控制系統仿真精選(九篇)

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第1篇：控制系統仿真范文

關鍵詞：船舶運動；PID控制；轉向模型

中D分類號：U665 文獻標識碼：A 文章編號：1006―7973（2017）04-0042-02

1 課題研究的背景及意義

船舶航向控制系統的可靠性及性能特點直接關系著航行的安全性和經濟性。從20世紀20年代PID控制應用于船舶航向控制以來，經過實踐的不斷積累和無數高科技人才的不斷探索與完善，其已經成為船舶航向控制領域最基本、最經典的方法。

船舶航向控制系統是一個非線性的、外界環境干擾復雜的系統，從理論上很難用一個精確的數學模型來對其進行描述。在一些特殊的場合、航道復雜或者進行避碰操作的時候甚至需要極富經驗的舵手進行人工操作。而較為精確的PID控制經過多年的摸索和完善可以極大程度的從經濟、環保等方面滿足現代船舶航行控制的要求。

2 船舶轉向模型推導

在確定船舶模型的時候采用野本模型的原因主要是因為參數容易換算出深和航速的關系，但是由于二階模型在轉化為狀態空間模型時不便于加上非線性力以及風浪的干擾，于是我們采用野本的三階模型：

3 船舶PID運動控制仿真

在進行整個系統的程序流程圖搭建之前，我們先要確定系統的原理。在整個系統中輸入量r（t）采用的是給定的階躍信號，而中間的比例、積分、微分環節，我們采取的是Matlab自帶的PID控制器。而圖中的過程對象，在本次設計的實例之中采用的是在前文中已經經過計算得出的船舶模型傳遞函數，其輸出值則和給定一起連接在一個示波器上，通過對示波器的觀察就可以得到整個系統的控制效果。

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

對于整個PID的控制系統最為關鍵的是對PID控制器內部三個參數的設定。而對于參數的設定是有一定技巧和規則的。

PID的參數是更具被控制的對象的慣量來確定的。當被控制的量為大慣量時，一般P可以再10以上，I為3-10之間，D為1左右。而當被控制的對象為小慣量時，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。這些參數的具體指責需要在現場進行調試時才能修正到較好的數值從而得到最佳的控制效果。

而參數的具體操作過程可以有以下幾種具體的操作流程。我們可以先讓調節器的參數積分系數為0，同時實際的微分系數為0，控制系統投入閉環的運行，由小到大改變比例系數I，讓擾動的信號作階躍的變化，即給定值為階躍信號。再觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。再取比例系數為當前的數值乘以0.8左右，由小到大增加積分系數，同樣讓擾動的信號作階躍的辯護啊，直至求得滿意的控制過程。積分系數保持不變，改變比例系數，觀察控制過程中控制的效果有無改善，如果有改善則繼續按照原有的節奏調整，直到調試的結果滿意為止。否則，將原比例系數增大一些，再行調整積分系數，力求改善控制過程。如此反復的嘗試多次，直到找到令人滿意的比例系數和積分系數為止。引入適當的實際微分系數和實際微分時間，此時可以適當的增大比例系數和積分系數。和前述的各個步驟相同，微分時間的整定也是需要反復調整的，知道控制過程滿意為止。在參數的調整過程中仿真系統所采用的PID調節器與傳統的工業PID調節是有所不同的，各個參數之間相互隔離，互不影響，因而用其觀察調節規律十分方便。

在進行參數的調節是可以使用一種更加簡潔的方法，即把積分值調節的非常大，比較在幾千以上，使得積分基本不起什么作用，而把微分值設定為0。調節比例參數，使得出現的超調量比較小，如果沒有超調量，則適當的加大比例參數。再慢慢的減少積分值，使得系統靜差能比較快的減小，并且不會出現周期性震蕩，如果出現周期性的震蕩，則增大積分值。使用比例參數自適應功能有增加系統的快速響應及減少系統震蕩。微分值約為積分值的0.1-0.2之間，如果系統擾動比較大則應該吧微分的參數設定的小一些。

按照以上所述的PID參數調節的方法，經過多次的嘗試之后可以確定此次設計仿真所設定的PID控制器的內部參數比例參數為0.13，積分系數為0，微分系數為13.3。完成PID控制器的參數設計后即完成了整個程序流程圖的搭建。

完成程序流程圖的搭建之后，把仿真的時間設定在1000s，點擊運行按鈕后觀察到示波器上給定值和控制值的對比。

4 結語

由仿真結果我們可以看到，在具有代表性的傳統控制方法，即PID的方法控制之下，整個系統再通過一個較長時間的調整之后也可以達到平衡的狀態。但是這個調整的時間過于的漫長，可得為700s左右，即整個系統的響應時間過長。為了減小系統的響應時間，我們可以對PID調節器的比例參數進行調節，但是事實證明，在調節比例參數的過程中又會造成系統的超調量過大，系統很難再第一時間達到穩定的狀態。同時在對PID控制器內部的三個參數的設定也是一個極為復雜且繁瑣的過程，在整個調試的過程中要通過多次的嘗試。其只有一個傳統的經驗性的確定方法，無法得到一個合理的數學化的公式以便于用戶的設計。這些都是傳統的控制方法在船舶航向控制方面所有的天然的劣勢。

所以我們在接下來的工作中希望能夠更多地采集實船動態數據，進一步完善計算模型和參數，以期希望得到更加良好的控制效果和更加簡單的控制、調試方法。

參考文獻：

[1] 鄭阿奇.Matlab實用教程.北京：電子工業出版社，2009.

[2] 張顯庫.船舶控制系統.大連：大連海事大學出版社，2010.

[3] 黎明森 涂光瑩.船舶控制系統工程.大連：大連海運學院出版社，1992.

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

第2篇：控制系統仿真范文

關鍵詞: 《控制系統仿真》 課程內容體系與教學方式改革 實踐教學環節改革

1.引言

仿真技術已經是當下工程師們必須掌握的基本技能之一。《控制系統仿真》是一門講授仿真的基本原理、算法和計算機實現的課程,是工業電氣自動化、自動控制、過程控制和機電工程等專業課程體系中一門重要的專業課,是溝通現實與理論必不可少的橋梁。該課程作為一門聯系自動控制理論/系統/設計、課程設計和畢業設計等教學環節的仿真基礎類課程,以《計算機基礎》、《Matlab語言及應用》、《自動控制原理》等課程為前期先修課程,也作為同期或后續課程如《電力拖動與自控系統》、《運動控制系統》、《計算機控制技術》、《現代控制理論》的工具課程,其目的是指導學生掌握解決控制系統分析與設計的一種有效的計算機輔助設計手段,提高學生的實踐能力和綜合解決問題的能力[1]、[2]。為了在有限的學時內使學生盡快掌握該知識,并且在理論分析與實踐仿真兩個方面的能力都有所提高。我們對其課程內容體系與教學方式進行了一些探索研究與實踐。

