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1、2005年第6期总第131基于MATLAB/SIMULINK的自动控制系统仿真实验57基于MATLAB/SIMULINK的自动控制系统仿真实验丁锋(天津冶金职业技术学院,300111)[摘要]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MATLABSIMULINK
2、仿真实验1引言自动控制理论主要是通过对各种控制系统建模,整理后可得传递函数: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是目前忽略粘性摩擦,转矩平衡方程式为: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:式中T=CmId为额定励磁下的电磁转矩;TL=CmId是2(1)它是一种解释性语言,语言中的基本元素是矩包括电机空载转矩在内的负载转矩;GD为电力拖动阵,它提供了各种矩阵的运算和操作,并且具有符号系统部分折算到电动机轴上的飞轮惯量;Cm=T/Id=30/计算、数学和
3、文字统一处理、离线、和在线计算功能;π·Ce为电动机额定励磁下的转矩电流比;把T、TL代(2)具有较强的绘图功能,计算结果和编程可视化;入上式并整理得:(3)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为电力拖动系统的机电时间常数。在零初始条件与传统的自控系统模拟机实验相比,具有以下特点:下对上式进行拉氏变换得:①建模及模型转换方便;②系统结构及参数改变灵活;③图象显示直观、快速、准确;④系统分析与设计更快速、便捷、结果更准确。下面仅以两例对其在实验将(1)式(2)式的输入
4、与输出量连接起来并考虑中的应用作一简介。到则可得到额定励磁下的直流电动机的数学模型。2SIMULINK下直流电机模型的实现2.2SIMULINK下电机仿真模型的建立电机是自动控制系统中较为常见的控制对象,对将电机系统基本参数设置Ue=220V;Ie=55A;ne=2控制系统仿真结果的正确与否起着至关重要的作用,1450r/min;L=0.015H;R=0.5&;Ce=0.132;CD=在此以直流电机为例介绍其在SIMULINK下仿真模22.45;Cm=30/π·Ce。型的实现。根据上述数学模型及给定参数即可在SIMULINK2.1电机的数学模型下建立如图1所示的电机
5、仿真模型。额定励磁下直流电机电枢回路电压的平衡方程式为:(1)式中:TL=L/R为电机电枢回路的电磁时间常数,E=Cen为额定励磁下电机的反电动势,在零初始条件下对上式进行拉氏变换得图1直流电机仿真模型www.tjyj.comwww.tjyjqk.comtjyj@tjyj.com—!微机应用与自动化"—tjyjzz@tjyj.com5758TIANJINMETALLURGY2005年第6期总第131期2.3电机仿真模型正确性的验证图中的被控对象是直流电动机模型的封装子系电机的额定电压为,当给定加上的阶跃电压,电统。设定恰当的Kp、Ki、Kd在阶跃输入、及阶跃扰动作机
6、的转速应为1500r/min左右。仿真运行可得结果如用下仿真运行该系统,通过示波器观察系统的输出及图2所示。可知该电机模型是正确的。调节过程如图5所示。图2直流电机转速特性曲线3常规PID控制系统的研究常规PID控制在生产中是一种比较普遍的控制方法,在冶金,机械,化工等行业中获得广泛的应用。图5PID控制转速特性曲线常规PID控制系统原理图如图3所示。系统由常规PID控制器和被控制对象组成。图3常规PID控制系统原理图此例的被控对象即为上例中的直流电动机。它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t),将偏差的比例(P),积分(I)和微分(D)通过线性
7、组合构成控制量,对被控制对象进行控制,故称PID控制器。其控制规律为图6原系统转速特性曲线或写成传递函数形式。和原来不用任何控制器作用系统的输出特性图6进行比较,PID控制系统的跟随性能、调整时间、稳态式中:Kp—比例系数,TL—积分时间常数,Td—微误差等动、静态指标均好于前者。另外在Simulink仿[3]分时间常数。在SUMLINK环境下可建立PID控制模真环境中,可以方便的修改系统的参数,观察系统在型如图4所示。不同的参数(本例中Kp、Ki、或Kd)作用下系统的响应曲线,为系统实际参数的设置提供可靠的依据,以达到寻优的最佳效果。图7所示的为当选择不同的K
