MATLAB与标准系统仿真作业

1、MATLAB与系统仿真系别：电子信息工程系班级；08机械4班姓名：李其志学号：200800606423指导教师：姚金邮箱：3348820892011年7月2日一、带饱和输出特性PID控制系统的被控对象为G(s)=1 e-0s，其PID控80s+1110 048制器为 Gc(s) = K p(1 TDs) = K p - KI - Kds=5+ 。以G0(s)与Gc(s)为Ti sss前向通道的单位负反馈系统。 试对于PID控制器分别采用以下3种办法：PID控 制3个分量叠加、传递函数方框图与 PID控制子系统绘制其Simulink仿真模型 图，并对其进行阶跃仿真。然后对PID控制子

2、系统进行封装。(结合P141例7-5、 P144例7-6)(本题20分)解:【1分析:根据题意，已知 PID 控制器为 Gc(s)=5+0048,即 Kp=5 Ki =0.048、Kd=0。 sPID的三个作用分量，仿真时可采用下列处理措施：PID控制3个分量叠加法 传递函数方框图法PID控制子系统及其Simulink仿真模型图法。2 PID的三个分量叠加法：将PID的三个分量叠加作用直接绘制在系统中的Simulink模型li1.mdl如图1.1所示。图中的阶跃信号为“ 1”，即单位阶跃作用，三信号叠加模块“ Add” 混路模块“ MuX,饱和特性为“土 1.1 ”，时间延迟“ 60” s,仿

3、真时间为“ 2000” s。图1.11 PID 控制三个分量叠加的 Simulink模型li1.mdl在模型li1.mdl图中，选中【Simulation 并执行其【Star 菜单项命令，再用鼠标左键双击“ Scoope”示波器，即弹出图1.12所示系统输出示波器对话 框，如果需要的话，用鼠标左键单击工具栏的纵坐标刻度管理工具【简图 ，就 得到如图1.12所示系统的单位阶跃给定响应曲线。图1.12系统的单位阶跃给定响应曲线【3】传递函数方框图法。将PID的三个分量叠加作用(求和)同分后求得一个传递函数，即1Gc(s)=Kp(1TdS)=KpTiS心丄 KdS=5+8 5S+0.048 ss将G

4、c(s)传递函数绘制在系统中的Simulink模型Ii2.mdl如图1.13所示。对模型li2.mdl进行仿真，结果同样得到图1.12所示系统的单位阶跃给定响应曲线。图1.13PID控制传递函数方框的Simulink模型Ii2.mdl【4】PID控制子系统定义法。定义子系统。先到Simuli nk库浏览器的“ Com mon ly Used Blocks ”模块组中把标准功能模 块“Subsystem”复制到空白模型设计区域（“untitled ”）内，还复制其他模块, 将其连成系统如图1.14所示，模型命名为“ li3.mdl ”后存盘。图1.14 PID 控制子系统的Simulink模型l

5、i3.mdl用鼠标左键双击“ Subsystem”，将会弹出“ li3/Subsystem ”的设计区。在“ Ii3/Subsystem ”的设计区域（见图1.15）中进行如图1.16所示的PID 控制器的设计（复制各个标准功能模块，连线构成系统模型），或者将设计好的PID控制器模型复制到其中，并在输入与输出端假如“In ”和“ Out”两个功能模块（见图1.15 ）。模型设计完后，要注意存盘。至此，子系统创建完成。Gdin2Derivativeut1图 1.15 PID 控制子系统 Subsystem 的 Simulink 模型 li3/SubsystemPID控制系统仿真。对模型Ii3.m

6、dl进行仿真，结果也得到图1.12所示系统的单位阶跃响应曲线。【5】子系统的封装步骤(1) 用PID控制子系统封装的步骤。在Ii3.mdl中的Subsystem模块更换为一个没有涉及的空 Subsystem模块。 在“Ii3/Subsystem ”的设计区域(见图1.15)中进行如图1.16所示的PID控制器的设计，输入数据 Kp=5、Ki =0.048、Kd=0并存盘Oain2DerivativeOut1图1.16准备圭寸装的子系统Ii3/Subsystem 再在模型li3.mdl中，选中“ Subsystem”，选择主菜单【Edit】，执行其下 的【Mask Subsystem.或【Edi

7、t Mask】菜单项命令，打开【Maskedit】 即子系统的封装编辑器。封装编辑器中有四张标签页，所谓完成封装操作， 就是按要求填写接下来的四张标签页， 填写第1张标签页“Icon ”。此时仅在“ Drawi ng comma nds下的空白文本 框中填入“ disp ( PID)”，并在下面的“ Examples of draw ing comma nds 的“Command下拉框中选择“ disp (show text in center of block )”， 如图1.17所示。图 1.17Icon”标签页 填写第2张标签页“Parameters”。第2张标签页左部有【Ade】、【D