2.課程內容體系與教學方式改革

該課程的具體內容包括仿真的基本方法與原理,建模,數值計算,優化問題求解方法,Matlab與Simulink基礎。在該課程的授課過程中對原理性的內容逐步進行分析講解,并且利用仿真工具演示加深學生對知識的理解。

2.1課程重點內容歸納

授課時的重點內容歸結如下:該課程開設的必要性、意義,以及其基本概念控制系統建模的基本方式方法數值計算方法及仿真計算Matlab基本使用技術及程序設計和Simulink基礎控制系統設計仿真及其優化工程舉例等。該課程實際安排課時為32課時,其中理論知識的講授課時安排為24學時,上機實踐課時安排為8學時。圍繞該重點內容通過對相關知識的講解與實踐,使學生初步具備建模、設計、仿真這一過程。

2.2理論知識授課部分的改革

理論知識講授的部分主要講解該課程的背景、應用及其發展趨勢,控制系統的實驗方法,控制系統建模的基本方法及其實例,常微分方程和差分方程基本的數值積分求解方法,Matlab與Simulink基礎及其作為工具在控制系統仿真過程中的使用和控制系統仿真的具體實現。

該部分知識主要使學生對控制系統仿真這門課程有一定的感性認識,配合實踐課時使其能夠對控制系統的建模、設計、仿真這一系列過程有一定的理性認識。該部分知識主要以仿真方法及其如何使用仿真工具來實現為重點難點進行詳細講解。

其中,仿真工具部分的課時安排占了一定的比重,為實踐教學環節作了必要的鋪墊[3]。主要是講述Matlab的基本運行環境,及其Simulink模塊的基本操作,使學生具備實現控制系統仿真的能力。該部分教學內容安排如下:Matlab的基本操作與使用、矩陣運算與操作、二維三維圖形繪制、控制工具箱等;基于Matlab的各種模型的實現、轉換、串并聯及反饋的構建;利用Matlab編程方式實現多項式的處理,便于控制系統模型的建立和描述,實現基于數值積分方法的微分方程求解仿真,實現數據分析等功能;還有實現基于離散相似法的仿真,以及實現基于Simulink的控制系統的模型的構造,數值仿真和系統分析,等等。

通過對該課程內容的歸納,圍繞重點難點知識合理安排各部分的授課課時,理論聯系實際,列舉實際案例幫助學生更好地理解理論知識和掌握仿真工具的使用。

2.3教學方式改革

該課程的內容既涉及仿真算法等一些理論知識,又涉及仿真工具,知識面較廣。

為了能夠得到較好的教學效果,在教學方式方面該課程授課采用了多媒體的方式,加強互動環節,一面講授理論知識,一面使用仿真工具演示,并且說明理論知識的使用方法和適用場合,將理論和實際相結合,將實際案例融入到課堂教學當中。并且詳細介紹仿真的工具的使用,一步步演示,使每個學生都能夠在課堂上對仿真工具的使用有一個初步的認識。

作業的形式都以實驗報告的形式給出,讓每個學生都能通過實踐教學過程鞏固自己所學的知識,驗證自己的算法。

考試的形式以上機操作結合理論知識考試得出,既加深了學生對理論知識的理解和掌握,又加強了學生的動手能力。

3.實踐教學環節改革

該課程的實踐教學環節安排的課時數為8學時,根據教學過程中發現的問題,可以靈活地進行調整。認識類的實踐課時為2個或者4個,如:Simulink工具箱的使用及操作、PID工具箱的應用;驗證及工程仿真類的實踐課時為4個或者6個。如:基于二容水箱系統的算法驗證、平面倒立擺的建模與仿真,直流電機雙閉環調速系統的參數仿真優化,等等。

4.結語

我們對教學內容及其方式的改革,使學生在課堂上與老師有很好的交流,增強了互動,通過案例演示激發了學生的興趣,加深了學生對授課內容的理解。大多數學生都能夠獨立自主的完成實驗和大作業。實驗和作業的范圍涉及運動控制和過程控制等自動化專業相關的課程,收到了良好的教學效果。

參考文獻:

[1]張曉華.控制系統數字仿真與CAD[M].北京:機械工業出版社,2005.

第3篇：控制系統仿真范文

摘 要：闡述異步電機的矢量控制原理，對三相異步交流電機矢量控制系統控制過程進行MATLAB仿真，根據交流電機坐標變換及矢量控制理論提出異步電機在任意同步旋轉坐標系下仿真結構圖的建模思想，提出一種按“角速度-定子電流-轉子磁通”為狀態變量在動態坐標系下的動態結構圖。利用該結構圖可以方便的構成電機的仿真模型，進行仿真計算。仿真結果符合電機實際運行特性，證實采用該系統對三相異步電機進行控制，具有轉矩波動小，轉速響應快，超調量小等特點，運行性能良好,為實際系統的設計提供理論依據。

關鍵詞：矢量控制；MATLAB；異步電機；仿真

中圖分類號： TM346 文獻標識碼：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 言隨著生產能力與要求的不斷提高，直流電機調速系統的局限性也越來越明顯。高性能交流調速技術蓬勃發展，逐步取代直流調速系統已是不爭的事實。異步電機具有結構簡單、制造容易、維修工作量小等優點，然而普通調速異步電動機的調速性能難以滿足現代精確場合的要求。近年來，將矢量控制理論應用到交流電機的調速控制中，可使交流系統的調速性能完全和直流系統相媲美［1］。于是，二者的優點達到了更高水平的技術融合。MATLAB擁有強大的數值分析功能，其在控制系統仿真上的運用具有極大的參考價值。其Simulink工具極大的提高了系統的仿真速度。本文通過建立仿真模型，分析研究其運行數據，并擬合了其精度曲線。

2 三相交流異步電機矢量控制理論

異步電動機的動態數學模型由磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和運動方程組成。磁鏈方程和轉矩方程為代數方程，電壓方程和運動方程為微分方程。這是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統［2］。

21 基本方程的建立

異步電動機每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和。

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、轉子相電流的瞬時值；

LAA=LBB=LCC=Lms+Lls表示定子各相自感；

Laa=Lbb=Lcc=Lms+Llr 表示轉子各相自感；

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 坐標變換理論基礎

根據不同坐標系中電動機模型等效的原則，在不同坐標下繞組所產生的合成磁動勢相等。在交流電動機三相對稱的靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速（即電流的角頻率）順著ABC的相序旋轉。三相變量中只有兩相為獨立變量，完全可以也應該消去一相。所以，三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效代替，兩套繞組磁動勢在αβ軸上的投影應相等。

