控制系统仿真_薛定宇第六章_非线性控制系统的仿真方法

电分课设

武汉理工大学《电力系统分析》课程设计说明书

1 摘要

电力系统的数学模型是对电力系统运行状态的一种数学描述。通过数学模型可以把电力系统中物理现象的分析归结为某种形式的数学问题，电力网络的运行状态可以用节点方程或回路方程来描述。节点方程以母线电压作为待求量，母线电压能唯一地确定网络的运行状态。无论是潮流计算还是短路计算，节点方程的求解结果都极便于应用。潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态。节点电压方程等网络方程是潮流计算的基础方程式，电力网络中的节点电压方程一般为大型线性方程，它的求解是大规模科学与工程计算的核心，迭代法已取代直接法成为求解大型线性方程组的最重要的一类方法，高斯-赛德尔迭代法可以用于求解节点导纳矩阵。

关键词：潮流计算，导纳矩阵，高斯-赛德尔迭代法

武汉理工大学《电力系统分析》课程设计说明书

2 目录

摘要 ........................................................................ 1

1 原理分析 ................................................................. 3

1.1 节点导纳矩阵 ........................................................ 3

1.2 潮流计算中的节点类型 ................................................ 4

1.3 高斯-赛德尔迭代法计算原理 ........................................... 4

2 高斯-赛德尔潮流计算 ....................................................... 7

分数阶系统的分数阶PID控制器设计

薛定宇;赵春娜

【期刊名称】《控制理论与应用》

【年(卷),期】2007(24)5

【摘要】对于一些复杂的实际系统,用分数阶微积分方程建模要比整数阶模型更简洁准确.分数阶微积分也为描述动态过程提供了一个很好的工具.对于分数阶模型需要提出相应的分数阶控制器来提高控制效果.本文针对分数阶受控对象,提出了一种分数阶PID控制器的设计方法.并用具体实例演示了对于分数阶系统模型,采用分数阶控制器比采用古典的PID控制器取得更好的效果.

【总页数】6页(P771-776)

【作者】薛定宇;赵春娜

【作者单位】东北大学,信息科学与工程学院,辽宁,沈阳,110004;东北大学,信息科学与工程学院,辽宁,沈阳,110004

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

【相关文献】

1.一种分数阶系统的内模控制器设计方法 [J], 张博;赵志诚;王元元

2.分数阶系统的自适应PID控制器参数优化 [J], 张艳珠;葛筝;王艳梅

3.带有传感器故障的不确定分数阶系统观测器设计 [J], 张雪峰;刘博豪

4.含有关联噪声的非线性分数阶系统的扩展卡尔曼滤波器设计 [J], 高哲; 陈小姣

5.一类分数阶系统的分析及控制器设计 [J], 王晓燕;王东风;韩璞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买

基于Matlab-Simulink的飞行器全数字仿真平台的设计

基于Matlab/Simulink的飞行器全数字仿真平台的设计

摘要：针对飞行仿真的研究通常会忽略仿真模型或平台的通用性、可重性及互操作性等问题，采用对所设计仿真平台的功能进行详细划分和描述，构建总体仿真系统框架的措施来解决这些问题。首先，在matlab环境下建立飞行器全数字仿真平台，利用该平台可以进行动力学分析、飞行控制系统设计及航迹规划等不同任务。其次，利用matlab 提供的gui 接口实现人机交互界面的设计的设计。所设计平台模块的划分相对独立，人机交互界面可修改飞行器的相关信息，具有较强的通用性。

关键词：matlab/simulink gui 飞行控制数字仿真仿真平台

中图分类号：v274 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2013）02（c）-00-01

飞行器可以被应用于运输、救生、对地观测、空中预警以及通讯中继，因此其在军事和民事领域中都有很大的应用前景。因此对飞行器进行仿真分析很有必要，同时仿真也是对飞行器的动力学特性分析、控制律设计等工作的重要手段。matlab作为一种面向科学计算、可视化以及交互式程序设计软件。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真集于一身，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。simulink是matlab提供的仿真工具，可以方便地进行动态系统建模、仿真、分析等。该文基于matlab gui建立飞行器的全数字仿真平台。利用该平台可以快速地进行用飞行器的全数字仿真，根据参数设置的不同进行航迹规划、实时状态参数显示和仿真结果显示等仿真工作。

