./__2010133330課程設(shè)計(jì)題目面向結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)2010級(jí)2班學(xué)生XX小指導(dǎo)教師吳詩(shī)賢2013年12月20日.面向結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真__陶?qǐng)@__10自動(dòng)化3班__2010133330摘要根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真的基本思想,探討了仿真過(guò)程中典型環(huán)節(jié)的規(guī)X性、系統(tǒng)的連接矩陣、仿真求解、程序框圖問(wèn)題,并應(yīng)用到實(shí)際的X例當(dāng)中,并分析了結(jié)果總結(jié)了相關(guān)特點(diǎn)和相關(guān)結(jié)論。自動(dòng)控制系統(tǒng)常常是由許多環(huán)節(jié)組成的,要應(yīng)用數(shù)字仿真方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究,首先需要求出總的傳遞函數(shù),再轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間表達(dá)式的形式,然后對(duì)其求解。當(dāng)改變系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的參數(shù)時(shí),尤其是要改變小閉環(huán)中某一環(huán)節(jié)的參數(shù)時(shí),以上整個(gè)過(guò)程又需要重新計(jì)算,這對(duì)研究對(duì)象參數(shù)變化對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響是十分不便的,為了克服這些缺點(diǎn),同時(shí)大多數(shù)從事自動(dòng)化工作的科技人員更習(xí)慣于用結(jié)構(gòu)圖的形式來(lái)分析和研究控制系統(tǒng),為此產(chǎn)生了面向結(jié)構(gòu)圖的仿真方法。該方法只需將各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)與各環(huán)節(jié)間的連接方式輸入計(jì)算機(jī),仿真程序就能自動(dòng)求出閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式。本課程設(shè)計(jì)主要介紹典型環(huán)節(jié)參數(shù)和連接關(guān)系構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程的方法,而動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算,仍采用四階龍格-庫(kù)塔法。這種方法具有便于研究各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響,并可以得到每個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),以與對(duì)多輸入輸出系統(tǒng)的進(jìn)行仿真的有點(diǎn)。關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)圖；典型環(huán)節(jié)；連接矩陣；數(shù)字仿真；1、設(shè)計(jì)任務(wù)已知某一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示,編寫matlab程序求a分別為2,4,6,8,10,12時(shí)輸出量y的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖12、需求分析與概要設(shè)計(jì)2.1需求分析根據(jù)上述設(shè)計(jì)任務(wù)我們可以基本明確在我們課程設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該明確以下幾個(gè)方面：熟悉在數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中常用的四階龍格-庫(kù)塔算法。明確在面向結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真,典型環(huán)節(jié)與其系數(shù)矩陣確定。明確各連接矩陣的確定。能夠熟練運(yùn)用MATLAB仿真軟件。2.2設(shè)計(jì)思路自動(dòng)控制系統(tǒng)常常是由許多環(huán)節(jié)組成的,要應(yīng)用數(shù)字仿真方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究,首先需要求出總的傳遞函數(shù),再轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間表達(dá)式的形式,然后對(duì)其求解。