基于四阶参考模型的系统设计及仿真研究

重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--I摘要在现代科学技术的众多领域中自动控制技术越来越起着重要的作用，自它诞生起就显示出了强大的生命力。在人类社会进步和生产技术发展的各个阶段，自动控制理论都发挥着重要的作用，然而随着科学技术的进一步发展，为自动控制理论的广泛应用提供了更加完备和有效地技术手段。为了设计一个完整的系统我们必须要考虑到所设计系统的性能，从而以至于达到实际工程所需要的性能指标。在完成整个控制系统前，我们必须要对整个系统进行分析建立初步的数学模型，而这个数学模型则是建立在运用经典控制理论的基础上的，而本文所研究的是运用经典控制理论中的频域理论方法，对给定典型性系统的基本特性进行分析，根据被控对象及给定的技术指标要求，设计自动控制系统，既要保证所设计的系统有良好的性能，满足给定技术指标的要求，还要考虑方案的可靠性和经济性。系统必须要满足稳定性、快速性、准确性以及所给定参数的指标。在对系统进行校正时，确定出校正装置的传递函数的参数，从而绘出系统校正前和校正后的bode图，再对系统校正前后的性能进行分析和比较，并用Visio软件绘制系统物理模拟图和结构框图，以及用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真和验证，最后给出仿真结果图。确定了校正环节的传递函数，根据所确定的传递函数，计算物理模拟图的参数，最后确定了系统的物理模拟图。【关键词】自动控制原理数学模型传递函数bodeMATLAB/SIMULINK仿真物理模拟重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--IIABSTRACTNetworkqualityofservicecontinuestobeakeydifferentiatorintheraceforsubscribers.………………..……………….【Keywords】GSMNetworkOptimizationcoveroptimizationswitchoptimization重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--III目录前言………………………………………………………………………………………………1第一章自动控制理论的一般概述.........………………………………………………2第一节自动控制理论的发展简史………………………………………………………2第二节自动控制的基本方法………………………………………………………3一、开环控制和闭环控制……………………………………………………………………3二、……………………………………………………………………………………………4第三节本章小………………………………………………………………………………5第二章…………………………………………………………….6第一节………………………………………………………………………6第二节本章小结………………………………………………………………………………9第三章…………………………………………………………………10……………………………………………………………………………………………………15第四章………………………………………………………30第五章……………………………………………………………………36结论…………………………………………………………………………………………40致谢…………………………………………………………………………………………42参考文献…………………………………………………………………………………………43附录…………………………………………………………………………………………44一、英文原文…………………………………………………………………………………44二、英文翻译…………………………………………………………………………………47三、工程设计图纸……………………………………………………………………………51四、源程序………………………………………………………………………………………55重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--1前言自动控制技术已经广泛应用于工农业、交通运输和国防建设的各个领域。自动控制技术以控制理论为基础，以计算机为手段，解决了一系列高科技难题，诸如宇宙航行、航空航天工程、导弹制导与导弹防御体系等领域的一些高精度控制问题等，在科学技术现代化的发展与创新过程中，正在发挥着越来越重要的作用。《自动控制原理》是自动化及相关专业的一门技术基础课。由于自动控制技术在各个行业的广泛渗透，特别是第二次世界大战以来，由于工业活动的发展和军事技术上的需要，科学技术的发展十分迅速，然而控制理论已逐渐成为高等学校许多学科共同的专业基础，且越来越占有重要的位置。所谓自动控制，是指在没有人参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行，达到控制的目的。例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确的进入轨道运行并回收等，这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。控制理论一般分为以讲述单输入单输出系统理论为主的经典控制理论和以讲述多输入多输出系统理论为主的所谓“现代控制理论”。实质上，单输入单输出理论既是多输入多输出理论的特例，又是多输入多输出理论的基础。这两种理论是互通的，有着极其密切的内在联系。研究所用的主要方法都是以时域和频域为主。在研究多输入多输出系统是经常采用解耦的方法，把多变量、强调耦合的系统分解成若干个系统，再用单变量系统的理论进行分析与综合。自动控制理论的发展与应用，不仅改善了劳动条件，把人类从繁重的体力劳动中解放出来，而且由于自动控制系统能以某种最讲方式运行，因此可以提高劳动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本，自动控制理论的应用是实现工业、农业、国防等领域科学技术现代化的有利工具。重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--2第一章自动控制理论的一般概述第一节自动控制理论的发展简史控制理论的发展从18世纪到今天经历了几百年的历史，有很多数学家、物理学家和工程技术人员做出了卓越的贡献。