控制系統(tǒng)仿真精選(九篇)

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第1篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞：船舶運(yùn)動(dòng)；PID控制；轉(zhuǎn)向模型

中D分類號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006―7973（2017）04-0042-02

1 課題研究的背景及意義

船舶航向控制系統(tǒng)的可靠性及性能特點(diǎn)直接關(guān)系著航行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。從20世紀(jì)20年代PID控制應(yīng)用于船舶航向控制以來(lái)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐的不斷積累和無(wú)數(shù)高科技人才的不斷探索與完善，其已經(jīng)成為船舶航向控制領(lǐng)域最基本、最經(jīng)典的方法。

船舶航向控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性的、外界環(huán)境干擾復(fù)雜的系統(tǒng)，從理論上很難用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述。在一些特殊的場(chǎng)合、航道復(fù)雜或者進(jìn)行避碰操作的時(shí)候甚至需要極富經(jīng)驗(yàn)的舵手進(jìn)行人工操作。而較為精確的PID控制經(jīng)過(guò)多年的摸索和完善可以極大程度的從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面滿足現(xiàn)代船舶航行控制的要求。

2 船舶轉(zhuǎn)向模型推導(dǎo)

在確定船舶模型的時(shí)候采用野本模型的原因主要是因?yàn)閰?shù)容易換算出深和航速的關(guān)系，但是由于二階模型在轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型時(shí)不便于加上非線性力以及風(fēng)浪的干擾，于是我們采用野本的三階模型：

3 船舶PID運(yùn)動(dòng)控制仿真

在進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖搭建之前，我們先要確定系統(tǒng)的原理。在整個(gè)系統(tǒng)中輸入量r（t）采用的是給定的階躍信號(hào)，而中間的比例、積分、微分環(huán)節(jié)，我們采取的是Matlab自帶的PID控制器。而圖中的過(guò)程對(duì)象，在本次設(shè)計(jì)的實(shí)例之中采用的是在前文中已經(jīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的船舶模型傳遞函數(shù)，其輸出值則和給定一起連接在一個(gè)示波器上，通過(guò)對(duì)示波器的觀察就可以得到整個(gè)系統(tǒng)的控制效果。

在Matlab中創(chuàng)建一個(gè)新的m文件，再打開(kāi)Simulink控件庫(kù)，把需要的控件逐個(gè)拖拽到m文件內(nèi)，再進(jìn)行控件間的連接。連接好了以后，我們可以得到如圖1所示的程序流程圖：

對(duì)于整個(gè)PID的控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是對(duì)PID控制器內(nèi)部三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。而對(duì)于參數(shù)的設(shè)定是有一定技巧和規(guī)則的。

PID的參數(shù)是更具被控制的對(duì)象的慣量來(lái)確定的。當(dāng)被控制的量為大慣量時(shí)，一般P可以再10以上，I為3-10之間，D為1左右。而當(dāng)被控制的對(duì)象為小慣量時(shí)，一般只是使用PI控制，P為1-10之間，I為0.1-1之間，而D等于零。這些參數(shù)的具體指責(zé)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)才能修正到較好的數(shù)值從而得到最佳的控制效果。

而參數(shù)的具體操作過(guò)程可以有以下幾種具體的操作流程。我們可以先讓調(diào)節(jié)器的參數(shù)積分系數(shù)為0，同時(shí)實(shí)際的微分系數(shù)為0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)的運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)I，讓擾動(dòng)的信號(hào)作階躍的變化，即給定值為階躍信號(hào)。再觀察控制過(guò)程，直到獲得滿意的控制過(guò)程為止。再取比例系數(shù)為當(dāng)前的數(shù)值乘以0.8左右，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動(dòng)的信號(hào)作階躍的辯護(hù)啊，直至求得滿意的控制過(guò)程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過(guò)程中控制的效果有無(wú)改善，如果有改善則繼續(xù)按照原有的節(jié)奏調(diào)整，直到調(diào)試的結(jié)果滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再行調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)的嘗試多次，直到找到令人滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可以適當(dāng)?shù)脑龃蟊壤禂?shù)和積分系數(shù)。和前述的各個(gè)步驟相同，微分時(shí)間的整定也是需要反復(fù)調(diào)整的，知道控制過(guò)程滿意為止。在參數(shù)的調(diào)整過(guò)程中仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè)PID調(diào)節(jié)是有所不同的，各個(gè)參數(shù)之間相互隔離，互不影響，因而用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。

在進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)是可以使用一種更加簡(jiǎn)潔的方法，即把積分值調(diào)節(jié)的非常大，比較在幾千以上，使得積分基本不起什么作用，而把微分值設(shè)定為0。調(diào)節(jié)比例參數(shù)，使得出現(xiàn)的超調(diào)量比較小，如果沒(méi)有超調(diào)量，則適當(dāng)?shù)募哟蟊壤齾?shù)。再慢慢的減少積分值，使得系統(tǒng)靜差能比較快的減小，并且不會(huì)出現(xiàn)周期性震蕩，如果出現(xiàn)周期性的震蕩，則增大積分值。使用比例參數(shù)自適應(yīng)功能有增加系統(tǒng)的快速響應(yīng)及減少系統(tǒng)震蕩。微分值約為積分值的0.1-0.2之間，如果系統(tǒng)擾動(dòng)比較大則應(yīng)該吧微分的參數(shù)設(shè)定的小一些。

按照以上所述的PID參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，經(jīng)過(guò)多次的嘗試之后可以確定此次設(shè)計(jì)仿真所設(shè)定的PID控制器的內(nèi)部參數(shù)比例參數(shù)為0.13，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為13.3。完成PID控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)后即完成了整個(gè)程序流程圖的搭建。

完成程序流程圖的搭建之后，把仿真的時(shí)間設(shè)定在1000s，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后觀察到示波器上給定值和控制值的對(duì)比。

4 結(jié)語(yǔ)

由仿真結(jié)果我們可以看到，在具有代表性的傳統(tǒng)控制方法，即PID的方法控制之下，整個(gè)系統(tǒng)再通過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整之后也可以達(dá)到平衡的狀態(tài)。但是這個(gè)調(diào)整的時(shí)間過(guò)于的漫長(zhǎng)，可得為700s左右，即整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，我們可以對(duì)PID調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是事實(shí)證明，在調(diào)節(jié)比例參數(shù)的過(guò)程中又會(huì)造成系統(tǒng)的超調(diào)量過(guò)大，系統(tǒng)很難再第一時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)在對(duì)PID控制器內(nèi)部的三個(gè)參數(shù)的設(shè)定也是一個(gè)極為復(fù)雜且繁瑣的過(guò)程，在整個(gè)調(diào)試的過(guò)程中要通過(guò)多次的嘗試。其只有一個(gè)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性的確定方法，無(wú)法得到一個(gè)合理的數(shù)學(xué)化的公式以便于用戶的設(shè)計(jì)。這些都是傳統(tǒng)的控制方法在船舶航向控制方面所有的天然的劣勢(shì)。

所以我們?cè)诮酉聛?lái)的工作中希望能夠更多地采集實(shí)船動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善計(jì)算模型和參數(shù)，以期希望得到更加良好的控制效果和更加簡(jiǎn)單的控制、調(diào)試方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭阿奇.Matlab實(shí)用教程.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 張顯庫(kù).船舶控制系統(tǒng).大連：大連海事大學(xué)出版社，2010.

[3] 黎明森 涂光瑩.船舶控制系統(tǒng)工程.大連：大連海運(yùn)學(xué)院出版社，1992.

[4] 金鴻章 姚緒梁.船舶控制原理.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002.

第2篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞: 《控制系統(tǒng)仿真》 課程內(nèi)容體系與教學(xué)方式改革 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

1.引言

仿真技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)下工程師們必須掌握的基本技能之一?！犊刂葡到y(tǒng)仿真》是一門講授仿真的基本原理、算法和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的課程,是工業(yè)電氣自動(dòng)化、自動(dòng)控制、過(guò)程控制和機(jī)電工程等專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)課,是溝通現(xiàn)實(shí)與理論必不可少的橋梁。該課程作為一門聯(lián)系自動(dòng)控制理論/系統(tǒng)/設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)的仿真基礎(chǔ)類課程,以《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》、《Matlab語(yǔ)言及應(yīng)用》、《自動(dòng)控制原理》等課程為前期先修課程,也作為同期或后續(xù)課程如《電力拖動(dòng)與自控系統(tǒng)》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《現(xiàn)代控制理論》的工具課程,其目的是指導(dǎo)學(xué)生掌握解決控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段,提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合解決問(wèn)題的能力[1]、[2]。為了在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生盡快掌握該知識(shí),并且在理論分析與實(shí)踐仿真兩個(gè)方面的能力都有所提高。我們對(duì)其課程內(nèi)容體系與教學(xué)方式進(jìn)行了一些探索研究與實(shí)踐。

2.課程內(nèi)容體系與教學(xué)方式改革

該課程的具體內(nèi)容包括仿真的基本方法與原理,建模,數(shù)值計(jì)算,優(yōu)化問(wèn)題求解方法,Matlab與Simulink基礎(chǔ)。在該課程的授課過(guò)程中對(duì)原理性的內(nèi)容逐步進(jìn)行分析講解,并且利用仿真工具演示加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