8、elete】、 【Move 2卩】与【Move Down 4个按钮，用这4个按钮并填表如图1.18所 示，只能有3行数据，否则不能完成圭寸装。Mask editor : Subsystem-,n xIcon Frameters Initi slilotion Documentation.Urwask. DK CancelHelpApply图 1.18“ Parameters” 标签页 填写第3张标签页“ Initialization”，如图1.19所示。图 1.19“ Initialization ” 标签页 填写第4张标签页“Documentation ”。在各栏中填入信息，如图1.20所示

9、 最后按下【0K按钮已确认输入的信息。edit orSubsystemIcon Parameters Im ti all rati ononUiunaskQIC Cancel Help Apply图 1.20“Documentation标签页(2) 再回到模型窗口 Ii3.mdl中，用鼠标左键双击被圭寸装子系统 “Subsystem” 图标，立即弹出子系统模块带参数说明对话框，在各栏中填入参数，如 图1.21所示。图1.21封装子系统后的模块参数功能(3)封装子系统后，即得到图1.14所示的Simulink模型Ii3.mdl ，如图1.22所示，此时子系统“ Subsystem”图标上标注了“

10、 PID”，说明封装成功图1.22 封装PID控制子系统的Simulink模型完成封装后，单击图1.21所示的模块参数功能图的下方按钮【Help】，立即弹 出封装标签的帮助对话框，如图1.23所示。图1.23封装标签的帮助说明（4）封装PID控制子系统仿真。在对模型li3.mdl即图1.22进行仿真，结果也 得到图1.12所示系统的单位阶跃给定响应曲线，说明封装 PID控制子系统的操 作正确。二、例17-9 :试用“SimPowerSystemS实体图形化模型库的模块建立转速 闭环直流脉宽PWM-调速系统的仿真模型，并对其进行仿真。（结合P334页的 例17-10、P337页的例17- 11）

11、（本题20分）解1.转速闭环直流脉宽PWM-调速系统仿真模型li06.mdl如图1.21所示。FuIsk*Swpiiil *Wfi)Unh/rijil Brid80 TILCondjnitF+-kWLr- *:140 3Honstintl1ca .9734OiknlPC MachineU1 DC 2Z0m-Vohiigi M6asurmni:2.仿真模型使用模块的提取与参数设置(1)所需模块直流电源 DC220V直流电动机 DC Machine电压测量 Ua选路器 Selector增益模块Gain示波器Scope分路器Demux代数求和模 块Sum传递函数模块Transfer Fen 常量模块

12、Constant 11.多功能桥式 整流电路Universal Bridge 12. 脉宽调制PWM脉冲发生器 PWM GeneratorB Block Parameters: DC MachineDC machine Citi si:) (link)This black impltments 也 separately zciiDC machin. Access is provided tc th电 field connections so that the machine can be used 5 a shunt-connectad or & Etri电sconnacted DC m&ch

13、ine.Parmet rsAppirCancelFunct ion Block Parameters: Se1ect orSei皀ctorSelect or reorder sped f ied elevnents; of an inj?ut vector oi nnst rix. I f Use indez as start inc valuer option i 宜 not checkedT :u(leineiits) for vtcfot incutT =Otherwise:u(tows, columns) fot mit ria inutF u（电】色血电nt:电】色m电目iml fo

14、r v电ctor irtT -u(row: row*outdimitlj)*! coluihn: columii+outdiinfor matrix injiiiitinhere out dim is the value speci f i d in the wOut put port dimens.ioiis pa.r&met er. The Eource of 1 mnt (E) er row (E) and. column (C) indicte maythe blocJc s dialoE (int errtal) or an input port Cast eriuil).Pa ra

15、m电 tCane&lHelpApplyConiiruioiEpowerguiScopeas 层用盹謫谒軻圻三、某温度过程控制系统被控广义对象的传递函数为：G(s) K 2 es ,(Ts+1)2式中：K=10(C /kg ) /min , T=50s, =80二/5s，试用 Cohen-Coon整定公式计 算系统串联P、PI、PD PID校正器的参数，并进行阶跃给定响应的仿真。要求 利用题目一已经封装好的 PID控制器进行仿真，合理调整 P、I、D三个参数， 还可以随意再增加适当的环节，使最后的仿真曲线效果要求尽量达到超调量较 小，响应速度较快，振荡次数较少的最佳效果。(结合P401例18-1

16、0)(本题20分)【解】：利用函数kttau ()先求被控对象传递函数拟合成带延迟一一惯性环节的三个参数K、T、。再利用cc01()函数计算系统 P、PI、PD、PID四、对于传递函数为G二二的归一化二阶系统，制作一个能绘制该S2 +2需+1系统单位阶跃响应的图形用户界面。本例演示要求分别采用纯MATLAB?序(参考例10.1-1所示)和GUI控件(参考例10.6.2-1所示)两种形式来实现，要 求写出两种不同实现方式的详细设计步骤，要有程序代码和界面设置截图 题 30 分)具体技术要求：(1)主体图形界面与图形用户界面GUI制作.doc中例10.1-1和例10.6.2-1 的显示界面大体类似

