工智能技术相结合发展智能仿真技术，成为仿真技术发展的一个新的焦点。
智能仿真技术主要包括几个方面：(1)建立广义仿真模型，以提高仿真模型的描述能力，扩大仿真模型的应用范围井能生成面向用户实用的仿真模型；(2)引入专家系统、人工神经网络、遗传算法、模式识别技术结合常用的仿真方法，开发具有智能推理、逻辑判断、学习训练的智能仿真算法，应用智能技术(如神经网络、模糊逻辑、模糊神经网络等)，利用系统实测输入输出数据、专家经验对现场控制对象和控制器进行建模，解决复杂系统的建模难题；(3)开发的仿真界面不仅能人机交互，图、文、声并茂，而且能提供动画显示、虚拟现实等；(4)研究开发综合仿真语言以设计智能仿真算法和建立广义仿真模型。
当前仿真研究的前沿课题主要有：仿真与人工智能技术的结合，分布式仿真与仿真模型的并行处理，图形与动画仿真，建模环境与仿真支持系统等。
1.3控制系统仿真的一般方法
控制系统仿真经历了物理模型仿真、数学仿真和智能仿真儿个阶段，数学仿真和智能仿真是通过仿真软件实现的，仿真软件是一类面向仿真用途的专用件，它的特点是面向问题、面向用户。近四十年来，仿真软件充分吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形/图像、多媒体、软件工程、系统工程、自动控制、人工智能等技术成果，从而得到了很大发展。仿真软件也从初期的机器代码，经历较高级的编程语言，面向问题描述的仿真语言，发展到模块化概念，并进而发展到面向对象编程，图形化模块编程等。人机环境也由初期的图形支持，到动画，交互式仿真，进一步发展到矢量的图形支持，并向虚拟现实发展。
仿真软件的发展基本经历了五个阶段：
(1)通用程序设计语言：60年左右的Fortran，以及具有适应并行处理功能的Ada，C++等语言。
(2)初级仿真语言阶段，1960～1970年间面向框图的MIDAS，面向大型连续系统的仿真规范的CSSL(Continuous System Simulation Language)ACSL语言。CSMP(Continuous System Modeling Program)；基于差分方程模型的DYNAMO(Dynamic Models)；基于离散事件的SIMLIB和CSL(Control and simulation Language)；还有以过程为基础的通用仿真系统GPSS(General purpose Simulation System)等。
(3)高级仿真语言阶段1970～1980年间商用的连续系统仿真语言CSSLIV，DAREP，ACSL，以及离散事件系统仿真语言GPSSIV，SIMCRIPIII，SLAM等。
(4)一体化建模与仿真环境软件，如美国Pritsket于1989年推出的TESS，它是具有数据库，而且能将数据存储与检索，脚本仿真/数据采集，数据分析报告和图形生成，脚本动画，网络模型输入，运行控制，数据管理等八个部分组成一体化仿真软件环境。
(5)智能化仿真软件环境，它于80年代后期问世，由一体化仿真软件环境，专家系统，智能接口等组成并具有知识库、模型库、方法库、实验程序库和数据库，该软件充分利用了Fortran，C，Ada，LISP等语言的优良特性。比如面向神经网络的DESIRE/NEUNET (Direct Execution Simulation in Real Time)语言，它是一种直接执行式的仿真语言，采用线索码技术将源程序快速编译成机器码，它的仿真函数及算法程序事先编制好，而实验控制语句则由解释执行。它可交互改变模型参数、初始条件及算法的有关参数从而实现了快速交互改变模型结构的性能。
以下介绍几种典型的仿真语言及技术：
(1)CCSCAD(China control system computer aided design)是中国控制系统计算机辅助设计软件，它包括了控制系统设计的现代频域法、多项式阵方法、系统的建模和辨识、状态空间法、系统仿真、自适应控制系统等，工作模式有四种：选单模式、友好选单模式、命令模式与宏命令模式。CCSCAD的特点是：表现力强且拥有少而精的命令语言，便于用户的混合式人机交互界面，通用的子系统调用与系统常量特征。
(2)Ada是美国国防部研制的嵌入式计算机语言，Ada集中了许多程序设计语言的长处和精华，并且具有许多独特的优点，如强类型、实时处理及并发处理能力，可重用性，信息和方法隐蔽，分别编译和异常处理功能等，它可直接操纵硬件设备以及并发处理能力。
(3)DIS(Distributed interactive system)是一种集网络技术，仿真技术和计算机技术高度结合的产物，它综合运用面向对象，客户机/服务器，分布计算机技术和网络通讯、数据库、标准化等信息技术，其发展趋势是建立具有可操作性，可移植性，可伸缩性的分布对等协调的仿真体系结构。它是以实现国防范围内各类仿真器及模型间的互操作和部件的重用为目的发展起来的，其实质是采用协调一致的结构标准，协议和数据库，通过网络将分散在不同地点的硬件设备及有关人员联系起来。
(4)ACSL/GM(Acsl graphic modeler)是一种类似于可视化的编程环境，它采用面向对象的思想，将有关环节的仿真模型封装起来，形成面向对象的模块，用可视化的方法进行模型的构造，通过图形方式调用对象建模，连成模型，定义输入输出变量及给定环节参数，自动生成ACSL源程序和命令文件。同时，它也具有开放性，用户也可以按照ACSL语言的规范修改原有模块和增加新的模块。
(5)MATRIX软件是美国国防部认证的几个优秀仿真软件之一，它由五大部分组成：Xamth、Systembuild、Autocode、Document及Reatsim该软件采用控制系统框图表达数学模型进行数字仿真，它可以根据在SystemBuild中建立的框图直接生成C或Ada语言源程序，可用于实时仿真并提供I/O接口和硬件平台运行Autocode生成的程序。近年来，由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展，生长了一批新的研究热点：(1)面向对象的仿真方法，从人类认识世界的模式出发提供更自然直观的系统仿真框架；(2)分布式交互仿真通过计算机网络实现交互操作，构造时空一致合成的仿真环境，可对复杂、分布、综合的系统进行实时仿真；(3)定性仿真以非数字手段处理信息输入、建模、结果输出，建立定性模型；(4)人机和谐的仿真环境，发展可视化仿真、多媒体仿真和虚拟现实等。这些新技术、新方法必将孕育着仿真方法的新突破。