當(dāng)改變系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的參數(shù)時(shí),尤其是要改變小閉環(huán)中某一環(huán)節(jié)的參數(shù)時(shí),以上整個(gè)過(guò)程又需要重新計(jì)算,這對(duì)研究對(duì)象參數(shù)變化對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響是十分不便的,為了克服這些缺點(diǎn),同時(shí)大多數(shù)從事自動(dòng)化工作的科技人員更習(xí)慣于用結(jié)構(gòu)圖的形式來(lái)分析和研究控制系統(tǒng),為此產(chǎn)生了面向結(jié)構(gòu)圖的仿真方法。該方法只需將各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)與各環(huán)節(jié)間的連接方式輸入計(jì)算機(jī),仿真程序就能自動(dòng)求出閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式。以下是我們課程設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)思路框圖：典型環(huán)節(jié)確定典型環(huán)節(jié)確定連接矩陣的確定確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程數(shù)字仿真任務(wù)分析圖22.3連接矩陣確定：一個(gè)控制系統(tǒng)用典型環(huán)節(jié)來(lái)描述時(shí),必須用連接矩陣把各個(gè)典型環(huán)節(jié)連接起來(lái)。所謂連接矩陣,就是用矩陣的形式表示各個(gè)典型環(huán)節(jié)之間的關(guān)系。以下是我們課程設(shè)計(jì)當(dāng)中連接矩陣確定的分析過(guò)程：x1x1u2x2u3x3yu1r=10+——ⅠⅡⅢ圖3由上圖我們可以得出各環(huán)節(jié)輸入與各環(huán)節(jié)輸出間的關(guān)系,以與系統(tǒng)輸出與各環(huán)節(jié)輸出間的關(guān)系分別為和。由此可得各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入,以與系統(tǒng)輸出的關(guān)系表達(dá)式為：,根據(jù)以上兩式和各典型環(huán)節(jié)的系數(shù)值,可得如下矩陣和系數(shù)矩陣：,,。3、算法實(shí)現(xiàn)3.1面向結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真流程框圖在本次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中,我們通過(guò)分析題目隨后開(kāi)始我們的程序編寫,我們發(fā)現(xiàn)在編寫程序上,變化數(shù)據(jù)的輸入上我們能夠采用兩種不同的方法,一種是把變化的數(shù)據(jù)通過(guò)人為的單個(gè)輸入到程序中,然后逐一的得出我們對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。另外一種是通過(guò)循環(huán)控制的方式,把我們需要改變的數(shù)據(jù)加入到程序當(dāng)中,并且把不同的變量對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果反映到同一X圖片當(dāng)中。于是,這里我們這里就具有兩個(gè)不同的程序流程圖。單個(gè)輸入程序流程圖：NNY開(kāi)始給定輸入信號(hào)和典型環(huán)節(jié)參數(shù)與連接矩陣輸入Ⅲ環(huán)節(jié)變量a輸入仿真時(shí)間Tf和計(jì)算步長(zhǎng)h求矩陣求A,B矩陣根據(jù)龍格-庫(kù)塔法求狀態(tài)方程的根計(jì)算系統(tǒng)輸出yt=Tf?輸出結(jié)果,繪制仿真曲線結(jié)束圖4利用循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)a=2,4,6,8,10,12的仿真分析的流程圖：NNNYY開(kāi)始給定輸入信號(hào)和連接矩陣輸入仿真時(shí)間Tf和計(jì)算步長(zhǎng)ha=2:2:12循環(huán)結(jié)束？計(jì)算典型環(huán)節(jié)參數(shù)矩陣P求矩陣求A,B矩陣根據(jù)龍格-庫(kù)塔法求狀態(tài)方程的根計(jì)算系統(tǒng)輸出yt=Tf?輸出結(jié)果,繪制仿真曲線結(jié)束圖53.2程序代碼在本次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中,我們通過(guò)分析題目隨后開(kāi)始我們的程序編寫,我們發(fā)現(xiàn)在編寫程序上,變化數(shù)據(jù)的輸入上我們能夠采用兩種不同的方法,一種是把變化的數(shù)據(jù)通過(guò)人為的單個(gè)輸入到程序中,然后逐一的得出我們對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。另外一種是通過(guò)循環(huán)控制的方式,把我們需要改變的數(shù)據(jù)加入到程序當(dāng)中,并且把不同的變量對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果反映到同一X圖片當(dāng)中。