2.1課程重點(diǎn)內(nèi)容歸納

授課時(shí)的重點(diǎn)內(nèi)容歸結(jié)如下:該課程開(kāi)設(shè)的必要性、意義,以及其基本概念控制系統(tǒng)建模的基本方式方法數(shù)值計(jì)算方法及仿真計(jì)算Matlab基本使用技術(shù)及程序設(shè)計(jì)和Simulink基礎(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真及其優(yōu)化工程舉例等。該課程實(shí)際安排課時(shí)為32課時(shí),其中理論知識(shí)的講授課時(shí)安排為24學(xué)時(shí),上機(jī)實(shí)踐課時(shí)安排為8學(xué)時(shí)。圍繞該重點(diǎn)內(nèi)容通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的講解與實(shí)踐,使學(xué)生初步具備建模、設(shè)計(jì)、仿真這一過(guò)程。

2.2理論知識(shí)授課部分的改革

理論知識(shí)講授的部分主要講解該課程的背景、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì),控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法,控制系統(tǒng)建模的基本方法及其實(shí)例,常微分方程和差分方程基本的數(shù)值積分求解方法,Matlab與Simulink基礎(chǔ)及其作為工具在控制系統(tǒng)仿真過(guò)程中的使用和控制系統(tǒng)仿真的具體實(shí)現(xiàn)。

該部分知識(shí)主要使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)仿真這門課程有一定的感性認(rèn)識(shí),配合實(shí)踐課時(shí)使其能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真這一系列過(guò)程有一定的理性認(rèn)識(shí)。該部分知識(shí)主要以仿真方法及其如何使用仿真工具來(lái)實(shí)現(xiàn)為重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解。

其中,仿真工具部分的課時(shí)安排占了一定的比重,為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)作了必要的鋪墊[3]。主要是講述Matlab的基本運(yùn)行環(huán)境,及其Simulink模塊的基本操作,使學(xué)生具備實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真的能力。該部分教學(xué)內(nèi)容安排如下:Matlab的基本操作與使用、矩陣運(yùn)算與操作、二維三維圖形繪制、控制工具箱等;基于Matlab的各種模型的實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)換、串并聯(lián)及反饋的構(gòu)建;利用Matlab編程方式實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式的處理,便于控制系統(tǒng)模型的建立和描述,實(shí)現(xiàn)基于數(shù)值積分方法的微分方程求解仿真,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析等功能;還有實(shí)現(xiàn)基于離散相似法的仿真,以及實(shí)現(xiàn)基于Simulink的控制系統(tǒng)的模型的構(gòu)造,數(shù)值仿真和系統(tǒng)分析,等等。

通過(guò)對(duì)該課程內(nèi)容的歸納,圍繞重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)合理安排各部分的授課課時(shí),理論聯(lián)系實(shí)際,列舉實(shí)際案例幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)和掌握仿真工具的使用。

2.3教學(xué)方式改革

該課程的內(nèi)容既涉及仿真算法等一些理論知識(shí),又涉及仿真工具,知識(shí)面較廣。

為了能夠得到較好的教學(xué)效果,在教學(xué)方式方面該課程授課采用了多媒體的方式,加強(qiáng)互動(dòng)環(huán)節(jié),一面講授理論知識(shí),一面使用仿真工具演示,并且說(shuō)明理論知識(shí)的使用方法和適用場(chǎng)合,將理論和實(shí)際相結(jié)合,將實(shí)際案例融入到課堂教學(xué)當(dāng)中。并且詳細(xì)介紹仿真的工具的使用,一步步演示,使每個(gè)學(xué)生都能夠在課堂上對(duì)仿真工具的使用有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

作業(yè)的形式都以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式給出,讓每個(gè)學(xué)生都能通過(guò)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程鞏固自己所學(xué)的知識(shí),驗(yàn)證自己的算法。

考試的形式以上機(jī)操作結(jié)合理論知識(shí)考試得出,既加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握,又加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。

3.實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)安排的課時(shí)數(shù)為8學(xué)時(shí),根據(jù)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,可以靈活地進(jìn)行調(diào)整。認(rèn)識(shí)類的實(shí)踐課時(shí)為2個(gè)或者4個(gè),如:Simulink工具箱的使用及操作、PID工具箱的應(yīng)用;驗(yàn)證及工程仿真類的實(shí)踐課時(shí)為4個(gè)或者6個(gè)。如:基于二容水箱系統(tǒng)的算法驗(yàn)證、平面倒立擺的建模與仿真,直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)仿真優(yōu)化,等等。

4.結(jié)語(yǔ)

我們對(duì)教學(xué)內(nèi)容及其方式的改革,使學(xué)生在課堂上與老師有很好的交流,增強(qiáng)了互動(dòng),通過(guò)案例演示激發(fā)了學(xué)生的興趣,加深了學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解。大多數(shù)學(xué)生都能夠獨(dú)立自主的完成實(shí)驗(yàn)和大作業(yè)。實(shí)驗(yàn)和作業(yè)的范圍涉及運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制等自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)的課程,收到了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn):

[1]張曉華.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

第3篇：控制系統(tǒng)仿真范文

摘 要：闡述異步電機(jī)的矢量控制原理，對(duì)三相異步交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)控制過(guò)程進(jìn)行MATLAB仿真，根據(jù)交流電機(jī)坐標(biāo)變換及矢量控制理論提出異步電機(jī)在任意同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下仿真結(jié)構(gòu)圖的建模思想，提出一種按“角速度-定子電流-轉(zhuǎn)子磁通”為狀態(tài)變量在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。利用該結(jié)構(gòu)圖可以方便的構(gòu)成電機(jī)的仿真模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果符合電機(jī)實(shí)際運(yùn)行特性，證實(shí)采用該系統(tǒng)對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行控制，具有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，超調(diào)量小等特點(diǎn)，運(yùn)行性能良好,為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：矢量控制；MATLAB；異步電機(jī)；仿真

中圖分類號(hào)： TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Threephase AC Induction Motor Control System Simulation

WU Wei,HUANG Xuan,LIU Huihe

(School of Electronic and Information Engineering，Xianning University,Xianning 437100, China)

Abstract:This paper expounds the control principle of asynchronous motor vector ,shows the simulink process of threephase asynchronous motor vector control system with MATLAB, according to AC motor coordinate transformation and vector control theory, the paper puts forward induction motor in any synchronization reference frame into the simulation of structure modeling, and draw the dynamic structure uses as state variables in the coordinate. It is convenient to use the structure to build the motor of the simulation model and calculation.The results is coincident with the practice, demonstrate this system has the characters of small fluctuation of torque，quick response speed and smaller overshoot，the performance is favorable. It provides theory basis for the design of the actual system.

Key words:vector control; MATLAB; asynchronous motor; simulation

1 引 言隨著生產(chǎn)能力與要求的不斷提高，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的局限性也越來(lái)越明顯。高性能交流調(diào)速技術(shù)蓬勃發(fā)展，逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)已是不爭(zhēng)的事實(shí)。異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，然而普通調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足現(xiàn)代精確場(chǎng)合的要求。近年來(lái)，將矢量控制理論應(yīng)用到交流電機(jī)的調(diào)速控制中，可使交流系統(tǒng)的調(diào)速性能完全和直流系統(tǒng)相媲美［1］。于是，二者的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到了更高水平的技術(shù)融合。MATLAB擁有強(qiáng)大的數(shù)值分析功能，其在控制系統(tǒng)仿真上的運(yùn)用具有極大的參考價(jià)值。其Simulink工具極大的提高了系統(tǒng)的仿真速度。本文通過(guò)建立仿真模型，分析研究其運(yùn)行數(shù)據(jù)，并擬合了其精度曲線。

2 三相交流異步電機(jī)矢量控制理論

異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程為微分方程。這是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)［2］。

21 基本方程的建立

異步電動(dòng)機(jī)每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和。

ψAψBψCψaψbψc=LAALABLACLAaLAbLAcLBALBBLBCLBaLBbLBcLCALCBLCCLCaLCbLCcLaALaBLaCLaaLabLacLbALbBLbCLbaLbbLbcLcALcBLcCLcaLcbLcciAiBiCiaibic (1)

其中：ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc表示各相繞組的全磁鏈；IA、IB、IC、Ia、Ib、Ic表示定子、轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；

LAA=LBB=LCC=Lms+Lls表示定子各相自感；

Laa=Lbb=Lcc=Lms+Llr 表示轉(zhuǎn)子各相自感；

三相繞組電壓平衡方程寫成矩陣形式：

uAuBuCuaubuc=Rs000000Rs000000Rs000000Rr000000Rr000000RriAiBiCiaibic+

ddtψAψBψCψaψbψc （2）

轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=－npLms(iAia+iBib+iCic)sin θ+

(iAib+iBic+iCia)sin (θ+120°)+(iAic+

iBia+iCib)sin (θ－120°)］ （3）

22 坐標(biāo)變換理論基礎(chǔ)

根據(jù)不同坐標(biāo)系中電動(dòng)機(jī)模型等效的原則，在不同坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)相等。在交流電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速（即電流的角頻率）順著ABC的相序旋轉(zhuǎn)。三相變量中只有兩相為獨(dú)立變量，完全可以也應(yīng)該消去一相。所以，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對(duì)稱繞組等效代替，兩套繞組磁動(dòng)勢(shì)在αβ軸上的投影應(yīng)相等。

按照變換前后總功率不變產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)相等，匝數(shù)比為N3N2=23，3/2變換矩陣為：

