控制系统仿真篇1

　　【关键词】水箱液位控制系统 仿真模型 工业生产

　　三容水箱液位控制系统鉴于结构柔性，有着非线性特性，通过对各种连接水泵阀门控制可以构成各系统对象，使复杂的回路控制变得简单，还能对现代工业生产中的液位c流量、压力、温度等进行控制测量，还原工业生产过程，进而为工业生产提供更为科学的理论依据。由此，非线性系统，尤其是多变量非线性系统控制技术在自动化领域发挥的作用越来越大。本文将对三容水箱液位控制系统构建数学模型，研究水箱液位系统建模与控制策略。

　　1 系统总体架构

　　本次实验硬件为美国AD公司生产的单片机（ADuC834），将其作为单片机的主控芯片，与组态软件设计的水箱液位监控系统相匹配。维持原有水箱系统功能的基础上，将体积与成本缩小，设置用户手动操作功能，比如，算法编写等，可确保用户对水箱实验系统结构、硬件控制、软件模块有更为全面了解。由有机玻璃制造而成的实验台，包含了大水箱与不锈钢台面、电器盒、水槽等部件，同时设置了5个进水手动操作阀与3个手动溢水阀，还有1个手动连通阀与电动阀，水槽中安装有潜水泵，安装数量为2个，1个用于打水，另一个当作循环泵。

　　2 三容水箱实验系统建模

　　2.1 传统控制方法应用的不足

　　2.1.1 经典的PID控制缺陷

　　经典的PID控制机制是设定调节比例、积分与微分三个参数，通过三个参数的调配与控制得到预期的控制效果。传统PID在调节过程中执行机构是连续运行、动作的，但是在积分能量下容易出现超调。且积分能量如果过小，会延长整个调节过程，花费更多调节时间，对于精度要求不高的系统可以使用PID控制，可以达到控制要求。

　　2.1.2 模糊控制应用与缺陷

　　模糊控制与传统PID存在不同之处，依据经验得到输入与输出误差及变化率，模糊的推理过程完全依赖于实验者的推理与经验。其次，结果反馈与化解存在模糊化，将控制状态变得具体化。这种控制策略可以解决水箱液位复杂的系统控制问题，在此方面有一定优势，可以将水箱液位系统复杂的、不可预知的因素干扰去除。

　　2.2 实验法建模

　　建立输入、输出模型一般在实验法中应用，将工业过程作为黑匣子，结合外部特性与机理对动态性质进行描述，不需要对内部机理做过多研究。三容水箱实验系统可依据不同水箱与阀门构建数学模型，被控对象设为1号水箱液位h1：将手动阀1与电动阀1同时打开，将其作为被控对象，为1阶系统；将手动阀1与连通阀1、电动阀2打开，作为二阶系统；将手动阀1与连通阀1及连通阀2、电动阀3打开，被控对象为三阶系统。控制输入用手动阀1表示，系统的输出用水箱2的液位高度h2表示，调节进水量设定为Q，将水箱2液位高度h2维持在设定值内，实现单输入单输出的二阶系统，二阶系统模型见图1所示。

　　依据物料平衡原理，水箱1动态平衡方程为：

　　水箱2的动脉平衡方程为：

　　以上公式中，水箱液容为A，通常来说，容器液容值与该容器横截面积等同，水箱1的横截面积为A1=5014mm2，水箱2横截面积为A2=16204mm2。水箱1进水量为Q1，水箱1放水量与水箱2进水量相等。

　　2.2.1 电动阀2流量特性

　　本次实验选用的电动阀开口度为30%，因水箱横截面不变，可以测定不同液位高度与电动阀2流出水所用时间，进而计算得到阀门流量，并了解Q3与水箱2液位高度h2间关系。实验数据见表1。

　　依据以上实验数据得到Q3与液位高度h2线性关系如图2所示。

　　2.2.2 水箱1与水箱2平衡关系

　　水泵电压与液位差特性通过重复实验，调节水泵1两端电压值得到，进而使系统达到平衡状态。各区间水泵电压与液位差见表2所示。

　　当液位处于平衡状态时，Q1=Q2=Q3，可以通过水泵1的打水流量Q1等值低缓得到Q2。

　　3 模型仿真与实验

　　3.1 Simuink仿真

　　Simuink作为MATLAB的重要组成，有效用于动态系统建模与仿真分析中，是一种常见的面向结构的系统仿真软件，还可以用于可视化动态系统仿真。依据以上三容水箱二阶传递函数，可以对高分段液位仿真，将液位值分别设定为40与150，选择对应的传递函数，在Simuink中构建出实验模型。

　　3.2 三容水箱实验分析

　　现对低液位段仿真与实验结果比较。在仿真图中，上升时间tr所用时间大致为60s；峰值时间tp约为80s；对上升时间ts调节，调节后约为150s，超调量为31%；在三容水箱的实验液位图中，上升时间tr约为30s；峰值时间tp约为50s；对ts时间进行调节，调节时间ts为130s，超调量为35%仿真图与实验图对比可以描绘出实际液位控制曲线，发现超调较大，且出现震荡现象，仿真曲线在处于牺牲调节阶段时，震荡表现最为明显。