于是,這里我們這里就具有兩個(gè)不同的程序代碼。單個(gè)輸入代碼段r=10;%系統(tǒng)輸入型號(hào)a=input<'輸入Ⅲ環(huán)節(jié)變量a='>;%'輸入Ⅲ環(huán)節(jié)變量aP=[0.110.51;0110;11a1];%各個(gè)典型環(huán)節(jié)系數(shù)矩陣W=[00-1;100;010];W0=[1;0;0];Wc=[001];%連接矩陣Tf=input<'仿真時(shí)間Tf='>;h=input<'計(jì)算步長(zhǎng)h='>;A1=diag<P<:,1>>;%diag建立對(duì)角矩陣B1=diag<P<:,2>>;C1=diag<P<:,3>>;D1=diag<P<:,4>>;H=B1-D1*W;Q=C1*W-A1;%求取H,Q矩陣A=inv<H>*Q;%inv逆矩陣根據(jù)公式求去AB矩陣B=inv<H>*C1*W0;x=[zeros<length<A>,1>];%產(chǎn)生length<A>行1列的0矩陣y=[zeros<length<Wc<:,1>>,1>];t=0;fori=1:Tf/h%龍格-庫(kù)塔法求取狀態(tài)方程的根K1=A*x+B*r;K2=A*<x+h*K1/2>+B*r;K3=A*<x+h*K2/2>+B*r;K4=A*<x+h*K3>+B*r;x=x+h*<K1+2*K2+2*K3+K4>/6;y=[y,Wc*x];t=[t,t<i>+h];endplot<t,y>%繪制仿真曲線以下是圖片處理gtext<'a=2'>gtext<'Tf=10'>gtext<'h=0.2'>title<'a=2時(shí)系統(tǒng)的仿真曲線'>xlabel<'時(shí)間〔t〕'>ylabel<'系統(tǒng)輸出〔y〕'>利用循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)a=2,4,6,8,10,12的仿真分析代碼：r=10;%系統(tǒng)輸入型號(hào)W=[00-1;100;010];W0=[1;0;0];Wc=[001];%連接矩陣Tf=input<'仿真時(shí)間Tf='>;h=input<'計(jì)算步長(zhǎng)h='>;fora=2:2:12P=[0.110.51;0110;11a1];%各個(gè)典型環(huán)節(jié)系數(shù)矩陣A1=diag<P<:,1>>;%diag建立對(duì)角矩陣B1=diag<P<:,2>>;C1=diag<P<:,3>>;D1=diag<P<:,4>>;H=B1-D1*W;Q=C1*W-A1;%求取H,Q矩陣A=inv<H>*Q;%inv逆矩陣根據(jù)公式求去AB矩陣B=inv<H>*C1*W0;x=[zeros<length<A>,1>];%產(chǎn)生length<A>行1列的0矩陣y=[zeros<length<Wc<:,1>>,1>];t=0;fori=1:Tf/h%龍格-庫(kù)塔法求取狀態(tài)方程的根K1=A*x+B*r;K2=A*<x+h*K1/2>+B*r;K3=A*<x+h*K2/2>+B*r;K4=A*<x+h*K3>+B*r;x=x+h*<K1+2*K2+2*K3+K4>/6;y=[y,Wc*x];t=[t,t<i>+h];endplot<t,y>%繪制仿真曲線holdonendholdoffgtext<'a=2'>%圖片標(biāo)注gtext<'a=4'>gtext<'a=6'>gtext<'a=8'>gtext<'a=10'>gtext<'a=12'>gtext<'Tf=15'>gtext<'h=0.4'>title<'系統(tǒng)仿真曲線'>xlabel<'時(shí)間〔t〕'>ylabel<'系統(tǒng)輸出〔y〕'>4、調(diào)試分析過(guò)程與結(jié)果4.1仿真和調(diào)試在仿真過(guò)程中我們采用的是Matlab軟件,Matlab是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言,它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步,也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序〔M文件〕后再一起運(yùn)行。在現(xiàn)在的自動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真上,由于該軟件的方便使用,受到人們青睞。因此我們課程設(shè)計(jì)也選用了該軟件作為我們的調(diào)試和仿真的工具。在是用Matlab軟件對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中,我們參照了很多關(guān)于程序調(diào)試的方法,其常見(jiàn)的調(diào)試方法有：<1>設(shè)置或清除斷點(diǎn)：使用快捷鍵F12。<2>執(zhí)行：使用快捷鍵F5。

<3>單步執(zhí)行：使用快捷鍵F10。

<4>stepin：當(dāng)遇見(jiàn)函數(shù)時(shí),進(jìn)入函數(shù)內(nèi)部,使用快捷鍵F11。

<5>stepout：執(zhí)行流程跳出函數(shù),使用快捷鍵Shift+F11。