C3/2=231－12－12032－32 （4）

兩相正交坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系：

C2/3=2310－1232－12－32（5）

考慮到：iA+iB+iC=0，有：

iαiβ=320122iAiB （6）

旋轉(zhuǎn)正交變換為：

idiq=cos φsin φ－sin φcos φiαiβ=C2s/2riαiβ （7）

靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換陣為：C2s/2r=cos φsin φ－sin φcos φ （8）

因此也有：旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣為：

C2r/2s=cos φ－sin φsin φcos φ （9）23 狀態(tài)方程及動(dòng)態(tài)建模

2.3.1 狀態(tài)方程的建立

旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替原來(lái)靜止的定子繞組，并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等效的定子繞組重合，且保持嚴(yán)格同步，等效后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程與靜止兩相正交坐標(biāo)系中相同，僅下標(biāo)發(fā)生變化［3-4］。

以ω－is－ψr為狀態(tài)變量，dq坐標(biāo)系中的磁鏈方程如下［5］：

ψsdψsqψrdψrq=Ls0Lm00Ls0LmLm0Lr00Lm0Lrisdisqirdirq （10）

電壓方程為：

usdusqurdurq=Rs0000Rs0000Rr0000Rrisdisqirdirq+

ddtψsdψsqψrdψrq+－ω1ψsqω1ψsd－(ω1－ω)ψrq(ω1－ω)ψrd （11）

籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路，urd=urq=0［6］，也即是：

dψsddt=－Rsisd+ω1ψsq+usddψsqdt=－Rsisq－ω1ψsd+usqdψrddt=－Rrird+(ω1－ω)ψrqdψrqdt=－Rrirq－(ω1－ω)ψrd （12）

狀態(tài)方程為：

dωdt=n2pLmJLr(isqψrd－isdψrq)－npJT

dψrddt=－1Trψrd+(ω1－ω)ψrq+LmTrisd

dψrqdt=－1Trψrq－(ω1－ω)ψrd+LmTrisq(13)

disddt=LmσLsLrTrψrd+LmσLsLrωψrq－

RsL2r+RrL2mσLsL2risd+ω1isq+usdσLs

disqdt=LmσLsLrTrψrq－LmσLsLrωψrd－

RsL2r+RrL2mσLsL2risq－ω1isd+usqσLs

輸出方程為：

Y=ωψ2rd+ψ2rq（14）

子電磁時(shí)間常數(shù)為：

Tr=LrRr（15）

2.3.2 動(dòng)態(tài)建模

當(dāng)ω1=0時(shí)，有：

3 模型仿真

31 子系統(tǒng)的建立

32 參數(shù)設(shè)置（異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓和額定頻率）

Rs=1.85Ω，Rr=2.658Ω，Ls=0.2941H,

Lr=0.2898H,Lm=0.2838H，np=2，UN=380V,fN=50Hz。

33 運(yùn)行仿真

由UA,UB,UC到Uα,Uβ波形的變換（圖4）：

空載仿真運(yùn)行情況（圖5、圖6）

4 仿真數(shù)據(jù)的分析與結(jié)論

41 理論計(jì)算：

額定轉(zhuǎn)速nN=1400r/min，額定頻率fN=50Hz，則電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)np=2，額定轉(zhuǎn)速w=np•wn=293.2rad/s。設(shè)三相正弦對(duì)稱電流：

iA=imsin (2πfNt)=

9.758sin (100πt)

iB=imsin (2πfNt－23π)=

9.758sin (100πt－23π)

ic=imsin (2πfNt+23π)=

9.758sin (100πt+23π)

isαisβ=231－12－12032－32

imsin (2πfNt)imsin (2πfNt－23π)imsin (2πfNt+23π)=

11.951sin (100πt)－11.951cos (100πt)

轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)Tr=LrRr=0.28982.658=0.109s。

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在額定工作狀態(tài)時(shí)，

ψrα=Lmisα－ωTrψrβψrβ=Lmisβ+ωTrψrα

得到：

ψrα=Lmisα－ωTrψrβ1+ω2T2r=0.0033×

sin(100πt)+0.1060×cos(100πt)

ψrβ=Lmisβ+ωTrψrα1+ω2T2r=-0.0033×

cos(100πt)+0.1060×sin(100πt)

ψr=ψ2rα+ψ2rβ≈0.1061

42 仿真對(duì)比分析

向電機(jī)施加U=380V，f=50Hz的三相額定電壓，電機(jī)空載起動(dòng)，穩(wěn)定后根據(jù)仿真圖讀出起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形如圖7所示。電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速值為w=314rad/s，轉(zhuǎn)矩Te=0.04752N•m。也就是說(shuō)，沒(méi)有外加負(fù)載引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在t=1s時(shí)加負(fù)載TL=10.0N•m，可以得到電機(jī)調(diào)整的參數(shù)為：n=304r/min與實(shí)際值偏差不大，而Te=10.03N•m，并維持在此穩(wěn)定水平。同時(shí)空載電流由最初的低值穩(wěn)定向負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)切換。從坐標(biāo)變換出發(fā)，用MATLAB環(huán)境下的Simulink軟件構(gòu)造了異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以實(shí)際電機(jī)為例，對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了該仿真模型的正確性。仿真模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易仿真，動(dòng)態(tài)性能和跟隨性能好，精度高?？梢栽趯?shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬小亮.大功率交交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999．

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［3］ 孟慶春,楊建忠.基于Simulink仿真工具動(dòng)機(jī)仿真模型研究［J］.基礎(chǔ)自動(dòng)化,2002.(1)：7-10.

［4］ 楊貴杰,孫力等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2001.21(5):79-81

［5］ RAJESH KUMAR,R.A.GUPTA,RASJESH S.SURJUSE. A vector controlled induction motor drive with neural network based vector width modulator ［J］,Journal of Theoretical and Applied Information Technology,2008(2):25-30.

第4篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞：金剛石壓機(jī) 數(shù)學(xué)建模 模糊PID控制 MATLAB仿真

中圖分類號(hào)：TP237.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）02-00012-02

目前，我國(guó)主要采用六面頂壓機(jī)在超高溫高壓的條件下合成金剛石單晶及其復(fù)合片、開(kāi)發(fā)新材料[1]。六面頂壓機(jī)壓力控制的穩(wěn)定性是決定生產(chǎn)效果的重要因素，傳統(tǒng)的壓機(jī)控制系統(tǒng)采用PID 控制器缺乏適應(yīng)性，對(duì)人造金剛石壓機(jī)這類壓力時(shí)變系統(tǒng)的控制效果很差，控制精度不高。本文分析了金剛石壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)，建立了壓力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，采用模糊PID的控制方式，從仿真結(jié)果來(lái)看達(dá)到了超調(diào)量小，精度高，自適應(yīng)性好的控制效果。

1 壓力控制系統(tǒng)的建模

1.1 軸向柱塞泵的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)金剛石壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)的構(gòu)成建立系統(tǒng)模型如圖1所示，主要由軸向柱塞泵、增壓器和工作油缸以及相關(guān)的油路管道組成[2]，如圖1：

依據(jù)軸向柱塞泵的工作原理[3-4]，設(shè)柱塞直徑為d，柱塞數(shù)為Z，柱塞中心分布圓直徑為D，斜盤傾角為γ，則 泵的流量為：

（1）

上式中n為泵的轉(zhuǎn)速，ηpv為泵的容積效率。

增壓器的壓力為：

（2）

上式中β為液體體變彈性模量，Vh為排油室體積，Qleak為總泄露的流量，與壓力成正比，即Qleak=ClhPS，Clh為比例系數(shù)。QL為輸出流量，超高壓時(shí)輸出量較小，近似為零。結(jié)合（1）、（2）兩式，則軸向柱塞泵的傳遞函數(shù)為：

（3）

1.2 增壓器的數(shù)學(xué)模型

（1）增壓器的受力平衡和流量方程為：

（4）

（5）

上式中A1、A2為增壓缸大小腔面積，MZ為增壓缸活塞的質(zhì)量，PS為增壓缸缸前壓力，PC為工作油缸缸前壓力，y為增壓器位移。

（2）工作油缸的流量方程為：

（6）

式中Clp為工作油缸的內(nèi)泄系數(shù)，Pc為工作油缸缸前壓力，P2工作油缸的回油背壓，Vhl為液壓缸控制腔的容積，be為有效體積彈性模數(shù)，y1為工作油缸的位移。由于保壓階段壓力幾乎維持不變，壓縮量y1為零，壓力控制系統(tǒng)保壓階段壓力大于50MPa，流體的彈性模量be很大，1/be=0，所以聯(lián)立（4）～（6）式，化簡(jiǎn)為：

（7）

結(jié)合（3）和（7）兩式，得：

（8）

（8）式即為壓力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，帶入系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，整理得：

（9）

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模糊控制具有控制速度快、過(guò)程參數(shù)的變化適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、魯棒性靈敏度高、無(wú)需精確建模等特點(diǎn)。但模糊控制由于是按檔處理，是一種非線性控制，存在著靜態(tài)余差，而傳統(tǒng)PID控制卻能使控制消除穩(wěn)態(tài)誤差[5]。結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，本文采用一種以模糊PID調(diào)節(jié)器作為控制核心的壓力控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)即具有PID調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度，又具有模糊控制器的自適應(yīng)特性，以改善金剛石壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性。