1 仿真系统框架设计

仿真系统可分为导航和控制模块、执行模块、飞行器动力学模块和人机交互界面模块。其中导航控制模块又分为航迹规划模块、接受指令模块、飞行管理系统、导航系统及控制系统五个子模块，导航子模块把飞行器的状态信息传给飞行管理系统，飞行管理系统根据航迹规划的要求处理后给出模态控制信号从而控制着飞行器的飞行，执行模块由舵机模型组成。如图1所示。

《计算机仿真技术》课程教学大纲

计算机仿真技术课程教学大纲

（ComputerSimu1ationTechno1ogy）

学时数：40

其中：实训学时：12

学分数：2.5

适用专业：电气工程与自动化

一、课程的性质、目的和任务

本课程是电气工程与自动化专业的专业选修课。本课程开设的主要目的是提供系统仿真分析与优化的解决方法。通过本课程的学习，使学生能够掌握控制系统计算机辅助分析，综合系统仿真和参数最优化技术等有关知识。

二、课程教学的基本要求

（一）理解系统仿真与计算机仿真的概念。

（二）理解MAT1AB的数据结构，掌握矩阵的表示与运算方法、流程控制结构和m文件的编写以及基本的绘图方法。

（三）了解SimUIink模块库的组成，理解仿真环境中各参数的含义，掌握SimU1ink模型建立和线性系统的计算机仿真方法。

（四）掌握常用模块的封装技术、应用技巧以及功率电子系统的仿真以及电机系统的仿真方法。

三、课程的教学内容、重点和难点

第一章系统仿真技术与应用

一、系统仿真和计算机仿真的概念

二、仿真软件的发展状况

三、MAT1AB语言的特点及应用

第二章MAT1AB语言程序设计基础

一、MAT1AB语言的使用环境

二、MAT1AB语言的数据结构

三、MAT1AB矩阵的运算

四、矩阵的表示与运算，

五、流程控制结构

六、MAT1AB函数的编写与技巧

七、MAT1AB语言下图形绘制与技巧八、三维图形的绘制方法

重点：流程控制结构与m函数文件的编写。难点：m函数文件与m脚本文件的区分。

第三章MAT1AB/Simu1ink下数学模型的建立与仿真

一、Simu1ink模块库

二、SinIUIink模型的建立

三、线性系统的计算机仿真

重点：SimUIink模型的建立与线性系统的仿真。难点:Simu1ink模型的建立。

第四章Simu1ink常用模块介绍与应用技巧

一、常用模块的应用

二、输出模块库

三、子系统与模块封装技术

四、电力系统模块集与电子线路仿真

串级控制系统设计

I 目录

1.串级控制的基本概念 ..................................... 1

2.串级控制系统的原理 ..................................... 1

3.串级控制系统的特点 ..................................... 1

4.串级控制主、副控制器的设计 ............................. 3

5.Simulink仿真 .......................................... 5

6.串级控制的改进 ......................................... 6

附录 ..................................................... 7

参考文献 ................................................. 7

1 1.串级控制的基本概念

串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高个系统的品质，因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环快得多。