按照變換前后總功率不變產生的合成磁動勢相等，匝數比為N3N2=23，3/2變換矩陣為：

C3/2=231－12－12032－32 （4）

兩相正交坐標系變換到三相坐標系：

C2/3=2310－1232－12－32（5）

考慮到：iA+iB+iC=0，有：

iαiβ=320122iAiB （6）

旋轉正交變換為：

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

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

因此也有：旋轉正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換陣為：

C2r/2s=cos φ－sin φsin φcos φ （9）23 狀態方程及動態建模

2.3.1 狀態方程的建立

旋轉變換是用旋轉的繞組代替原來靜止的定子繞組，并使等效的轉子繞組與等效的定子繞組重合，且保持嚴格同步，等效后定、轉子繞組間不存在相對運動。旋轉正交坐標系中的磁鏈方程和轉矩方程與靜止兩相正交坐標系中相同，僅下標發生變化［3-4］。

以ω－is－ψr為狀態變量，dq坐標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）

籠型轉子內部是短路，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）

子電磁時間常數為：

Tr=LrRr（15）

2.3.2 動態建模

當ω1=0時，有：

3 模型仿真

31 子系統的建立

32 參數設置（異步電動機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 運行仿真

由UA,UB,UC到Uα,Uβ波形的變換（圖4）：

空載仿真運行情況（圖5、圖6）

4 仿真數據的分析與結論

41 理論計算：

額定轉速nN=1400r/min，額定頻率fN=50Hz，則電動機極對數np=2，額定轉速w=np•wn=293.2rad/s。設三相正弦對稱電流：

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)

轉子電磁時間常數Tr=LrRr=0.28982.658=0.109s。

電動機穩定在額定工作狀態時，

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 仿真對比分析

向電機施加U=380V，f=50Hz的三相額定電壓，電機空載起動，穩定后根據仿真圖讀出起動過程中的轉矩、轉速波形如圖7所示。電機的穩態轉速值為w=314rad/s，轉矩Te=0.04752N•m。也就是說，沒有外加負載引起電磁轉矩脈動。在t=1s時加負載TL=10.0N•m，可以得到電機調整的參數為：n=304r/min與實際值偏差不大，而Te=10.03N•m，并維持在此穩定水平。同時空載電流由最初的低值穩定向負載時的穩定狀態切換。從坐標變換出發，用MATLAB環境下的Simulink軟件構造了異步電機的動態數學模型，以實際電機為例，對其進行了仿真研究，驗證了該仿真模型的正確性。仿真模型結構簡單，易仿真，動態性能和跟隨性能好，精度高。可以在實際工程設計中應用。

參考文獻

［1］ 馬小亮.大功率交交變頻調速及矢量控制技術［M］.北京:機械工業出版社,1999．

［2］ 胡崇岳.現代交流調速技術［M］.北京:機械出版社.2000

［3］ 孟慶春,楊建忠.基于Simulink仿真工具動機仿真模型研究［J］.基礎自動化,2002.(1)：7-10.

［4］ 楊貴杰,孫力等.空間矢量脈寬調制方法的研究［J］.中國電機工程學報.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：控制系統仿真范文

關鍵詞：金剛石壓機 數學建模 模糊PID控制 MATLAB仿真

中圖分類號：TP237.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）02-00012-02

目前，我國主要采用六面頂壓機在超高溫高壓的條件下合成金剛石單晶及其復合片、開發新材料[1]。六面頂壓機壓力控制的穩定性是決定生產效果的重要因素，傳統的壓機控制系統采用PID 控制器缺乏適應性，對人造金剛石壓機這類壓力時變系統的控制效果很差，控制精度不高。本文分析了金剛石壓機壓力控制系統的構成和特點，建立了壓力控制系統的數學模型和仿真模型，采用模糊PID的控制方式，從仿真結果來看達到了超調量小，精度高，自適應性好的控制效果。

1 壓力控制系統的建模

1.1 軸向柱塞泵的數學模型

根據金剛石壓機壓力控制系統的構成建立系統模型如圖1所示，主要由軸向柱塞泵、增壓器和工作油缸以及相關的油路管道組成[2]，如圖1：

依據軸向柱塞泵的工作原理[3-4]，設柱塞直徑為d，柱塞數為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。QL為輸出流量，超高壓時輸出量較小，近似為零。結合（1）、（2）兩式，則軸向柱塞泵的傳遞函數為：

（3）

1.2 增壓器的數學模型

（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為工作油缸的內泄系數，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，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，所以聯立（4）～（6）式，化簡為：

（7）

結合（3）和（7）兩式，得：

（8）

（8）式即為壓力系統的數學模型，帶入系統相關數據，整理得：

（9）

2 控制系統的設計與仿真

2.1 模糊PID控制系統的設計

模糊控制具有控制速度快、過程參數的變化適應性強、可靠性高、魯棒性靈敏度高、無需精確建模等特點。但模糊控制由于是按檔處理，是一種非線性控制，存在著靜態余差，而傳統PID控制卻能使控制消除穩態誤差[5]。結合兩者優點，本文采用一種以模糊PID調節器作為控制核心的壓力控制系統，使系統即具有PID調節器的動態跟蹤品質和穩態精度，又具有模糊控制器的自適應特性，以改善金剛石壓機壓力控制系統的動態與靜態特性。

本模糊控制器設計為二維模糊控制器，以壓力值偏差e和偏差變化率為模糊控制器的內部輸入變量，以ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出變量。其結構圖如圖2所示。

系統所有輸入輸出量在整個論域上被分成七個模糊子集，即{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。模糊控制規則主要是通過總結專家知識和生產實踐中的經驗獲得，進而建立總體控制規則方案。根據具體PID參數對系統的影響和實際調試經驗，結合Kp、Ki、Kd自整定原則，制定出ΔKp、ΔKi、ΔKd在工作過程中語言控制規則表，ΔKp模糊語言控制表如下表1所示。

經過模糊推理后的結論是模糊集合中的模糊值，還需要通過去模糊化得到精確值，進而控制目標對象。本系統去模糊化采用重心法去模糊。

2.2 模糊PID控制系統的仿真

運用Matlab軟件的simulink工具進行仿真分析，建立壓機壓力控制系統的仿真模型如下圖3，其中模糊控制子系統為Fuzzy controller。

由常規PID整定得到的Kp0、Ki0、Kd0參數設為模糊PID的的初始值，分別為Kp0=1，Ki0=10，Kd0=0.01。為了驗證自動控制的動靜態性能，通過利用單位階躍信號跟蹤控制響應效果，系統常規PID和模糊PID階躍響應對比如下圖4所示。

由上圖可知，在輸入單位階躍信號作用下常規PID響應超調量大，響應時間較慢，對于壓力控制這類純滯后時變系統，控制效果不夠理想，而模糊PID控制不僅響應時間較短，超調量小，震蕩幅度小，而且穩態性能也優于常規PID。