本模糊控制器設(shè)計(jì)為二維模糊控制器，以壓力值偏差e和偏差變化率為模糊控制器的內(nèi)部輸入變量，以ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出變量。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)所有輸入輸出量在整個(gè)論域上被分成七個(gè)模糊子集，即{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。模糊控制規(guī)則主要是通過(guò)總結(jié)專家知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)獲得，進(jìn)而建立總體控制規(guī)則方案。根據(jù)具體PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響和實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合Kp、Ki、Kd自整定原則，制定出ΔKp、ΔKi、ΔKd在工作過(guò)程中語(yǔ)言控制規(guī)則表，ΔKp模糊語(yǔ)言控制表如下表1所示。

經(jīng)過(guò)模糊推理后的結(jié)論是模糊集合中的模糊值，還需要通過(guò)去模糊化得到精確值，進(jìn)而控制目標(biāo)對(duì)象。本系統(tǒng)去模糊化采用重心法去模糊。

2.2 模糊PID控制系統(tǒng)的仿真

運(yùn)用Matlab軟件的simulink工具進(jìn)行仿真分析，建立壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)的仿真模型如下圖3，其中模糊控制子系統(tǒng)為Fuzzy controller。

由常規(guī)PID整定得到的Kp0、Ki0、Kd0參數(shù)設(shè)為模糊PID的的初始值，分別為Kp0=1，Ki0=10，Kd0=0.01。為了驗(yàn)證自動(dòng)控制的動(dòng)靜態(tài)性能，通過(guò)利用單位階躍信號(hào)跟蹤控制響應(yīng)效果，系統(tǒng)常規(guī)PID和模糊PID階躍響應(yīng)對(duì)比如下圖4所示。

由上圖可知，在輸入單位階躍信號(hào)作用下常規(guī)PID響應(yīng)超調(diào)量大，響應(yīng)時(shí)間較慢，對(duì)于壓力控制這類純滯后時(shí)變系統(tǒng)，控制效果不夠理想，而模糊PID控制不僅響應(yīng)時(shí)間較短，超調(diào)量小，震蕩幅度小，而且穩(wěn)態(tài)性能也優(yōu)于常規(guī)PID。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)研究對(duì)象六面頂壓機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，建立了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，設(shè)計(jì)了一種模糊PID 控制算法，并用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真。通過(guò)仿真表明： 采用模糊PID 控制方案有效解決了人造金剛石壓機(jī)壓力控制過(guò)程中精度低，超調(diào)大，嚴(yán)重滯后等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，適應(yīng)性能強(qiáng)，獲得了比較好的壓力控制效果，對(duì)提高人造金剛石產(chǎn)品的質(zhì)量有較大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張文鳳，郝儀，高波，涂贛峰.金剛石合成研究進(jìn)展.科技資訊，2010，24：115.

第5篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞：可編程控制器 PLC 開(kāi)關(guān)邏輯控制 仿真

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（a）-0051-02

機(jī)械自動(dòng)化過(guò)程離不開(kāi)傳統(tǒng)的電機(jī)拖動(dòng)和電氣控制系統(tǒng)，而PLC是一種在電氣控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的智能產(chǎn)品，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制微機(jī)。

目前，PLC技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中，成為一種最重要、最普及的工業(yè)控制裝置。被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC，機(jī)器人，CAD/CAM）之一。它的應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域已廣泛用于冶金、石油、化工、建材、機(jī)械制造電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂(lè)各行各業(yè)，隨著性能價(jià)格比不斷提高其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。

1 課題的提出

PLC技術(shù)應(yīng)用大致分為以下幾個(gè)具體方面：

開(kāi)關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)等。其中開(kāi)關(guān)量控制是最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，以實(shí)現(xiàn)邏輯控制，順序控制。即可用于單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制，也可用于多機(jī)聯(lián)控及自動(dòng)化流水線等。如下的仿真課題正是開(kāi)關(guān)量邏輯控制的綜合研究。

2 控制要求

控制要求是：

物料小車一處裝料，兩處卸料，且兩處卸料是同一方向，即第二次卸料與第一次卸料沿同一路徑經(jīng)過(guò)第一次卸料點(diǎn)后再前進(jìn)到第二卸料點(diǎn)卸料。

分析：如果是一處裝料，另一處卸料，只要采用行程控制和定時(shí)控制即可，但兩處卸料的關(guān)鍵和難題是當(dāng)?shù)诙涡读辖?jīng)過(guò)第一次卸料時(shí)的行程開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)采用兩種方法，一是設(shè)法不讓開(kāi)關(guān)動(dòng)作，這難于辦到；二是開(kāi)關(guān)動(dòng)作了，但對(duì)控制電路或不起作用，我們的仿真方案采用了第二種方法。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 方案一

PLC輸入與輸出接口 （I/O）：

輸入端口：

輸出端口：

Y0：正傳接觸器線圈

Y1：反傳接觸器線圈

M100：輔助繼電器

T0、T1：時(shí)間繼電器

如圖1所示，小車在限位開(kāi)關(guān)X4處裝料，在行程開(kāi)關(guān)X5和X3兩處輪流小在一個(gè)工作環(huán)中有兩次右行都要碰到行程開(kāi)關(guān)X5，第一次碰到時(shí)停下卸料，第二次碰到時(shí)則繼續(xù)前進(jìn)，因此，應(yīng)設(shè)置一個(gè)具有記憶功能的編程元件用它來(lái)是第一次還是第二次碰到X5。圖1中M100就起到該作用。當(dāng)?shù)谝淮闻龅絏5 時(shí)，M100接通并自鎖，并在X5兩端，短接了X5，為第二次卸料做好準(zhǔn)備。當(dāng)?shù)诙涡读吓龅絏3又使M100斷電，并為下一個(gè)工作循環(huán)做好準(zhǔn)備。

仿真過(guò)程如下：

仿真通過(guò)FX―TRN―BEG―C 來(lái)完成。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)開(kāi)始裝料裝料完畢小車右行到達(dá)第一卸料點(diǎn)：

先撞開(kāi)X5常閉觸點(diǎn)小車停下卸料，卸料畢返回左端。

后撞合X5常開(kāi)觸點(diǎn)M100得電與X5常閉觸點(diǎn)并聯(lián)的M100常開(kāi)觸頭閉合為第二次送料碰到X5時(shí)控制過(guò)程做好準(zhǔn)備。

當(dāng)小車第二次送料再次碰到X5時(shí)，小車未停下來(lái)，因?yàn)镸100的常開(kāi)觸點(diǎn)將X5常閉觸點(diǎn)短接因而使小車越過(guò)第一次卸料點(diǎn)到達(dá)第二卸料點(diǎn)。從而完成一個(gè)循環(huán)周期

3.2 方案二

PLC輸入與輸出接口 （I/O：

輸入端口：

X0：正傳啟動(dòng)按鈕

X1：反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕

X2：總停止按鈕

X3、X4、X5：行程開(kāi)關(guān)

輸出端口：

Y0：正傳接觸器線圈

Y1：反傳接觸器線圈

C0：計(jì)數(shù)器

T0、T1：時(shí)間繼電器

前面提到該控制過(guò)程的關(guān)鍵是；設(shè)法利用一個(gè)具有記憶功能的編程元件區(qū)分開(kāi)小車第一次還是第二次送料。這里改用計(jì)數(shù)器C0來(lái)完成。把M100常開(kāi)換成C0常開(kāi)，X5作為C0的計(jì)數(shù)脈沖，只有第二次送料時(shí)C0才閉合。仿真結(jié)果完全滿意。梯形圖如圖2。

3.3 兩種仿真方案結(jié)果對(duì)比

兩種仿真方案均運(yùn)行準(zhǔn)確無(wú)誤，達(dá)到預(yù)期控制要求，兩種方案的設(shè)計(jì)思路較易理解并完成設(shè)計(jì)，相比之下第二種方案更優(yōu)一些，它用計(jì)數(shù)器來(lái)分辨第一次還是第二次卸料，因?yàn)樵O(shè)定C0 K2，即到第二次卸料時(shí)C0的觸點(diǎn)才能動(dòng)作，并按預(yù)定設(shè)計(jì)完成控制，在思路上很易理解，接受。

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)邏輯控制一直是自動(dòng)化控制的重點(diǎn)，因此對(duì)它的仿真控制具有相當(dāng)重要的實(shí)際意義。本文通過(guò)對(duì)被控對(duì)象整定方案的優(yōu)化，仿真結(jié)果表明：性能指標(biāo)完全達(dá)到預(yù)期效果，程序高效可靠，性能穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉美俊.電氣控制與PLC工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 許寥.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

第6篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)的矢量控制，實(shí)驗(yàn)研究，仿真

前言：

伴隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，高尖端技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器人工藝水平也在不斷的提高，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，這樣對(duì)于高性能服務(wù)系統(tǒng)的機(jī)器人提出的很高的要求；作為永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的廣泛使用，為了能使其實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高精準(zhǔn)度、大面積的調(diào)動(dòng)使用和定位系統(tǒng)的集成控制，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)作為主要部位，已經(jīng)成為中小型交換系統(tǒng)的重中之重。永磁同步系統(tǒng)的調(diào)控模式是通過(guò)其內(nèi)部電流操控電表參數(shù)，這樣來(lái)控制性能的輸出。同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，另外主要應(yīng)用的仿真系統(tǒng)為了調(diào)試方便，實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，并且更加精確的控制，現(xiàn)通過(guò)Simulink和Power System Block兩種模塊進(jìn)行仿真系統(tǒng)的說(shuō)明，對(duì)仿真情況做詳細(xì)的說(shuō)明研究。