通过回顾历史，可以说明科学理论和工程实践是相辅相成的。控制理论的核心内容是反馈。所谓反馈就是把系统的输出量反送到输入端，并与系统的给定量比较产生偏差量，再利用偏差量控制系统，使系统最终消除偏差。在控制理论形成之前，人们对反馈就有了认识，并利用它制造了一些装置和机器。最具代表性的是1765年瓦特发明的蒸汽机离心调速器，在使用过程中发现，在某些条件下，蒸汽机转速可能自发地产生剧烈震荡。当时，有人认为震荡是因为调节器的制造精度不够，从而努力改进调节器的制造工艺，这种盲目的探索持续了大约一个世纪之久。直到1868年，英国物理学家麦克维斯发表了“论调速器”论文，第一次指出不应该单独讨论一个离心锤，必须从整个控制系统出发推导出微分方程，然后讨论微分方程的稳定性，从而分析实际控制系统是否会出现不稳定现象。这样控制系统稳定性的分析变成了判别微分方程特征根实部的正、负问题。麦克斯韦的这篇论文被公认为是自动控制理论的开端。对于高阶微分方程，求特征方程的根是困难的。因此在1877年和1895年，两位数学家罗斯和赫尔维茨分别提出了对于高阶微分方程的代数判据，沿用至今。1892年俄国数学家李亚普诺夫发表了《论稳定性的一般问题》，他用严格的数学分析方法全面的论述了稳定性理论及判别方发，为控制理论奠定了坚实的基础。到20世纪30年代，美国贝尔实验室建设一条长距离电话网，使用了高增益的负反馈放大器。可是在使用中，放大器有时会变成振荡器。针对这个问题，1932年奈奎斯特提出了放大器的稳定性判据。于前面不同的是，这是一个频域判据，它不但能判断系统的稳定性，而且能给出稳定裕量。1940年波德引入对数坐标，它更适合工程应用。二战期间，自动控制理论得到了很大的发展，并不断成熟和完善，成为指导生产实践的重要理论。自维纳创立控制论以来，控制论大体上经历了几个发展阶段。1947年是经典控制论的起点，到1957年它已发展成为一门相对独立的科学，在这一时期，相继产生了若干分析实际设计指标，而不足之处是当系统变量较多且相互关联时，难以确定其稳定性。重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--320世纪50年代以后，人们探索太空邻域的需求，大大促进了控制理论的发展。通过引入状态、状态变量和状态空间等重要概念，产生了基于时域的线性系统描述方法。同是，提出了“量优化”等概念，并由此发展起来一套新的控制理论与控制技术，到1965年出现了现代控制理论体系并得到了广泛的应用。20世纪70年代前后，由于控制系统越来越庞大，形成了所谓的“大系统”，使得控制论逐步进入了大系统控制论阶段。在此期间，人们着重研究大系统的组成结构，各子系统或变量间的分解、协调和控制方法，逐步解决了大系统的最优设计、最优控制和最优管理等问题，美国阿波罗计划的实现就是大系统控制论应用的成功实例。控制论虽然有多个分支，但从其发展历史、核心内容以及应用范围等方面来看，其中最为基本、最为重要的内容，同时与工业控制系统密切相关的，应是控制论的主体。目前，现代控制理论正随着现代科学技术的发展日新月异地向前发展着。第二节自动控制的基本方法一、开环控制和闭环控制（一）开环控制开环控制和闭环控制是控制系统的两种基本形式，开环控制是最简单的一种控制方式，它的主要特点是，控制量与输出量之间只有前向通路，而没有反馈通路。也就是说，输出量不能对反馈量起作用，由于开环控制系统结构简单、维护容易、成本低、不从在稳定性的问题，故应用于许多控制设备中，如下图所示：控制器受控对象控制量输入量输出量图1-1开环控制系统如上图所示，该系统的缺点是，在系统工作的过程中，周围环境的变化都将对系统产生扰动，当输入信号时，这些扰动量将会影响系统的输出量，时期偏离预期值，导致整个系统很难达到较高的控制精度。所以，开环控制系统适用于控制精度较低或不存在扰动作重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--4用的场合。（二）闭环控制闭环控制与开环控制区别是，闭环系统不仅有一条从输入端到输出端的一条前向通路，而且还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输出量通过一个测量变送元件反馈到输入端，与输入信号比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差，以达到满意的效果，闭环控制有成为反馈控制。如下图所示：控制器受控对象控制量输入量输出量反馈元件+-图1-2闭环控制系统从上图可以看出系统的输出通过侧量变送的输入量作比较的过程称为反馈。若输入量和反馈量相减则称为负反馈。反之，若二者相加则称为正反馈。然而，控制系统中一般采用负反馈方式。输入量与反馈量之差称为偏差信号。闭环控制的特点有：由于输出信号的反馈量与给定的信号作比较产生偏差信号，利用偏差信号实现对输出量的控制或者调节，所以系统的输出量能够自动地跟踪给定量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响；另外引进反馈通路后，使得系统对前向通路中元件参数的变化不灵敏，从而系统对前向通路中元件的精度要求不高，反馈作用，还可以使得整个系统对于某些非线性影响不灵敏等。二、闭环控制系统的术语和定义闭环控制系统的框图如图1-3所示。重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）--5控制单元控制对象反馈单元给定信号r(t)误差e(t)控制量u(t)输出y(t)主反馈b(t)H-扰动n(t)图1-3闭环控制系统框图图中：给定信号)(tr———输入至控制系统的指令信号；主反馈)(tb———与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同的信号；误差)(te———给定信号与主反馈信号b(t)之差的信号；控制单元1G———接受误差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；控制量)(tu———来自控制单元，作用于被控对象的信号；扰动)(tn———对系统输出产生不利影响的信号；控制对象2G———接受控制信号并产生被控制量；输出ty———自动控制系统的被控制量；反馈单元Ｈ———将输出信号转换成反馈信号