3 結語

本文首先對研究對象六面頂壓機控制系統的數學模型進行了研究，建立了控制系統的數學模型和仿真模型，設計了一種模糊PID 控制算法，并用MATLAB軟件進行了仿真。通過仿真表明： 采用模糊PID 控制方案有效解決了人造金剛石壓機壓力控制過程中精度低，超調大，嚴重滯后等問題，提高了系統的抗干擾能力，適應性能強，獲得了比較好的壓力控制效果，對提高人造金剛石產品的質量有較大的作用。

參考文獻

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

第5篇：控制系統仿真范文

關鍵詞：可編程控制器 PLC 開關邏輯控制 仿真

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0051-02

機械自動化過程離不開傳統的電機拖動和電氣控制系統，而PLC是一種在電氣控制技術和計算機的基礎上開發出來的智能產品，并逐漸發展成為以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業控制微機。

目前，PLC技術已被廣泛應用于各種生產機械和生產過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及的工業控制裝置。被公認為現代工業控制的三大支柱（PLC，機器人，CAD/CAM）之一。它的應用領域領域已廣泛用于冶金、石油、化工、建材、機械制造電力、汽車、輕工、環保及文化娛樂各行各業，隨著性能價格比不斷提高其應用領域將不斷擴大。

1 課題的提出

PLC技術應用大致分為以下幾個具體方面：

開關量邏輯控制、運動控制、過程控制、數據處理、通信聯網等。其中開關量控制是最基本、最廣泛的應用領域。它用來取代傳統的繼電接觸控制電路，以實現邏輯控制，順序控制。即可用于單臺電動機的控制，也可用于多機聯控及自動化流水線等。如下的仿真課題正是開關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過第一次卸料點后再前進到第二卸料點卸料。

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控制即可，但兩處卸料的關鍵和難題是當第二次卸料經過第一次卸料時的行程開關時，應采用兩種方法，一是設法不讓開關動作，這難于辦到；二是開關動作了，但對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 設計方案

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：時間繼電器

如圖1所示，小車在限位開關X4處裝料，在行程開關X5和X3兩處輪流小在一個工作環中有兩次右行都要碰到行程開關X5，第一次碰到時停下卸料，第二次碰到時則繼續前進，因此，應設置一個具有記憶功能的編程元件用它來是第一次還是第二次碰到X5。圖1中M100就起到該作用。當第一次碰到X5 時，M100接通并自鎖，并在X5兩端，短接了X5，為第二次卸料做好準備。當第二次卸料碰到X3又使M100斷電，并為下一個工作循環做好準備。

仿真過程如下：

仿真通過FX―TRN―BEG―C 來完成。當按下啟動按鈕時開始裝料裝料完畢小車右行到達第一卸料點：

先撞開X5常閉觸點小車停下卸料，卸料畢返回左端。

后撞合X5常開觸點M100得電與X5常閉觸點并聯的M100常開觸頭閉合為第二次送料碰到X5時控制過程做好準備。

當小車第二次送料再次碰到X5時，小車未停下來，因為M100的常開觸點將X5常閉觸點短接因而使小車越過第一次卸料點到達第二卸料點。從而完成一個循環周期

3.2 方案二

PLC輸入與輸出接口 （I/O：

輸入端口：

X0：正傳啟動按鈕

X1：反轉啟動按鈕

X2：總停止按鈕

X3、X4、X5：行程開關

輸出端口：

Y0：正傳接觸器線圈

Y1：反傳接觸器線圈

C0：計數器

T0、T1：時間繼電器

前面提到該控制過程的關鍵是；設法利用一個具有記憶功能的編程元件區分開小車第一次還是第二次送料。這里改用計數器C0來完成。把M100常開換成C0常開，X5作為C0的計數脈沖，只有第二次送料時C0才閉合。仿真結果完全滿意。梯形圖如圖2。

3.3 兩種仿真方案結果對比

兩種仿真方案均運行準確無誤，達到預期控制要求，兩種方案的設計思路較易理解并完成設計，相比之下第二種方案更優一些，它用計數器來分辨第一次還是第二次卸料，因為設定C0 K2，即到第二次卸料時C0的觸點才能動作，并按預定設計完成控制，在思路上很易理解，接受。

4 結語

關于電動機的開關邏輯控制一直是自動化控制的重點，因此對它的仿真控制具有相當重要的實際意義。本文通過對被控對象整定方案的優化，仿真結果表明：性能指標完全達到預期效果，程序高效可靠，性能穩定。

參考文獻

[1] 劉美俊.電氣控制與PLC工程應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 許寥.電氣控制與PLC應用[M].4版.北京：機械工業出版社，2011.

第6篇：控制系統仿真范文

關鍵詞：永磁同步電動機，系統的矢量控制，實驗研究，仿真

前言：

伴隨著現代科技的不斷發展，高尖端技術的不斷成熟，機器人工藝水平也在不斷的提高，機器人的應用領域也在不斷拓寬，這樣對于高性能服務系統的機器人提出的很高的要求；作為永磁同步電機矢量控制系統的廣泛使用，為了能使其實現高強度、高精準度、大面積的調動使用和定位系統的集成控制，永磁同步電機矢量控制系統作為主要部位，已經成為中小型交換系統的重中之重。永磁同步系統的調控模式是通過其內部電流操控電表參數，這樣來控制性能的輸出。同時實現相關的功能，另外主要應用的仿真系統為了調試方便，實現更高的工作效率，并且更加精確的控制，現通過Simulink和Power System Block兩種模塊進行仿真系統的說明，對仿真情況做詳細的說明研究。

1.永磁同步電動機矢量控制

1.1.永磁同步電動機矢量控制的數學建模

永磁同步系統是調控系統的基本環節，對于分析進行數學建模把控速度調節起到至關重要的作用。可以在系統中取永磁基體刺激磁場中心軸線的轉動，分別定為d軸和p軸，將d軸旋轉90°至p角，同時要求它的空間體系坐標系要以d軸為參考坐標，同時建立另外一個參考坐標系a，在as之間用r表示角度，這樣通過理想的數學建模項目進行情景模擬

1.2.系統電流調控、逆變器

作為完成控制矢量調配的主儀器，必須調整和把控好電流矢量的位相和幅度。為了能夠完成對于電流的完整控制，需要輔以逆變器的幫助，逆變器對于系統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，下面介紹通過控制電流達到控制電壓的電壓型逆變器的構造；可以將上面的頻率定位到頻率、相位、振幅三個變動方向，然后通過精確的操作實現電流控制電壓控制器的基本值。然后通過各項操作實現Simulink模型對逆變器和控制器各種操作。