1.永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制

1.1.永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的數(shù)學(xué)建模

永磁同步系統(tǒng)是調(diào)控系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，對(duì)于分析進(jìn)行數(shù)學(xué)建模把控速度調(diào)節(jié)起到至關(guān)重要的作用?？梢栽谙到y(tǒng)中取永磁基體刺激磁場(chǎng)中心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別定為d軸和p軸，將d軸旋轉(zhuǎn)90°至p角，同時(shí)要求它的空間體系坐標(biāo)系要以d軸為參考坐標(biāo)，同時(shí)建立另外一個(gè)參考坐標(biāo)系a，在as之間用r表示角度，這樣通過(guò)理想的數(shù)學(xué)建模項(xiàng)目進(jìn)行情景模擬

1.2.系統(tǒng)電流調(diào)控、逆變器

作為完成控制矢量調(diào)配的主儀器，必須調(diào)整和把控好電流矢量的位相和幅度。為了能夠完成對(duì)于電流的完整控制，需要輔以逆變器的幫助，逆變器對(duì)于系統(tǒng)電流控制有著很大的作用，甚至很多情況下都起到了決定性作用，下面介紹通過(guò)控制電流達(dá)到控制電壓的電壓型逆變器的構(gòu)造；可以將上面的頻率定位到頻率、相位、振幅三個(gè)變動(dòng)方向，然后通過(guò)精確的操作實(shí)現(xiàn)電流控制電壓控制器的基本值。然后通過(guò)各項(xiàng)操作實(shí)現(xiàn)Simulink模型對(duì)逆變器和控制器各種操作。

2.轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)調(diào)頻變速系統(tǒng)

2.1.永磁場(chǎng)同步系統(tǒng)確定矢量控制方向機(jī)制

在各種調(diào)速度的操作中，最為主要的是如何更好的使交流發(fā)電機(jī)瞬間產(chǎn)生高能量的力矩場(chǎng)是一個(gè)技術(shù)難題，因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)的系統(tǒng)中有電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩影響到氣隙次床和定矢量動(dòng)能的相互作用力的傳遞。在無(wú)能量的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)的定位控制模式上，應(yīng)該讓x軸方向的無(wú)力矩產(chǎn)生，而在電流與交軸y軸分量的移動(dòng)中，產(chǎn)生看電磁場(chǎng)，這樣每一個(gè)最小單元電流產(chǎn)生的能量和轉(zhuǎn)動(dòng)能量值最大。而作為電流控制系統(tǒng)原理中所采用的零能量測(cè)量法，因?yàn)楸仨氁b有永磁型高精度材料才可達(dá)到應(yīng)有的效果，所以需要在做實(shí)驗(yàn)的操作人員和指導(dǎo)人員上做到很好的把控；因?yàn)檗D(zhuǎn)子正軸方向上采用位移勘測(cè)器，所以它必須確定好磁極的三維位置，而且要用同步電機(jī)進(jìn)行跟蹤定位，以實(shí)現(xiàn)在磁場(chǎng)中和電流場(chǎng)正方向的90°相交。在其他條件確定的條件下，所能得到的能量最大，所獲得的電磁、電流矢量圖成線性表示。這樣永磁同步系統(tǒng)作為電動(dòng)機(jī)成為了一臺(tái)高效的直流電動(dòng)機(jī)。而交流電路系統(tǒng)制成的電動(dòng)機(jī)需要矢量精確的把控。

2.2.永磁同步電機(jī)矢量調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)反饋系統(tǒng)，有一種系統(tǒng)名為間接反饋系統(tǒng)，學(xué)名前反饋控制系統(tǒng)，這種類型的系統(tǒng)因?yàn)槌梢驈?fù)雜，調(diào)控難度較大，所以成型的方式也是各種各樣；所以作者僅以MATLAB模型作為解釋這種模式。前反饋系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)的工作原理不同，所以調(diào)節(jié)方式也不同，它不需要磁場(chǎng)反饋，需要系統(tǒng)中參數(shù)樞紐所提供的實(shí)時(shí)反饋值進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的疊加程度決定了速度參考值和實(shí)際輸出值；而他們的差值就是速度調(diào)節(jié)輸出值。速度調(diào)節(jié)輸出值是一個(gè)百分比調(diào)節(jié)方式。它輸出的方式實(shí)際上就是轉(zhuǎn)矩值。而在差值上在輸入調(diào)節(jié)后所得到的參數(shù)，利用適當(dāng)?shù)慕涣麟娏鬏斎?，就能得到xyz軸各個(gè)坐標(biāo)系上的變換數(shù)值。在給定的電流輸出參數(shù)上，要進(jìn)行定量跟蹤，得出需要的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩值。

2.3.永磁同步系統(tǒng)中電流反饋矢量的調(diào)節(jié)

直接型的矢量調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了矢量反饋調(diào)節(jié)的方式，學(xué)名反饋矢量控制。這種方式的控制調(diào)節(jié)中也同樣存在這各種各樣的組成模型。僅在數(shù)學(xué)建模上利用其中的一種方式MATLAB仿真模型進(jìn)行說(shuō)明。在這種仿真模型中最為重要的部分是磁場(chǎng)運(yùn)算機(jī)制，采用Simulink中的磁通運(yùn)算器進(jìn)行控制。在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)，得到想要的電壓數(shù)值方程，并且將檢測(cè)到的電流和電壓兩個(gè)輔數(shù)值計(jì)算到電磁參數(shù)中，也可以得到在d、q，還有在坐標(biāo)原點(diǎn)上的參考值，轉(zhuǎn)換為實(shí)際值的跟蹤，從而控制實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

2.4.兩種控制方式中的仿真值

仿真應(yīng)用中需要用到電機(jī)參數(shù)，測(cè)量后可得到電阻值、直軸電流值、交流電感值，并且永磁兩個(gè)磁極和電阻交鏈的值對(duì)極對(duì)數(shù)進(jìn)行影響；將兩個(gè)磁場(chǎng)軸的參數(shù)進(jìn)行定量的、有階段的轉(zhuǎn)換，可得出仿真波形圖，其中：

2.4.1.在核心的坐標(biāo)交換系統(tǒng)中，有兩種類型的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，分別是反饋型和前反饋型兩種方式；這兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)瞬間電流交換的精確控制。都能獲得優(yōu)秀的調(diào)節(jié)功能。

2.4.2.在第一種反饋矢量系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而第二種前反饋系統(tǒng)中則比較簡(jiǎn)單。

2.4.3.兩種反饋矢量控制系統(tǒng)都需要電樞的計(jì)算。而在工作效率不高的情況下很難計(jì)算準(zhǔn)確，所以此系統(tǒng)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)往往結(jié)果不盡如人意。

2.4.4.因?yàn)樵诳刂葡到y(tǒng)中，反饋型矢量控制系統(tǒng)需要測(cè)量電流和電壓值，而且在反饋電路中又存在比較大的磁場(chǎng)干擾。所以在實(shí)際中常常需要通過(guò)增加低通濾波器來(lái)提高能量值，從而提高數(shù)據(jù)的精確性，這樣系統(tǒng)才能更加的高效和精確。

2.4.5.兩種矢量控制系統(tǒng)都很依賴參數(shù)的準(zhǔn)確值。

3.結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的提高，機(jī)器人技術(shù)不斷應(yīng)用在各種領(lǐng)域都可以看見(jiàn)永磁同步電機(jī)在各種關(guān)鍵的制造業(yè)部件的應(yīng)用，而其中的仿真模擬的應(yīng)用最為廣泛，在本文中列舉了兩種常見(jiàn)的矢量控制系統(tǒng)，進(jìn)行了模擬，而在結(jié)論中得出了應(yīng)有的數(shù)值，建立好的仿真模型為今后的實(shí)際應(yīng)用提供了廣泛的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳堅(jiān).交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2011.

[2] 王成元.矢量控制交流伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)[M].北京：機(jī)械工出版社.2012.

第7篇：控制系統(tǒng)仿真范文

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制;Matlab;仿真;性能分析

Abstract：Using Matlab language to model automatic control system and introduce its application in the time domain and frequency domain aspects of the system.Simulation and teaching practice show that the application of Matlab reduce the computational complexity greatly，not only can obtain system performance quickly，improve the teaching methods，but also improve the students'enthusiasm for learning and their abilities to analyse and solve problems，so help students to have a better grasp of the curriculum knowledge.