17、，起始阻尼比设置为 0.707 ，并在按 【Enter 】键后，在轴上画出默认的相应的红色曲线，坐标范围：X 轴0,20 ; Y轴0,2.5。h_axes=axes(parent,h_fig,.unit,normalized,position,0.1,0.15,0.55,0.7,.xlim,0 20,ylim,0 2.5,fontsize,8)。设定X轴和丫轴z=0.707 。设定 起始阻尼比设置为 0.707set(hline,color,r)。 设定 默认的相应的红色曲线GUI界面；(2)菜单有【Options】选项，在菜单【Options】下，有2个下拉菜单项 【Box 0门】和【Box

18、 off】；缺省时默认为Box off状态(参考例10.1-1 和例 10.6.2-1 )。h_me nu=uime nu(gcf,labe l ,Opti on s)。h_subme nu1=uime nu(h_me nu,Label,Box on:Callback,box on,.set(gca,box,on“)。)h_subme nu2=uime nu(h_me nu,Labe l ,Box off, .Callback,box off,.set(gca,box,off)。)缺省时：set(gca,box,off)。GUI界面:(3) 在点击【Grid 0门】或【Grid off】按键时

19、，在轴上画出或删除“分格 线”缺省时，无分格线。h_push仁uic on trol(h_fig,style,push,.un it, no rmalized,positio n,0.67,0.25,0.1,0.1,.str in g,grid on ,callback,grid on)。h_push2=uic on trol(h_fig,style,push,.un it, no rmalized,positio n,0.67,0.15,0.1,0.1,.stri ng,grid off,callback,grid off)。GU：75767778798081 -82830485868736

20、 -89% Executes on button press in Grid_onfunction Grid_orL_Callback (hObject, eventdathandles)% hObject handle to Grid_on (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handlesgrid onstructure 聊ith handles and user data (see GUIDATA)% Executes on button press in Grid_o

21、ff, function Grid_off_Callback (hObject, eventdatSj handles)% hObject handle to Grid_off (see GCRO)% event dart a reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) grid off（4）所设计的界面和其上的图形对象、控件对象都按比例缩放，位置可以 任意放置。全部控件都设为normalizedGUI 样（

22、5）创建一个与该曲线相联系的现场菜单能随时改变曲线的颜色，要求能 设置改变5种不同的颜色（参考例10.3.4-1 ）。cm=uic on textme nu uime nu(cm,label, uime nu(cm,label, uime nu(cm,label, uime nu(cm,label, uime nu(cm,label,红色,callback,set(hli ne,color,门,) 蓝色,callback,set(hli ne,color,b),) 绿色,callback,set(hli ne,color,g),) 黄色,callback,set(hli ne,color,y)

23、,) 黑色,callback,set(hli ne,color,black),)set(h_axes,uic on textme nu,cm)（6）在该界面中，采用滚动条的方式来改变阻尼比的大小，起始阻尼比设 置为0.707,阻尼比可在0.02,2.02中连续调节，标志当前阻尼比的 值；标志峰值时间和大小；标志（响应从0到0.95所需的）上升时间（参考例 -1 ）。滚动条h_slider=uic on trol（h_fig,style,slider,.un it ,n ormalized,positio n ,0.67,0.45,0.15,0.1,.max,2.02,mi n,

24、0.02,.sliderstep,0.01,0.05,.Value,0.707,.horizo ntal,left）。复选框 1 标志峰值时间和大小h_check1=uicontrol(h_fig,style,checkbox,.unit,normalized,position,0.8,0.25,0.2,0.1,.string,x ? )。vchk1=get(h_check1,value)。复选框 2标志(响应从 0到0.95 所需的)上升时间 h_check2=uicontrol(h_fig,style,checkbox,.unit,normalized,position,0.8,0.15,

25、0.2,0.1,.string,e ?e y e ?(0-0.95)。vchk2=get(h_check2,value)。回调函数,callcheck)。 ,callcheck)。 ,callcheck)set(h_slider,callback,z=get(gcbo,value)。set(h_check1,callback,vchk1=get(gcbo,value) set(h_check2,callback,vchk2=get(gcbo,value)动作子函数：function callcheck()global h_fig hline h_axes h_text h_text z vch

26、k1 vchk2 cm set(h_text,string,输入当前阻尼比,zeta =,sprintf(%1.4g,z)。 标志当前阻尼比的值t=0:0.1:20。clafor k=1:length(z)y(:,k)=step(1,1, 2*z(k), 1, t)。hline=line(t,y(:,k)。endN=length(t) 。 y=step(1,1 2*z 1,t)。set(hline,color,r)。if vchk1ym,km=max(y)。if km inf)text(10,0.4*y(end),ymax - 1endendif vchk2k95=min(find(y0.95) 。 k952=(k95-1),k95 t95=interp1(y(k952),t(k952),0.95) 。 line(t95,0.95,marker,o,markeredgecolor,k,markersize,6) tstr95=t95 = ,sprintf(%1.4g,t95)text(t95,0.65,tstr95)endGUI：function slider2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to slider2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be def