2.轉子永磁場調頻變速系統

2.1.永磁場同步系統確定矢量控制方向機制

在各種調速度的操作中，最為主要的是如何更好的使交流發電機瞬間產生高能量的力矩場是一個技術難題，因為同步電動機的系統中有電磁場轉動力矩影響到氣隙次床和定矢量動能的相互作用力的傳遞。在無能量的情況下轉動磁場的定位控制模式上，應該讓x軸方向的無力矩產生，而在電流與交軸y軸分量的移動中，產生看電磁場，這樣每一個最小單元電流產生的能量和轉動能量值最大。而作為電流控制系統原理中所采用的零能量測量法，因為必須要裝有永磁型高精度材料才可達到應有的效果，所以需要在做實驗的操作人員和指導人員上做到很好的把控；因為轉子正軸方向上采用位移勘測器，所以它必須確定好磁極的三維位置，而且要用同步電機進行跟蹤定位，以實現在磁場中和電流場正方向的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。這樣永磁同步系統作為電動機成為了一臺高效的直流電動機。而交流電路系統制成的電動機需要矢量精確的把控。

2.2.永磁同步電機矢量調節反饋系統

永磁同步電機反饋系統，有一種系統名為間接反饋系統，學名前反饋控制系統，這種類型的系統因為成因復雜，調控難度較大，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。前反饋系統和反饋系統的工作原理不同，所以調節方式也不同，它不需要磁場反饋，需要系統中參數樞紐所提供的實時反饋值進行調節。速度和轉動力矩的疊加程度決定了速度參考值和實際輸出值；而他們的差值就是速度調節輸出值。速度調節輸出值是一個百分比調節方式。它輸出的方式實際上就是轉矩值。而在差值上在輸入調節后所得到的參數，利用適當的交流電流輸入，就能得到xyz軸各個坐標系上的變換數值。在給定的電流輸出參數上，要進行定量跟蹤，得出需要的系統轉矩值。

2.3.永磁同步系統中電流反饋矢量的調節

直接型的矢量調節方式決定了矢量反饋調節的方式，學名反饋矢量控制。這種方式的控制調節中也同樣存在這各種各樣的組成模型。僅在數學建模上利用其中的一種方式MATLAB仿真模型進行說明。在這種仿真模型中最為重要的部分是磁場運算機制，采用Simulink中的磁通運算器進行控制。在永磁同步電機系統中進行x軸和y軸的旋轉，得到想要的電壓數值方程，并且將檢測到的電流和電壓兩個輔數值計算到電磁參數中，也可以得到在d、q，還有在坐標原點上的參考值，轉換為實際值的跟蹤，從而控制實際輸出的轉動力矩。

2.4.兩種控制方式中的仿真值

仿真應用中需要用到電機參數，測量后可得到電阻值、直軸電流值、交流電感值，并且永磁兩個磁極和電阻交鏈的值對極對數進行影響；將兩個磁場軸的參數進行定量的、有階段的轉換，可得出仿真波形圖，其中：

2.4.1.在核心的坐標交換系統中，有兩種類型的核心轉換系統，分別是反饋型和前反饋型兩種方式；這兩種方式都可以實現瞬間電流交換的精確控制。都能獲得優秀的調節功能。

2.4.2.在第一種反饋矢量系統中結構比較復雜，而第二種前反饋系統中則比較簡單。

2.4.3.兩種反饋矢量控制系統都需要電樞的計算。而在工作效率不高的情況下很難計算準確，所以此系統在低速運轉時往往結果不盡如人意。

2.4.4.因為在控制系統中，反饋型矢量控制系統需要測量電流和電壓值，而且在反饋電路中又存在比較大的磁場干擾。所以在實際中常常需要通過增加低通濾波器來提高能量值，從而提高數據的精確性，這樣系統才能更加的高效和精確。

2.4.5.兩種矢量控制系統都很依賴參數的準確值。

3.結束語

隨著科技的發展，技術的提高，機器人技術不斷應用在各種領域都可以看見永磁同步電機在各種關鍵的制造業部件的應用，而其中的仿真模擬的應用最為廣泛，在本文中列舉了兩種常見的矢量控制系統，進行了模擬，而在結論中得出了應有的數值，建立好的仿真模型為今后的實際應用提供了廣泛的參考。

參考文獻：

[1] 陳堅.交流電機數學模型及調速系統[M].北京：國防工業出版社.2011.

[2] 王成元.矢量控制交流伺服驅動電動機[M].北京：機械工出版社.2012.

第7篇：控制系統仿真范文

【關鍵詞】自動控制;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

“自動控制理論”[1]是高等院校電氣自動化和電子信息類專業的一門重要技術基礎課，主要講述了控制系統的構成、系統的數學模型、控制系統的分析和校正。目前在電類及非電類的各個工程技術學科領域都得到了廣泛應用。

該課程內容豐富、信息量大、概念比較抽象，理論推導和公式應用多，計算性強，使學生不好接受，理解起來有困難。另外，由于系統分析多采用圖解法，課堂講授中，教師需要在黑板上畫大量曲線，而手工作圖難以保證曲線的準確性，也無法體現系統響應的動態性，不利于學生理解和掌握。

Matlab[2]是一種面向科學與工程的計算軟件，它將不同領域的計算集成為函數的形式，用戶在使用時，只需調用這些函并賦予實際參數就能解決實際問題。它使用方便，輸入簡捷，運算高效，已成為應用代數、自動控制、數字信號處理、模擬與數字通信等學科的一個重要工具。

下面舉例說明Matlab在自動控制系統建模與仿真中的應用。

2.數學建模應用

對任何系統進行分析和設計，首先要建立其數學模型。控制系統常用的數學模型[3]有：傳遞函數模型、零極點增益模型和狀態空間模型等。在Matlab中均提供了相應數學模型的描述。

這里介紹一下其傳遞函數模型。假設系統是單入單出系統，其輸入輸出分別用u（t），y（t）來表示，則線性系統的傳遞函數模型為：

（1）

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

num=[bm，bm-1，……，b0];

den=[1，an-1，……，a0]

這里分子、分母多項式系數按S的降冪排列。

例1：用Matlab表示傳遞函數為：

的系統

用Matlab編寫程序如下：

3.仿真及性能分析

3.1 時域分析應用

時域法[4]是直接在時間域中對系統進行分析和校正的方法，直觀、準確，可提供系統時間相應的全部信息。實際系統中有很多都是二階系統，如RLC網絡，忽略電樞電感后的電動機[5]等，一些高階系統也常等效為二階系統來研究，因此研究二階系統特性具有重要意義。

例2：設二階系統的閉環傳遞函數為：，為自然頻率，為阻尼比，試分析不同參數下系統的單位階躍響應。

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

程序如下：

圖1 wn=1，不同下的單位階躍響應

由圖1所示階躍響應曲線知：當時，響應為均值為1的等幅振蕩;當時，響應呈振蕩衰減特性;當時，響應是非振蕩、無超調的。即阻尼比越（下轉第81頁）（上接第79頁）小，超調量越大，響應的振蕩越弱，平穩性越好，所以反映了系統的平穩性，通常取=0.707。