Key words：automatic control;Matlab;simulation;performance analysis

1.引言

“自動(dòng)控制理論”[1]是高等院校電氣自動(dòng)化和電子信息類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，主要講述了控制系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的分析和校正。目前在電類及非電類的各個(gè)工程技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

該課程內(nèi)容豐富、信息量大、概念比較抽象，理論推導(dǎo)和公式應(yīng)用多，計(jì)算性強(qiáng)，使學(xué)生不好接受，理解起來(lái)有困難。另外，由于系統(tǒng)分析多采用圖解法，課堂講授中，教師需要在黑板上畫(huà)大量曲線，而手工作圖難以保證曲線的準(zhǔn)確性，也無(wú)法體現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性，不利于學(xué)生理解和掌握。

Matlab[2]是一種面向科學(xué)與工程的計(jì)算軟件，它將不同領(lǐng)域的計(jì)算集成為函數(shù)的形式，用戶在使用時(shí)，只需調(diào)用這些函并賦予實(shí)際參數(shù)就能解決實(shí)際問(wèn)題。它使用方便，輸入簡(jiǎn)捷，運(yùn)算高效，已成為應(yīng)用代數(shù)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信等學(xué)科的一個(gè)重要工具。

下面舉例說(shuō)明Matlab在自動(dòng)控制系統(tǒng)建模與仿真中的應(yīng)用。

2.數(shù)學(xué)建模應(yīng)用

對(duì)任何系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，首先要建立其數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型[3]有：傳遞函數(shù)模型、零極點(diǎn)增益模型和狀態(tài)空間模型等。在Matlab中均提供了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的描述。

這里介紹一下其傳遞函數(shù)模型。假設(shè)系統(tǒng)是單入單出系統(tǒng)，其輸入輸出分別用u（t），y（t）來(lái)表示，則線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為：

（1）

在Matlab中，可直接利用多項(xiàng)式的系數(shù)向量表示分子、分母，則（1）式分子num、分母den的多項(xiàng)式系數(shù)向量分別為：

num=[bm，bm-1，……，b0];

den=[1，an-1，……，a0]

這里分子、分母多項(xiàng)式系數(shù)按S的降冪排列。

例1：用Matlab表示傳遞函數(shù)為：

的系統(tǒng)

用Matlab編寫程序如下：

3.仿真及性能分析

3.1 時(shí)域分析應(yīng)用

時(shí)域法[4]是直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和校正的方法，直觀、準(zhǔn)確，可提供系統(tǒng)時(shí)間相應(yīng)的全部信息。實(shí)際系統(tǒng)中有很多都是二階系統(tǒng)，如RLC網(wǎng)絡(luò)，忽略電樞電感后的電動(dòng)機(jī)[5]等，一些高階系統(tǒng)也常等效為二階系統(tǒng)來(lái)研究，因此研究二階系統(tǒng)特性具有重要意義。

例2：設(shè)二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：，為自然頻率，為阻尼比，試分析不同參數(shù)下系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。

（1）假設(shè)固定不變，分別取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、0.707、2時(shí)，繪制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。

程序如下：

圖1 wn=1，不同下的單位階躍響應(yīng)

由圖1所示階躍響應(yīng)曲線知：當(dāng)時(shí)，響應(yīng)為均值為1的等幅振蕩;當(dāng)時(shí)，響應(yīng)呈振蕩衰減特性;當(dāng)時(shí)，響應(yīng)是非振蕩、無(wú)超調(diào)的。即阻尼比越（下轉(zhuǎn)第81頁(yè)）（上接第79頁(yè)）小，超調(diào)量越大，響應(yīng)的振蕩越弱，平穩(wěn)性越好，所以反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，通常取=0.707。

（2）假設(shè)固定不變，即電路工作在欠阻尼狀態(tài)，變化范圍為0.1～1，繪制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。程序如下：

圖2 ，不同下的單位階躍響應(yīng)

從圖2可看出，當(dāng)一定時(shí)，越大，起振越快，調(diào)節(jié)時(shí)間越小，快速性越好，但系統(tǒng)響應(yīng)的平穩(wěn)性越差。

3.2 頻域分析應(yīng)用

頻域法[6]是一種圖解法，它利用系統(tǒng)開(kāi)環(huán)奈氏圖、波特圖來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，其研究系統(tǒng)的依據(jù)是頻率特性。

例3：已知系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

繪制系統(tǒng)的Nyquist曲線并判斷其穩(wěn)定性。

程序如下：

圖3 Nyquist曲線

由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)知開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定極點(diǎn)個(gè)數(shù)P=0，從圖3可看出，奈氏曲線沒(méi)有包圍（-1，j0）點(diǎn)，即開(kāi)環(huán)幅相特性特性曲線在G平面上繞（-1，j0）點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)N=0。根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)，得閉環(huán)不穩(wěn)定極點(diǎn)個(gè)數(shù)Z=P-2N=0，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上，利用Matlab可以很方便快捷地繪制出系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線和頻頻率特性曲線，從而分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。同樣，還可以利用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

實(shí)踐表明，教學(xué)過(guò)程中引入Matlab，豐富了教學(xué)內(nèi)容，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新性思維，教學(xué)效果良好。

參考文獻(xiàn)

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[2]黃忠霖，周向明.控制系統(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]劉偉，戴成梅.Matlab在控制理論時(shí)域分析法教學(xué)中的應(yīng)用[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13（6）：140-143.

[5]曾毅.現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

第8篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞：電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)；32位微控制器；基于橫擺角速度門限值控制；硬件在環(huán)

中圖分類號(hào)：U463.55文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.05.03

Abstract：A controller of electronic stability program（ESP） was designed based on 32-bit Microcontroller MPC5604. A vehicle model with seven degrees of freedom was built and a control strategy based onthe yaw-rate threshold was proposed. By using Matlab/Simulink， off-line simulation using double lane change maneuver was accomplished and analyzed. Based onbench test， the code running time of the 32-bit controller was compared with that of the 16-bit controller. According to the simulation results and the data from the hardware， the control system of ESP can well enhance the vehicle stability in extreme conditions， and using 32-bit Microcontroller can improve system performance and can provide more applications for the more complex control strategies.

Key words：electronic stability program； 32-bit microcontroller； yaw rate threshold control；hardware-in-the-loop

車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）主要在大側(cè)向加速度、大側(cè)偏角的極限工況下工作，對(duì)提高車輛操縱穩(wěn)定性及主動(dòng)安全性有著至關(guān)重要的作用。ESP通過(guò)讀取并處理傳感器收集的信息對(duì)駕駛員意圖、車輛行駛狀況及路面狀況進(jìn)行識(shí)別，從而對(duì)液壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生使車輛穩(wěn)定的橫擺力偶矩[1]。而具有高精度、高可靠性的ECU則是實(shí)現(xiàn)ESP功能的基礎(chǔ)。過(guò)往國(guó)內(nèi)對(duì)ESP控制系統(tǒng)的研究大多基于16位微控制器，而隨著技術(shù)的發(fā)展及要求控制精度的提升，ESP系統(tǒng)的功能日趨復(fù)雜化。目前常用的8位、16位微處理器已經(jīng)難以滿足ESP對(duì)數(shù)據(jù)處理能力及執(zhí)行速度、可靠性等的要求。近年來(lái)，在處理能力、執(zhí)行速度及I/O功能上具有明顯優(yōu)勢(shì)的32位微控制器成本不斷下降，逐漸在汽車車身控制、底盤控制等領(lǐng)域被廣泛使用，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，32位微控制器必將成為汽車行業(yè)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主流。Freescale公司的Qorivva/MPC5xxx系列32位微控制器采用了高性能PowerPC架構(gòu)，為設(shè)計(jì)高質(zhì)量、高可靠性的汽車電控系統(tǒng)提供了可拓展的集成解決方案[2]，在汽車電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

基于上述內(nèi)容，本文選擇了32位微控制器MPC5xxx系列中的MPC5604作為主控芯片，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了ESP的電子控制系統(tǒng)ECU。建立了目標(biāo)車輛的七自由度車輛模型，制定基于橫擺角速度門限值的控制策略，并選擇雙移線仿真工況進(jìn)行離線仿真分析。最后以開(kāi)發(fā)的中央控制單元為核心，結(jié)合ESP液壓調(diào)節(jié)單元，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真，為進(jìn)一步優(yōu)化模型及控制策略提供依據(jù)。

1 ESP系統(tǒng)中央控制單元組成

ECU作為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的核心，具備接收和處理通過(guò)傳感器和CAN總線輸入的信號(hào)并發(fā)出控制信號(hào)的功能。ECU芯片由內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)各模塊功能，電路封裝后通過(guò)定義的接口和子系統(tǒng)進(jìn)行連接。圖1是基于Freescale公司Qorivva/MPC5604的ECU結(jié)構(gòu)圖。ECU需要對(duì)多項(xiàng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，同時(shí)還需保證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，而本文采用的32位微控制器可以滿足運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為ESP系統(tǒng)中央控制單元的設(shè)計(jì)提供了理想的解決方案[3]，其所具有的CAN總線接口也可以實(shí)現(xiàn)與汽車其余行駛輔助系統(tǒng)及動(dòng)力總成的信號(hào)共享以及控制信號(hào)的總線方式傳輸。同時(shí)，隨著汽車電子化的不斷深入，ESP的功能日趨豐富，集成度也越來(lái)越高，目前已有ESP產(chǎn)品集成了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Anti -lock Braking System，ABS）、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)（Electronic Brake Force Distribution，EBD）、

制動(dòng)輔助系統(tǒng)（Brake Assist System，BAS）、電子差速鎖止系統(tǒng)（Electronic Differential Lock，EDL）、

牽引力控制系統(tǒng)（Traction Control System，TCS）、

驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)（Acceleration Slip Regulation，ASR）