2.串级控制系统的原理

串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。

3.串级控制系统的特点

（1）副控制回路具有快速性，能够有效的克服进入副控回路的二次干扰。图2为简化串级控制系统的结构图，其中

PID控制系统的参数二次优化

PID控制系统的参数二次优化姜　胜＊(武汉电力职业技术学院仿真培训中心,湖北武汉430079)摘　要:针对PID控制系统固有的单自由度控制方式的弊病,讨论了其参数优化模式之间矛盾产生的机理,并结合水轮机调节系统参数寻优的仿真试验,提出了首先通过给定值跟随优化模式确定Kp参数,再通过扰动抑制优化模式确定Ki、Kd参数的二步参数寻优法。仿真结果证明该方法可以很好地缓解控制系统稳定性与抗负荷扰动能力的矛盾,对于兼顾给定值跟随和扰动抑制这两个控制目标,是可行和有效的。关键词:PID;优化;仿真;调速器中图分类号:TP273;TV734.4 文献标识码:A 文章编号:2076/ZY(2010)02-0051-04 当前,在理论上,控制系统的研究热点已由经典控制逐渐转移到智能控制阶段。但是,在实践中,就目前来看,绝大多数控制系统,尤其是工业控制系统,采用的仍然是历史最悠久,结构最简单的经典PID控制规律及其各种改进形式,而且这种情况在相当长一段时期内不会发生根本性改变。因此,在这种形势下,继续深入探讨PID控制器的参数优化方法仍是有其现实意义的。经典PID控制系统采用参考输入和被调量的偏差及其积分、微分的线性组合来产生控制信号,因此控制作用由比例、积分和微分三种控制作用综合形成。其中比例的作用是调整系统的响应速度和稳定裕度;积分的作用是消除静态误差;微分的作用是实现超前控制或者增加系统阻尼以减少超调和振荡次数,而控制效果亦是三种控制作用折衷的产物。这就决定了这类控制系统只能实现单自由度控制,即对于扰动抑制和跟踪给定值这两种不同的也是最普遍的控制目标,其参数优化都只能针对其中一种控制目标,即要么按照给定值跟随模式进行优化,要么按照扰动抑制模式进行优化。具体而言,对于定值控制系统(一般是过程控制系统),给定值是不变的,控制系统主要的控制要求,是抑制扰动造成的影响,即控制器参数原则上应以扰动抑制模式进行优化。按照这个思路获得的参数对于扰动的抑制能力比较好,但是,其付出的代价是,控制系统的稳定性或鲁棒性较差,具体表现在控制系统的开环增益、相位和迟延裕度都很小,对阶跃频率扰动响应的超调率较大。这意味着,当工况或对象特性发生变化时,控制系统的稳定性得不到很好的保证,进而安全性也较差,这显然是不能接受的。而对于需要改变给定值的控制系统(一般是随动控制系统),控制系统主要的控制要求,是使输出追踪给定值的变化,即参数应以给定值跟随模式进行优化。按照这个思路获得的参数对于给定值变化的跟随性能(超调量和调节时间)比较好,而且控制系统的稳定性或鲁棒性令人满意,具体表现在控制系统的开环增益、相位和迟延裕度都比较大,但是,控制系统对扰动的抑制能力很差,主要表现在阶跃扰动作用下过渡过程的调节时间太长,这亦是不能接受的。一、二次优化方法的提出及仿真结果上面这两类情况反映的是前面提到的PID控制系统单自由度控制方式弊病,实际上也揭示了两种优化模式之间的矛盾所在,即稳定性能与抗扰动性能的冲突。为了更具体地描述这种矛盾,这里以水轮机调节系统为例,给出仿真实例。对于如图1所示的水轮机调节系统模型,其输入为频率给定值,被调量为机组频率输出,扰动为负载变化,其参数为:Ty=0.2s,ey=0.74,eqh=0.491,eh=1.46,eqy=0.789,e=1.066,Tw=1.62s,Ta=6.67s,Tb=2.001s,en=1·51·　第8卷第2期武汉电力职业技术学院学报Vol.8No.22010年6月JournalofWuhanElectricPowerTechnicalCollegeJun.2010

PI控制器_31442

PI控制器-控制系统消除扰动的建模与仿真

阮谢永

(绍兴文理学院　信息工程系,浙江　绍兴312000)

摘　要:自动控制中工程设计方法就是在原系统上配合合适的串联校正装置并将其校正成典型系统,在扰动干扰信号作用下,对于一个随动系统会引起跟踪上的误差,产生不稳定性.对风力矩作用下的雷达接收系统建立数学模型,适当选择结构参数,设计PI控制器及对控制系统进行仿真,是一种在自动控制中工程设计的有效实用方法.关键词:干扰;干扰控制系统;跟踪误差;风力矩

中图分类号:V556 文献标识码:A 文章编号:1008-293X(2004)09-0021-04

0　引　言

在人造卫星的运行、导弹制导等控制领域,自动控制系统具有特别重要的作用.卫星跟踪系统是一个

随动系统,通讯卫星进入轨道后,发射信号给地面雷达系统,雷达通讯天线有四个分立的检测器,由于卫星

位置在空中会有一定的漂移,导致地面雷达接收系统接收到由此产生的偏差信号,同时,雷达由于受到风

力矩作用而产生干扰信号,二者经放大送往校正元件并进行运算,最后由功率放大驱动直流电机以使雷达

跟踪通讯卫星.跟踪系统在扰动作用下的稳态误差大小能反映系统的抗干扰能力.本文根据雷达系统的控

制机理,建立数学模型并进行仿真分析,得到了在干扰作用下减小误差的有效途径.