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

圖2 ，不同下的單位階躍響應

從圖2可看出，當一定時，越大，起振越快，調節時間越小，快速性越好，但系統響應的平穩性越差。

3.2 頻域分析應用

頻域法[6]是一種圖解法，它利用系統開環奈氏圖、波特圖來分析系統的穩態性能和動態性能，其研究系統的依據是頻率特性。

例3：已知系統的開環傳遞函數為：

繪制系統的Nyquist曲線并判斷其穩定性。

程序如下：

圖3 Nyquist曲線

由開環傳遞函數知開環不穩定極點個數P=0，從圖3可看出，奈氏曲線沒有包圍（-1，j0）點，即開環幅相特性特性曲線在G平面上繞（-1，j0）點逆時針轉過的圈數N=0。根據奈氏穩定判據，得閉環不穩定極點個數Z=P-2N=0，所以系統穩定。

4.結束語

綜上，利用Matlab可以很方便快捷地繪制出系統的時間響應曲線和頻頻率特性曲線，從而分析系統的動態及穩態性能。同樣，還可以利用Matlab進行系統設計。

實踐表明，教學過程中引入Matlab，豐富了教學內容，極大地增強了學生的學習興趣和主動性，培養了他們的創新性思維，教學效果良好。

參考文獻

[1]程鵬.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]黃忠霖，周向明.控制系統Matlab計算及仿真實訓[M].北京：國防工業出版社，2006.

[3]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007.

[4]劉偉，戴成梅.Matlab在控制理論時域分析法教學中的應用[J].巢湖學院學報，2011，13（6）：140-143.

[5]曾毅.現代運動控制系統工程[M].北京：機械工業出版社，2006.

第8篇：控制系統仿真范文

關鍵詞：電子穩定性控制系統；32位微控制器；基于橫擺角速度門限值控制；硬件在環

中圖分類號：U463.55文獻標文獻標識碼：A文獻標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

車輛電子穩定性控制系統（Electronic Stability Program，ESP）主要在大側向加速度、大側偏角的極限工況下工作，對提高車輛操縱穩定性及主動安全性有著至關重要的作用。ESP通過讀取并處理傳感器收集的信息對駕駛員意圖、車輛行駛狀況及路面狀況進行識別，從而對液壓調節器進行調節，產生使車輛穩定的橫擺力偶矩[1]。而具有高精度、高可靠性的ECU則是實現ESP功能的基礎。過往國內對ESP控制系統的研究大多基于16位微控制器，而隨著技術的發展及要求控制精度的提升，ESP系統的功能日趨復雜化。目前常用的8位、16位微處理器已經難以滿足ESP對數據處理能力及執行速度、可靠性等的要求。近年來，在處理能力、執行速度及I/O功能上具有明顯優勢的32位微控制器成本不斷下降，逐漸在汽車車身控制、底盤控制等領域被廣泛使用，在可預見的未來，32位微控制器必將成為汽車行業嵌入式系統的應用主流。Freescale公司的Qorivva/MPC5xxx系列32位微控制器采用了高性能PowerPC架構，為設計高質量、高可靠性的汽車電控系統提供了可拓展的集成解決方案[2]，在汽車電子領域得到了廣泛的應用。

基于上述內容，本文選擇了32位微控制器MPC5xxx系列中的MPC5604作為主控芯片，設計開發了ESP的電子控制系統ECU。建立了目標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行離線仿真分析。最后以開發的中央控制單元為核心，結合ESP液壓調節單元，實現硬件在環仿真，為進一步優化模型及控制策略提供依據。

1 ESP系統中央控制單元組成

ECU作為汽車穩定性控制系統的核心，具備接收和處理通過傳感器和CAN總線輸入的信號并發出控制信號的功能。ECU芯片由內部電路實現各模塊功能，電路封裝后通過定義的接口和子系統進行連接。圖1是基于Freescale公司Qorivva/MPC5604的ECU結構圖。ECU需要對多項采集數據進行處理運算，同時還需保證系統的可靠性及穩定性，而本文采用的32位微控制器可以滿足運算量大、實時性強的系統設計，為ESP系統中央控制單元的設計提供了理想的解決方案[3]，其所具有的CAN總線接口也可以實現與汽車其余行駛輔助系統及動力總成的信號共享以及控制信號的總線方式傳輸。同時，隨著汽車電子化的不斷深入，ESP的功能日趨豐富，集成度也越來越高，目前已有ESP產品集成了防抱死制動系統（Anti -lock Braking System，ABS）、電子制動力分配系統（Electronic Brake Force Distribution，EBD）、

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

牽引力控制系統（Traction Control System，TCS）、

驅動防滑系統（Acceleration Slip Regulation，ASR）

等系統[4]，32位微控制器的強大擴展性也為后續的研究及開發更新提供了便利和空間。

通過Freescale公司專為Qorivva/MPC56xx開發的Codewarrior for MPC56xx編譯軟件，可使用C語言進行編程后通過JTAG模塊進行下載，同時對控制系統的運行過程進行跟蹤[5]。在MPC5604最小應用系統的基礎上，實現對ESP系統所需信號的采集處理以及對執行機構的控制。對信號的采集可分為兩部分：輪速信號以及其它如車速信號、橫擺角速度信號等。其中輪速信號經過輪速信號調理電路進行信號處理后通過微控制器的輸入捕捉I/O來采集；而如橫擺角速度、縱向加速度、側向加速度、方向盤轉角及輪缸壓力等信號通過外部數據采集卡進行A/D轉換，并由外部電路進行打包處理后通過CAN總線與ECU共享。執行機構主要通過自主開發的驅動模塊分別對12路電磁閥及回流泵實現控制，其中12路電磁閥的驅動使用3片意法半導體公司的功率開關電路L9349，而回流泵的驅動采用單片Infineon公司的高位開關芯片BTS5090實現。具體ECU布線及實物圖如圖2所示。

ECU通過CAN總線及輸入捕捉I/O接收目標信號，實時監控車輛的行駛狀況，識別駕駛員意圖，從而根據控制策略控制12路電磁閥以及回流泵的工作狀態，分配制動輪缸壓力產生差動制動，保證車輛穩定，提高車輛的主動安全性。

2 整車系統建模

2.1 七自由度整車模型

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

（1）假設車輛處于水平路面，不考慮縱向和橫向坡度。

（2）為簡化運算，忽略空氣阻力對車輛運動的影響。

（3）不考慮車身的側傾和俯仰運動。

（4）不考慮懸架引起各車輪載荷的瞬態變化。

（5）各車輪轉動慣量、滾動半徑及滾動阻力系數相同。

3 穩定性控制策略制定

ESP系統通過對不同車輪施加不同的制動力進行差動制動，從而使車輛產生橫擺力偶矩，輔助駕駛員對車輛行駛狀態進行控制。同時，在極限工況下車輛達到附著極限而通過方向盤控制產生的側向力飽和導致無法改變車輛運動狀態時，差動制動產生的橫擺力偶矩能夠對恢復車輛穩定性起決定性作用。因而，對于控制策略應該是在車輛即將失穩時，通過ECU對駕駛員意圖進行識別，控制HCU調節制動力，從而實現對車輛行駛姿態的控制。