<6>執(zhí)行到光標(biāo)所在位置：非常遺憾這項(xiàng)功能沒(méi)有快捷鍵,只能使用菜單來(lái)完成這樣的功能。

<7>觀察變量或表達(dá)式的值：將鼠標(biāo)放在要觀察的變量上停留片刻,就會(huì)顯示出變量的值,當(dāng)矩陣太大時(shí),只顯示矩陣的維數(shù)。

<8>退出調(diào)試模式：沒(méi)有設(shè)置快捷鍵,使用菜單或者快捷按鈕來(lái)完成。由于我們是初次使用這個(gè)軟件,對(duì)于程序的調(diào)試我們也沒(méi)有使用更為繁瑣的步奏,而是采用了常見(jiàn)的調(diào)試方法,直接調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程我們遇到了很多問(wèn)題,包括語(yǔ)法的錯(cuò)誤。這主要是我們?cè)诰帉懗绦虻臅r(shí)候沒(méi)有注意到matlab程序的變量設(shè)置問(wèn)題。最后通過(guò)查閱相關(guān)資料我們順利的完成了程序編寫,并且實(shí)現(xiàn)了我們想要功能。其調(diào)試窗口〔見(jiàn)下圖〕：圖64.2仿真結(jié)果在本課程設(shè)計(jì)當(dāng)中,為了更好的驗(yàn)證系統(tǒng),我們選用了兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,分別是仿真時(shí)間Tf=10,步長(zhǎng)h=0.2和仿真時(shí)間Tf=15,步長(zhǎng)h=0.4。并得出了在這兩組數(shù)據(jù)下a分別取不同值時(shí)的仿真曲線圖。當(dāng)仿真時(shí)間Tf=10,步長(zhǎng)h=0.2時(shí),不同a的仿真結(jié)果<1>a=2的仿真曲線圖：圖7<2>a=4的仿真曲線圖：圖8<3>a=6的仿真曲線圖：圖9<4>a=8的仿真曲線圖：圖10<5>a=10的仿真曲線圖：圖11<6>a=12的仿真曲線圖：圖12<7>a=2,4,6,8,10,12的仿真結(jié)果：圖13當(dāng)仿真時(shí)間Tf=15,步長(zhǎng)h=0.4時(shí),不同a的仿真結(jié)果<1>a=2的仿真曲線圖：圖14<2>a=4的仿真曲線圖：圖15<3>a=6的仿真曲線圖：圖16<4>a=8的仿真曲線圖：圖17<5>a=10的仿真曲線圖：圖18<6>a=12的仿真曲線圖：.圖19<7>a=2,4,6,8,10,12的仿真結(jié)果：圖205、心得體會(huì)兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了,在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí),也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,與同學(xué)分工設(shè)計(jì),和同學(xué)們相互探討,相互學(xué)習(xí),相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作,學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄,學(xué)會(huì)了寬容,學(xué)會(huì)了理解,也學(xué)會(huì)了做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練,著是我們邁向社會(huì),從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程．"千里之行始于足下",通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義．我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì),學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開(kāi)這一步,就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)這次面向結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的仿真,本人在多方面都有所提高。熟悉了在數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中常用的幾種數(shù)值積分方法,特別是四階龍格-庫(kù)塔法。明確了在面向結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真中,典型環(huán)節(jié)與其系數(shù)矩陣確定。明確了各連接矩陣的確定。能夠熟練運(yùn)用MATLAB仿真軟件。在此感謝我們的吳老師.,老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪；這次設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù),都離不開(kāi)老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開(kāi)朗的個(gè)性和寬容的態(tài)度,幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。