等系統(tǒng)[4]，32位微控制器的強(qiáng)大擴(kuò)展性也為后續(xù)的研究及開(kāi)發(fā)更新提供了便利和空間。

通過(guò)Freescale公司專為Qorivva/MPC56xx開(kāi)發(fā)的Codewarrior for MPC56xx編譯軟件，可使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程后通過(guò)JTAG模塊進(jìn)行下載，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行跟蹤[5]。在MPC5604最小應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)ESP系統(tǒng)所需信號(hào)的采集處理以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。對(duì)信號(hào)的采集可分為兩部分：輪速信號(hào)以及其它如車速信號(hào)、橫擺角速度信號(hào)等。其中輪速信號(hào)經(jīng)過(guò)輪速信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)處理后通過(guò)微控制器的輸入捕捉I/O來(lái)采集；而如橫擺角速度、縱向加速度、側(cè)向加速度、方向盤轉(zhuǎn)角及輪缸壓力等信號(hào)通過(guò)外部數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由外部電路進(jìn)行打包處理后通過(guò)CAN總線與ECU共享。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)模塊分別對(duì)12路電磁閥及回流泵實(shí)現(xiàn)控制，其中12路電磁閥的驅(qū)動(dòng)使用3片意法半導(dǎo)體公司的功率開(kāi)關(guān)電路L9349，而回流泵的驅(qū)動(dòng)采用單片Infineon公司的高位開(kāi)關(guān)芯片BTS5090實(shí)現(xiàn)。具體ECU布線及實(shí)物圖如圖2所示。

ECU通過(guò)CAN總線及輸入捕捉I/O接收目標(biāo)信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的行駛狀況，識(shí)別駕駛員意圖，從而根據(jù)控制策略控制12路電磁閥以及回流泵的工作狀態(tài)，分配制動(dòng)輪缸壓力產(chǎn)生差動(dòng)制動(dòng)，保證車輛穩(wěn)定，提高車輛的主動(dòng)安全性。

2 整車系統(tǒng)建模

2.1 七自由度整車模型

汽車行駛狀態(tài)主要由縱向速度、側(cè)向速度和橫擺角速度確定。其中縱向速度和側(cè)向速度共同決定了車輛行駛的質(zhì)心側(cè)偏角，橫擺角速度的積分即可得到汽車的橫擺角，而橫擺角與質(zhì)心側(cè)偏角疊加之和為汽車行駛的航向角。航向角增大，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)減少，反之轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)增大，所以航向角的大小則決定了汽車的穩(wěn)定狀態(tài)。本文建立了七自由度車輛模型（縱向、橫向、橫擺、四車輪滾動(dòng)，如圖3所示），建立該模型包括以下假設(shè)：

（1）假設(shè)車輛處于水平路面，不考慮縱向和橫向坡度。

（2）為簡(jiǎn)化運(yùn)算，忽略空氣阻力對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)的影響。

（3）不考慮車身的側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)。

（4）不考慮懸架引起各車輪載荷的瞬態(tài)變化。

（5）各車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滾動(dòng)半徑及滾動(dòng)阻力系數(shù)相同。

3 穩(wěn)定性控制策略制定

ESP系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同車輪施加不同的制動(dòng)力進(jìn)行差動(dòng)制動(dòng)，從而使車輛產(chǎn)生橫擺力偶矩，輔助駕駛員對(duì)車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行控制。同時(shí)，在極限工況下車輛達(dá)到附著極限而通過(guò)方向盤控制產(chǎn)生的側(cè)向力飽和導(dǎo)致無(wú)法改變車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，差動(dòng)制動(dòng)產(chǎn)生的橫擺力偶矩能夠?qū)謴?fù)車輛穩(wěn)定性起決定性作用。因而，對(duì)于控制策略應(yīng)該是在車輛即將失穩(wěn)時(shí)，通過(guò)ECU對(duì)駕駛員意圖進(jìn)行識(shí)別，控制HCU調(diào)節(jié)制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛姿態(tài)的控制。

由于橫擺角速度可通過(guò)陀螺儀進(jìn)行測(cè)量，本文基于橫擺角速度的控制策略是通過(guò)將汽車實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值Δr對(duì)超出預(yù)設(shè)的橫擺角速度門限值的部分進(jìn)行決策，其中預(yù)設(shè)的門限值為車輛在良好路面上以60 km/h車速行駛時(shí)，實(shí)際橫擺角速度與名義橫擺角速度的差值Δyaw，其差值約為0.08[8]。通過(guò)Δr與前輪轉(zhuǎn)向角δf共同判斷車輛的轉(zhuǎn)向特性，同時(shí)決策實(shí)現(xiàn)制動(dòng)車輪?？紤]到由于車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，各車輪產(chǎn)生的橫擺力臂不同導(dǎo)致產(chǎn)生橫擺力矩的效率不同，本文使用單輪控制的方式來(lái)產(chǎn)生差動(dòng)制動(dòng)力，具體策略見(jiàn)表1。

車輛制動(dòng)壓力超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)使車輪滑移率過(guò)高，從而使車輪附著系數(shù)下降，則車輪的縱向力及側(cè)向力都將有所下降，使可利用的橫擺力偶矩減小。因此，當(dāng)已判斷出所需制動(dòng)的車輪時(shí)，控制策略會(huì)依據(jù)該輪滑移率控制HCU以調(diào)整制動(dòng)輪缸壓力。下面以右前輪制動(dòng)工況為例，控制策略見(jiàn)表2。

4 硬件在環(huán)臺(tái)架搭建及仿真結(jié)果分析

4.1 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)搭建

本文建立了基于XPC Target開(kāi)發(fā)平臺(tái)的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)。應(yīng)用Matlab/Simulink軟件編寫的整車動(dòng)力學(xué)模型以及控制算法，通過(guò)RTW生成實(shí)時(shí)代碼，從而實(shí)現(xiàn)離線仿真與硬件在環(huán)仿真的結(jié)合，同時(shí)通過(guò)CAN把硬件反饋的工作信息反饋至用Labview編寫的子界面中，可以便于比對(duì)及分析離線仿真與硬件在環(huán)的結(jié)果。本文中硬件在環(huán)系統(tǒng)包括以下部分：XPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、ECU、供電電源、液壓控制單元。系統(tǒng)連接及實(shí)物如圖4和圖5所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

選擇ISO3888-1雙移線試驗(yàn)工況作為仿真工況，車速為33 m/s，路面選用附著系數(shù)為0.9的B級(jí)路面，并參考使用最優(yōu)曲率駕駛員模型[8]，控制整車轉(zhuǎn)向輸入，形成人-車閉環(huán)系統(tǒng)以觀測(cè)整車模型以及控制策略對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響。將有ESP控制與無(wú)ESP控制的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，圖例中以紅線表示無(wú)ESP控制的結(jié)果，黑線表示有ESP控制的結(jié)果，仿真結(jié)果如圖6～9所示。

分析圖6的汽車行駛軌跡可以看出，在有ESP控制的情況下，汽車基本能跟隨預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，且基本能不觸碰試驗(yàn)場(chǎng)地中的路障。而在無(wú)ESP控制的情況下，汽車出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，從其行駛軌跡可以看出汽車不僅會(huì)沖撞路障，甚至在行駛后期失去方向穩(wěn)定。

分析圖7和圖8可以看出，在有ESP控制的條件下，駕駛員對(duì)方向盤操控的動(dòng)作幅度更小，曲線變化更為平緩，證明駕駛員能夠更加從容地操縱方向盤；而在無(wú)ESP控制的情況下，駕駛員對(duì)方向盤的輸入幅度更大，且在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)存在尖峰，證明在實(shí)際操作中已超出駕駛員的操縱能力。從質(zhì)心側(cè)偏角的角度來(lái)評(píng)價(jià)車輛方向穩(wěn)定性可以看出，在有ESP的情況下，質(zhì)心側(cè)偏角能更好地響應(yīng)方向盤輸入，而在無(wú)ESP的情況下，由于行駛進(jìn)入了非線性區(qū)域，汽車無(wú)法較好地根據(jù)方向盤輸入對(duì)預(yù)定軌跡進(jìn)行跟隨，容易失去方向穩(wěn)定性。

圖9為汽車的橫向載荷轉(zhuǎn)移率，定義為左右兩側(cè)車輪載荷之差與兩側(cè)車輪載荷之和的比值。在靜態(tài)過(guò)程中，若比值為0，則車輛正沿直線行駛，并無(wú)發(fā)生載荷轉(zhuǎn)移，隨著載荷轉(zhuǎn)移增加，橫向載荷轉(zhuǎn)移率絕對(duì)值也隨之增加；若比值為1，則意味著有一側(cè)車輪離地，易發(fā)生側(cè)翻。而在汽車行駛過(guò)程中，一般認(rèn)為0.85～0.9為側(cè)翻臨界值[10]。從圖9中可以看出，在有ESP控制情況下，橫向載荷轉(zhuǎn)移率絕對(duì)值基本保持在0.6以內(nèi)，而在無(wú)ESP的情況下則達(dá)到了警戒值0.9，出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。

綜合以上分析可以看出，在極限工況下，通過(guò)ESP控制策略能夠有效提高汽車的軌跡跟隨能力及穩(wěn)定性。

通過(guò)搭建的硬件在環(huán)平臺(tái)，對(duì)所開(kāi)發(fā)ESC系統(tǒng)各項(xiàng)功能的所用時(shí)間情況進(jìn)行了測(cè)試，得到表3。