由于橫擺角速度可通過陀螺儀進行測量，本文基于橫擺角速度的控制策略是通過將汽車實際橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值Δr對超出預設的橫擺角速度門限值的部分進行決策，其中預設的門限值為車輛在良好路面上以60 km/h車速行駛時，實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Δr與前輪轉向角δf共同判斷車輛的轉向特性，同時決策實現制動車輪。考慮到由于車輛轉向時，各車輪產生的橫擺力臂不同導致產生橫擺力矩的效率不同，本文使用單輪控制的方式來產生差動制動力，具體策略見表1。

車輛制動壓力超過一定值時，會使車輪滑移率過高，從而使車輪附著系數下降，則車輪的縱向力及側向力都將有所下降，使可利用的橫擺力偶矩減小。因此，當已判斷出所需制動的車輪時，控制策略會依據該輪滑移率控制HCU以調整制動輪缸壓力。下面以右前輪制動工況為例，控制策略見表2。

4 硬件在環臺架搭建及仿真結果分析

4.1 硬件在環試驗臺搭建

本文建立了基于XPC Target開發平臺的硬件在環試驗平臺。應用Matlab/Simulink軟件編寫的整車動力學模型以及控制算法，通過RTW生成實時代碼，從而實現離線仿真與硬件在環仿真的結合，同時通過CAN把硬件反饋的工作信息反饋至用Labview編寫的子界面中，可以便于比對及分析離線仿真與硬件在環的結果。本文中硬件在環系統包括以下部分：XPC Target實時仿真系統、信號處理系統、ECU、供電電源、液壓控制單元。系統連接及實物如圖4和圖5所示。

4.2 仿真結果分析

選擇ISO3888-1雙移線試驗工況作為仿真工況，車速為33 m/s，路面選用附著系數為0.9的B級路面，并參考使用最優曲率駕駛員模型[8]，控制整車轉向輸入，形成人-車閉環系統以觀測整車模型以及控制策略對車輛穩定性的影響。將有ESP控制與無ESP控制的仿真結果進行比較，圖例中以紅線表示無ESP控制的結果，黑線表示有ESP控制的結果，仿真結果如圖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，汽車基本能跟隨預定的軌跡運動，且基本能不觸碰試驗場地中的路障。而在無ESP控制的情況下，汽車出現了失穩現象，從其行駛軌跡可以看出汽車不僅會沖撞路障，甚至在行駛后期失去方向穩定。

分析圖7和圖8可以看出，在有ESP控制的條件下，駕駛員對方向盤操控的動作幅度更小，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ESP控制的情況下，駕駛員對方向盤的輸入幅度更大，且在個別時間點存在尖峰，證明在實際操作中已超出駕駛員的操縱能力。從質心側偏角的角度來評價車輛方向穩定性可以看出，在有ESP的情況下，質心側偏角能更好地響應方向盤輸入，而在無ESP的情況下，由于行駛進入了非線性區域，汽車無法較好地根據方向盤輸入對預定軌跡進行跟隨，容易失去方向穩定性。

圖9為汽車的橫向載荷轉移率，定義為左右兩側車輪載荷之差與兩側車輪載荷之和的比值。在靜態過程中，若比值為0，則車輛正沿直線行駛，并無發生載荷轉移，隨著載荷轉移增加，橫向載荷轉移率絕對值也隨之增加；若比值為1，則意味著有一側車輪離地，易發生側翻。而在汽車行駛過程中，一般認為0.85～0.9為側翻臨界值[10]。從圖9中可以看出，在有ESP控制情況下，橫向載荷轉移率絕對值基本保持在0.6以內，而在無ESP的情況下則達到了警戒值0.9，出現了失穩現象。

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

通過搭建的硬件在環平臺，對所開發ESC系統各項功能的所用時間情況進行了測試，得到表3。

與基于微控制器MC9S12XDP512制作的16位ECU測試結果相比，多任務啟動過程用時從7 ms縮短為3.2 ms[7]，且32位控制器的作動器控制用時與16位控制器的控制用時相比也明顯縮短，可見使用32位微控制器設計的控制系統整體性能較使用16位控制器設計的系統有顯著的提升。

5 結論

綜上所述，本文通過建立七自由度車輛模型，應用橫擺角速度控制策略在雙移線仿真工況下進行了仿真分析，并且在具備離線仿真的基礎上，基于32位微控制器MPC5604開發了ESP的控制單元，結合硬件實現了從離線仿真到硬件在環仿真的過渡。仿真結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定性，并且由于控制策略邏輯并不復雜，只需要硬件響應足夠迅速即可做出相應的調節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心側偏角的估計，通過調節基于橫擺角速度及基于質心側偏角的控制策略各自的權重使行駛穩定性得到更好的提升，而在這方面，32位微控制器的強大處理能力也為控制策略精細化提供了擴展的空間。

（2）本文選擇的試驗工況只有雙移線工況，且路面附著系數只選擇了高附著的條件，可結合路面識別算法在不同的路面狀況，不同車速以及多種試驗工況條件下對控制策略進行調整，同時可考慮結合相平面分析來評估控制策略的有效性及魯棒性。

（3）本文硬件在環平臺暫時沒有加入制動盤及制動主缸等部件，故無法對制動過程中液壓調整的效果進行驗證，后期應將制動系統部件加入到臺架中。

參考文獻（References）：

劉偉. 基于質心側偏角相平面的車輛穩定性控制系統研究 [D]. 長春：吉林大學，2013.

Liu Wei. Vehicle Stability Control System Research Based on Side-Slip Angle Phase [D]. Changchun：Jilin University，2013.（in Chinese）

SOJA R，Bannoura M. MPC5554/5553 Revealed [M]. AMT Publishing，2007.

MPC5604B/C Microcontroller Reference Manual Rev. 8 [Z]. Freescale Inc，2011.

楊秀芳，張新，常桂秀，等. 汽車主動安全技術的發展現狀及趨勢 [J]. 重慶工學院學報（自然科學版），2008，22（4）：15-17.

Yang Xiufang，Zhang Xin，Chang Guixiu，et al. Development Status and Trends of Automobile Active Safety Technology [J]. Journal of Chongqing Institute of Technology （Natural Science），2008，22（4）：15-17.（in Chinese）

Code Warrior Development Studio for MPC56xx/MPC56xx Microcontrollers Version 2.7 Targeting Manual [Z]. Frees-cale Inc，2010.

邊明遠. 用于縱向道路附著系數評估的簡化輪胎模型 [J]. 重慶理工大學學報（自然科學版），2012（1）：1-5.