1　雷达控制系统数学模型建立

1.1　在风扰动作用下的天线结构传递函数

由于天线结构的迎风面积会产生较大的随机风力矩Mb,其大小与风速平方成正比,则

Mb=αV2(1)

其中,α为风力矩的空气动力系数,则天线的力矩平衡方程可写成:

Jθ··c+f··c=K(rθr-θc)(2)

其中,J为抛物线的等效转动惯量,f为天线结构的等效粘性摩擦系数,K为天线轴的扭曲刚度,θr为

输入量,θc为输出量,在零初始条件下的拉氏变换为

θc(s)θr(s)=KJs2+fs+K=ω2ns2+2ξωns+ω2n(3)

由工作条件和对系统的要求,取ωn=40(rad/s),ξ=0.1,故可写出θc(s)θr(s)=100s2+2s+100(4)

《自动控制原理》课程简介

自动控制原理

AUTOMATICCONTRO1PRINCIP1E

总学时：72 理论72实验（上机、实习等）：

学分：4.5

课程主要内容：自动控制原理是研究自动控制系统的共同规律的一门技术科学，所设自动控制原理课程是自动控制、自动化、电力、电子、机械、热工及各相关专业的重要专业基础课。本课程的教学内容包括经典控制理论和现代控制理论两大部分。以经典控制理论为主。深入学习线性连续控制系统的时域分析法、根轨迹法，频率分析法、系统校正和设计方法；学习高效控制系统理论中的基本概念、基本分析方法和数字校正；以及非线性理论中的描述函数分析方法。为培养学生在定性分析、定量估算和综合设计等方面的能力打下良好的基础。

先修课程：《电路》、《高等数学》、《工程数学》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理》、《控制电机》、《检测与仪表》，本课程的后续课程有：《计算机控制系统》、《现代控制理论》、《电力拖动自动系统》。

适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业

教材：

李友善主编.自动控制原理（第二版）.北京：国防工业出版社，1989.6

教学参考书：

1 .《现代控制工程》（第三版）绪方胜彦（日）科学出版社

2 .《控制系统计算机辅助设计》薛定宇著。清华大学出版社。

3 .《自动控制原理实验指导书》徐小增编佛山科学技术学院出版社

基于Smith—PID控制器仿真

控制系统仿真课程设计说明书

题目：基于Smith—PID控制器

的大延迟控制系统设计

课程名称控制系统仿真

设计题目基于smith---pid控制器的大延迟控制系统设计

指导教师时间 2013.12.02~2013.12.08

一、教学要求

1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；

2、学会使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；

3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。

二、设计资料及参数

已知过程控制系统的被控广义对象为一个带延迟的惯性环节，其传递函数为

sessG4142)(

三、设计要求及成果

1、分析系统，得到系统的动态响应曲线；

2、设计合适的控制器，尽量满足稳、准、快三原则；

3、设计Smith预估控制器；

4、比较不同控制器各自的优缺点；

5、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），写清楚模糊控制器的设计过程，给出设计的模型图和仿真曲线图。

四、进度安排

1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天）

2、Matlab/Simulink建模（一天）

3、控制系统设计与优化（两天）

4、编写课程设计说明书（一天）

五、评分标准

1）工作态度（占10%）；

2）基本技能的掌握程度（占20%）；

3）方案的设计是否可行和优化(40%)；

4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。

分为优、良、中、合格、不合格五个等级。

六、建议参考资料

1、李国勇.控制系统数字仿真与CAD[M]，北京：电子工业出版社，2003，9

2、王丹力，MATLAB控制系统设计仿真应用[M]，北京：中国电力出版社，2007，9

3、薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用[M].北京：清华大学出版社，1996

4、闻新、周露、李东江等.MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京：科学出版社，2001

基于TrueTime的网络控制系统仿真平台的构建及其仿真分析

周艳;陈永建

【摘要】TrueTime is a Networked Control System simulation toolbox

based on MATLAB/Simulink, and it is a Networked Control System virtual

simulation tool that is widely used. A simulation platform based on

Truetime, and explains the construction method through a Spring-Damping System simulation model is introduced, and it is proved that this

platform can well simulate network environment comparing with MATLAB

step response curve. In view of network delay and data loss, their influence

on NCS is verified.%TrueTime是基于MATLAB／Simulink的网络控制系统仿真工具箱，是目前使用较为广泛的网络控制系统虚拟仿真工具。介绍了一种基于TrueTime的网络控制系统仿真平台，并用基于TrueTime的弹簧-阻尼系统仿真模型为实例，说明该仿真平台的构建方法，同时通过与MATLAB的阶跃响应曲线对比，证明该仿真模型可以很好地模拟网络环境。针对网络控制系统中网络时延和数据包的丢失这两个主要问题，通过对仿真结果的分析，验证网络时延、数据丢包等因素对网络控制系统控制性能的影响。

【期刊名称】《北京联合大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(026)004