與基于微控制器MC9S12XDP512制作的16位ECU測(cè)試結(jié)果相比，多任務(wù)啟動(dòng)過(guò)程用時(shí)從7 ms縮短為3.2 ms[7]，且32位控制器的作動(dòng)器控制用時(shí)與16位控制器的控制用時(shí)相比也明顯縮短，可見(jiàn)使用32位微控制器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)整體性能較使用16位控制器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有顯著的提升。

5 結(jié)論

綜上所述，本文通過(guò)建立七自由度車輛模型，應(yīng)用橫擺角速度控制策略在雙移線仿真工況下進(jìn)行了仿真分析，并且在具備離線仿真的基礎(chǔ)上，基于32位微控制器MPC5604開(kāi)發(fā)了ESP的控制單元，結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)了從離線仿真到硬件在環(huán)仿真的過(guò)渡。仿真結(jié)果表明所制定的控制策略能夠在一定程度上提升車輛的駕駛穩(wěn)定性，并且由于控制策略邏輯并不復(fù)雜，只需要硬件響應(yīng)足夠迅速即可做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)從而具備一定的可適用性，但本文存在以下不足以及日后可待拓展的地方。

（1）控制策略可以考慮質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)基于橫擺角速度及基于質(zhì)心側(cè)偏角的控制策略各自的權(quán)重使行駛穩(wěn)定性得到更好的提升，而在這方面，32位微控制器的強(qiáng)大處理能力也為控制策略精細(xì)化提供了擴(kuò)展的空間。

（2）本文選擇的試驗(yàn)工況只有雙移線工況，且路面附著系數(shù)只選擇了高附著的條件，可結(jié)合路面識(shí)別算法在不同的路面狀況，不同車速以及多種試驗(yàn)工況條件下對(duì)控制策略進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)可考慮結(jié)合相平面分析來(lái)評(píng)估控制策略的有效性及魯棒性。

（3）本文硬件在環(huán)平臺(tái)暫時(shí)沒(méi)有加入制動(dòng)盤及制動(dòng)主缸等部件，故無(wú)法對(duì)制動(dòng)過(guò)程中液壓調(diào)整的效果進(jìn)行驗(yàn)證，后期應(yīng)將制動(dòng)系統(tǒng)部件加入到臺(tái)架中。

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第9篇：控制系統(tǒng)仿真范文

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)仿真;個(gè)體差異;自主學(xué)習(xí);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）46-0092-02

一、引言

《控制系統(tǒng)仿真》是一門講授數(shù)字仿真的基本原理、算法和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的課程，目的是指導(dǎo)學(xué)生掌握解決控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合解決問(wèn)題的能力。為了使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)盡快掌握所學(xué)知識(shí)，提高控制系統(tǒng)理論分析與實(shí)踐仿真兩個(gè)方面的能力，我院《控制系統(tǒng)仿真》課題組老師在長(zhǎng)期理論教學(xué)和實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)課程的內(nèi)容設(shè)置與教學(xué)方式進(jìn)行了一些探索研究與實(shí)踐。

二、《控制系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前《控制系統(tǒng)仿真》教學(xué)中主要存在的問(wèn)題：作為綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，在理論上用的課時(shí)太多，實(shí)踐課時(shí)較少，很難培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用和解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置單一，并且多為驗(yàn)證性的內(nèi)容，沒(méi)有考慮不同層次學(xué)生的不同訓(xùn)練需求，無(wú)益于綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有充分結(jié)合建筑類院校自動(dòng)化特色專業(yè)的辦學(xué)特色和學(xué)生的實(shí)際需要，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也缺乏針對(duì)性。授課形式單一，沒(méi)有健全的考核和激勵(lì)機(jī)制，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確，學(xué)習(xí)積極性不高。為此，我們從教材的選用、教學(xué)課時(shí)設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方法的應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)以及考核辦法的規(guī)定等方面對(duì)該課程進(jìn)行了全面的改革，并逐步應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，取得了明顯的效果。

三、授課形式的改革

1.授課計(jì)劃的調(diào)整。重新制定了教學(xué)大綱和授課計(jì)劃。將理論授課定為8學(xué)時(shí)，重點(diǎn)講授基本概念和理論方法;上機(jī)實(shí)驗(yàn)為24學(xué)時(shí)，結(jié)合前期相關(guān)課程的授課情況，采用分層次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。

2.編寫全新教材。針對(duì)學(xué)院院先期開(kāi)設(shè)的課程《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《集散控制系統(tǒng)》等課程的授課情況，編寫了新的《基于MATLAB控制系統(tǒng)仿真及其應(yīng)用》教材，該書(shū)在結(jié)構(gòu)上采用了系統(tǒng)仿真理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方式，反應(yīng)現(xiàn)代仿真技術(shù)的最新發(fā)展，注重理論聯(lián)系實(shí)際，密切結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，特別是面向建筑行業(yè)的工程實(shí)例比較多，出發(fā)點(diǎn)在于建筑領(lǐng)域內(nèi)的自動(dòng)化仿真需求越來(lái)越多，與本專業(yè)的特色相呼應(yīng)。

3.完善教學(xué)資源。通過(guò)開(kāi)設(shè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂，增加和學(xué)生的互動(dòng)和交流。學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載課件、實(shí)驗(yàn)選題、習(xí)題練習(xí)和答疑。并展示相關(guān)科研成果和科研課題，鼓勵(lì)學(xué)生參加課題實(shí)踐，做到學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

四、基于“個(gè)體差異的自主學(xué)習(xí)”教學(xué)模式改革

實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的大幅增加主要是考慮到《控制系統(tǒng)仿真》課程的實(shí)踐性和綜合性，增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)間和創(chuàng)新空間。然而，不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)（即存在差異）的學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容需求也不相同，老師應(yīng)該正視這種差異，使得部分程度較好的學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上選擇創(chuàng)新性和拓展性的項(xiàng)目，充分發(fā)揮他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，而部分基礎(chǔ)較弱的學(xué)生老師應(yīng)該積極地加以引導(dǎo)，使他們能自覺(jué)地確定該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)、選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使不同程度的學(xué)生發(fā)揮最大潛能，更加突出學(xué)生的主體地位。

1.提供多元的學(xué)習(xí)方式。除了課堂授課、上機(jī)實(shí)驗(yàn)外，針對(duì)所學(xué)知識(shí)，老師在網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂上傳一些實(shí)際項(xiàng)目的案例、制作過(guò)程，并對(duì)老師的一些研究課題讓大家參與、思考和討論。使學(xué)生可以通過(guò)多渠道多種途徑獲得自己所需要的信息，達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.利用合作學(xué)習(xí)將差異資源化。采用實(shí)驗(yàn)分組制（自選組和指定組），指定組必須要完成老師給定的任務(wù)，自選組中可以根據(jù)自己的興趣、學(xué)習(xí)程度和其他不同認(rèn)知風(fēng)格的學(xué)生組成實(shí)驗(yàn)組合，通過(guò)合作學(xué)習(xí)將學(xué)生差異轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)資源，以便實(shí)現(xiàn)學(xué)生間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3.合理調(diào)控，適時(shí)指導(dǎo)。在加強(qiáng)不同認(rèn)知風(fēng)格學(xué)生之間交流的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生間矛盾的產(chǎn)生，或者出現(xiàn)一個(gè)組中有的學(xué)生完全依賴他人的情況。這時(shí)，教師必須深入到各學(xué)習(xí)小組中去，對(duì)各組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察、適當(dāng)介入，了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和所遇到的問(wèn)題，并給予及時(shí)、具體的指導(dǎo)。

五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和考核方式的改革

實(shí)踐環(huán)節(jié)中將“基于個(gè)體差異的自主學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式引入到實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，內(nèi)容分層次、分主題進(jìn)行，既有理論驗(yàn)證性、擴(kuò)展性、綜合性內(nèi)容，又有與實(shí)際控制應(yīng)用相結(jié)合的開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際情況在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇適合自己能力的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)場(chǎng)展示和回答老師問(wèn)題方式，進(jìn)行計(jì)分、考核。這一舉措使原來(lái)不肯動(dòng)手、動(dòng)腦的學(xué)生也必須選擇自己力所能及的內(nèi)容積極完成實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮了學(xué)生的能動(dòng)性，讓學(xué)生不斷積累自主學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主程度。

1.《控制系統(tǒng)仿真》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

2.考核要求?？己擞蓛刹糠纸M成：理論和實(shí)驗(yàn)考核。理論部分要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的連續(xù)控制系統(tǒng)，并給出仿真結(jié)果;實(shí)驗(yàn)分為必做實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)）和選做實(shí)驗(yàn)（綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)）。必做實(shí)驗(yàn)為一人一組，選做實(shí)驗(yàn)為2～3人一組。根據(jù)必做實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量和選做實(shí)驗(yàn)的難度，現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)和驗(yàn)證的方式給定成績(jī)。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用新編的教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，并將基于“個(gè)體差異的自主學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式引入《控制系統(tǒng)仿真》課程，經(jīng)過(guò)兩屆學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生普遍感覺(jué)教學(xué)方式新穎，實(shí)驗(yàn)壓力變大，對(duì)課程的重視程度加大，在課堂上與老師有很好的交流，課下能獲得知識(shí)拓展和實(shí)踐的機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了與老師之間的互動(dòng)，收到了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉軍，王桂蓮.關(guān)注學(xué)生個(gè)體差異 促進(jìn)學(xué)生整體發(fā)展[J].教育藝術(shù)，2011，（7）：12-13.