Bian Mingyuan. A Simplified Tire Model for Longitudinal Road Friction Estimation [J]. Journal of Chongqing Institute of Technology （Natural Science），2012（1）：1-5. （in Chinese）

湯東勝. 汽車底盤集成制動力控制系統研究與開發 [D]. 上海：同濟大學，2004.

Tang Dongsheng. Study and Development of Vehicle Chassis Integrated Control Brake System [D]. Shanghai：Tongji University，2004.（in Chinese）

YOON J Y， YIM S J， CHO W K，et al. Design of an Unified Chassis Controller for Rollover Prevention Manoeuvrability and Lateral Stability [J]. Vehicle System Dynamics，2010，48（11）： 1247-1268.

郭孔輝，丁海濤，宗長富，等. 人-車閉環操縱評價與優化的研究進展 [J]. 機械工程學報，2003，39（10）：27-35.

Guo Konghui，Ding Haitao，Zong Changfu，et al. De-velopment Status of Driver-Vehicle Closed-Loop Handling Evaluation and Optimization [J]. Chinese Journal of Mecha-nical Engineering，2003，39（10）：27-35.（in Chinese）

第9篇：控制系統仿真范文

關鍵詞：控制系統仿真;個體差異;自主學習;教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）46-0092-02

一、引言

《控制系統仿真》是一門講授數字仿真的基本原理、算法和計算機實現的課程，目的是指導學生掌握解決控制系統分析與設計的一種有效的計算機輔助設計手段，提高學生的實踐能力和綜合解決問題的能力。為了使學生在有限的學時內盡快掌握所學知識，提高控制系統理論分析與實踐仿真兩個方面的能力，我院《控制系統仿真》課題組老師在長期理論教學和實踐的基礎上對課程的內容設置與教學方式進行了一些探索研究與實踐。

二、《控制系統仿真》課程教學現狀

目前《控制系統仿真》教學中主要存在的問題：作為綜合性和實踐性較強的課程，在理論上用的課時太多，實踐課時較少，很難培養學生的實際應用和解決問題的能力。實驗內容設置單一，并且多為驗證性的內容，沒有考慮不同層次學生的不同訓練需求，無益于綜合能力和創新能力的培養。而且教學內容沒有充分結合建筑類院校自動化特色專業的辦學特色和學生的實際需要，實驗設計也缺乏針對性。授課形式單一，沒有健全的考核和激勵機制，導致學生學習目的不明確，學習積極性不高。為此，我們從教材的選用、教學課時設置、教學內容的調整、教學方法的應用、實驗內容的設計以及考核辦法的規定等方面對該課程進行了全面的改革，并逐步應用到實際教學當中，取得了明顯的效果。

三、授課形式的改革

1.授課計劃的調整。重新制定了教學大綱和授課計劃。將理論授課定為8學時，重點講授基本概念和理論方法;上機實驗為24學時，結合前期相關課程的授課情況，采用分層次設計實驗，實驗內容設置與實際應用緊密結合。

2.編寫全新教材。針對學院院先期開設的課程《自動控制原理》、《現代控制理論》、《集散控制系統》等課程的授課情況，編寫了新的《基于MATLAB控制系統仿真及其應用》教材，該書在結構上采用了系統仿真理論與實際應用相結合的方式，反應現代仿真技術的最新發展，注重理論聯系實際，密切結合實際應用，特別是面向建筑行業的工程實例比較多，出發點在于建筑領域內的自動化仿真需求越來越多，與本專業的特色相呼應。

3.完善教學資源。通過開設網絡學堂，增加和學生的互動和交流。學生可以通過網絡下載課件、實驗選題、習題練習和答疑。并展示相關科研成果和科研課題，鼓勵學生參加課題實踐，做到學以致用，激發學習熱情。

四、基于“個體差異的自主學習”教學模式改革

實驗學時的大幅增加主要是考慮到《控制系統仿真》課程的實踐性和綜合性，增加學生自主學習時間和創新空間。然而，不同學習基礎（即存在差異）的學生對課堂內容需求也不相同，老師應該正視這種差異，使得部分程度較好的學生在上機實驗環節上選擇創新性和拓展性的項目，充分發揮他們的學習主動性和創造性，而部分基礎較弱的學生老師應該積極地加以引導，使他們能自覺地確定該課程的學習目標、選擇實驗項目，使不同程度的學生發揮最大潛能，更加突出學生的主體地位。

1.提供多元的學習方式。除了課堂授課、上機實驗外，針對所學知識，老師在網絡學堂上傳一些實際項目的案例、制作過程，并對老師的一些研究課題讓大家參與、思考和討論。使學生可以通過多渠道多種途徑獲得自己所需要的信息，達到學習目標。

2.利用合作學習將差異資源化。采用實驗分組制（自選組和指定組），指定組必須要完成老師給定的任務，自選組中可以根據自己的興趣、學習程度和其他不同認知風格的學生組成實驗組合，通過合作學習將學生差異轉變為教學資源，以便實現學生間的優勢互補。

3.合理調控，適時指導。在加強不同認知風格學生之間交流的同時，也會導致學生間矛盾的產生，或者出現一個組中有的學生完全依賴他人的情況。這時，教師必須深入到各學習小組中去，對各組進行現場觀察、適當介入，了解每個學生的學習情況和所遇到的問題，并給予及時、具體的指導。

五、實驗設計和考核方式的改革

實踐環節中將“基于個體差異的自主學習”的教學模式引入到實驗課程的內容設計和實驗教學中，內容分層次、分主題進行，既有理論驗證性、擴展性、綜合性內容，又有與實際控制應用相結合的開發性實驗，學生可根據自己的實際情況在完成基礎實驗的基礎上，選擇適合自己能力的實驗項目。現場展示和回答老師問題方式，進行計分、考核。這一舉措使原來不肯動手、動腦的學生也必須選擇自己力所能及的內容積極完成實驗，充分發揮了學生的能動性，讓學生不斷積累自主學習經驗，增強學生學習的自主程度。

1.《控制系統仿真》實驗設計如表1所示。

2.考核要求。考核由兩部分組成：理論和實驗考核。理論部分要求設計一個簡單的連續控制系統，并給出仿真結果;實驗分為必做實驗（基礎實驗和擴展性實驗）和選做實驗（綜合性實驗和創新實踐性實驗）。必做實驗為一人一組，選做實驗為2～3人一組。根據必做實驗的完成質量和選做實驗的難度，現場提問和驗證的方式給定成績。

六、結束語

通過使用新編的教材和實驗指導書，并將基于“個體差異的自主學習”的教學模式引入《控制系統仿真》課程，經過兩屆學生的實際應用，學生普遍感覺教學方式新穎，實驗壓力變大，對課程的重視程度加大，在課堂上與老師有很好的交流，課下能獲得知識拓展和實踐的機會，增強了與老師之間的互動，收到了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]劉軍，王桂蓮.關注學生個體差異 促進學生整體發展[J].教育藝術，2011，（7）：12-13.