　　其次，对高液段仿真与实验结果对比情况进行观察，可以发现在仿真图中，上升时间150s；超调量约为5%左右。在三容水箱实验液位图中得到的ts上升时间为30s；峰值时间约为50s；调节时间ts则大致为70s，超调量为8%左右。两幅图对比存在差异较小，各性能指标基本一致。实验仿真与三容水箱实验效果大致相同，但依然存在误差，分析原因为：

　　（1）实验数据测量受各项环境影响存在误差，最大误差来自于水泵流量测量与处理上，造成建模精确度不够。

　　（2）鉴于三容水箱系统不同环节控制上存在延时性，造成液位控制过程中出现超调的情况，进而不能在规定时间内完成调节。

　　4 结束语

　　自设计三容水箱液位控制实验系统中，开展实验仿真可以基于物料平衡原理与实验数据的二阶单输入与单输出构建模型，科学对实验模型正确性进行验证，值得采用。

　　参考文献

　　[1]朱涛，周天沛.基于PLC的双容水箱液位控制仿真与实物实验系统设计[J].实验技术与管理，2013（11）：29-33.

　　[2]王晓鹏.三容水箱液位控制系统动态仿真与多变量过程的在线监测[D].济南：山东大学，2010.

　　[3]张倩.基于S7-300PLC的模糊解耦控制对水箱液位控制的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

　　作者简介

　　卫旋（1986-），女，现为运城学院助教，硕士研究生。专业为控制科学与工程。研究方向为系统工程。

　　作者单位

　　控制系统仿真篇2

　　线性最优控制理论线性最优励磁控制器仿真

　　0引言

　　在线性最优控制理论中应用同步发电机励磁控制的设计已引起了广泛重视，它突破了古典控制理论单输入、单输出控制的局限，实现了全状态量反馈的最优励磁控制。线性最优励磁控制器( LOEC)可以使远距离输电系统的静稳定极限大为提高，同时改善了系统遭受小扰动时的阻尼特性。

　　1线性最优控制理论基础

　　1.1线性最优控制原理

　　线性最优控制理论是现代控制理论中一个发展比较完善、应用较为广泛的重要分支，其研究的中心问题是选择最优控制规律，以使得控制系统在特定指标条件下的性能为最优。

　　2线性最优励磁控制系统的数学模型

　　比较精确的同步发电机的数学模型是七阶帕克(Park)模型，其中定子绕组二阶、阻尼绕组二阶、转子运动方程二阶、转子绕组一阶。由于定子绕组和转子绕组的时间常数相对转子绕组的减小，其动态过程衰减速度较快，在适时控制中可以忽略。为了容易实现并满足实时控制的要求，建立线性最优励磁控制系统的数学模型时通常进行如下简化：

　　(1)忽略同步发电机的次暂态过程；

　　(2)忽略同步发电机定子回路及输电线路的电阻；

　　(3)不计转速变化对电磁过程的影响，近似用恒定阻尼系数D来反映机械阻尼转矩的影响。简化后，同步发电机可用三阶状态方程来描述。如果采用励磁机则需要再增加一阶方程，对于快速励磁系统，则采用三阶发电机状态方程即可。下面，将以单机无穷大系统为例设计其全状态量反馈的最优控制器。

　　3线性最优励磁控制器的设计及仿真结果分析

　　A和B是由网络参数和运行点所确定的系数矩阵。实际程序中选择教材175页例题所用数据进行仿真，仿真运行结果是：系统是稳定的，且是完全可控、完全可观的。

　　仿真所得曲线如下：

　　从仿真结果可以看出,对于一般的扰动,最优励磁控制具备了良好的电压性能,并且表现了良好的动态特性。同时值得指出的是,线性最优励磁控制具有全状态量反馈,能够保证系统在过渡过程中各状态量对其稳态值的误差平方的积分最小,所以对系统内的参数摄动不敏感,其控制效果不受振荡频率的影响。

　　参考文献：

　　[1]卢强,王仲鸿,韩英铎.输电系统最优控制[M].北京:科学出版社, 1987.

　　[2]郭培源.电力系统控制新技术[M].北京:科学出版社, 2001.

　　控制系统仿真篇3

　　【关键词】PID 控制系统 MATLAB仿真

　　PID调节器参数整定简便易懂，实用性高，在产生异常情况下可以很好地运行，所以PID调节器在生活中很普遍，也是很早发展起来的控制程序。在日常生产以及工业生活中，温度是极具有广泛新却又十分主要的数据。所以要增高生产速率，增强产品质量，温度的有效监控是非常关键的。

　　PID调节器因为它操作方法机动性强，用法灵巧，所以拥有整体系列的产物，在操作过程中只需要设定其比例、积分、微分便可。

　　1 PID调节器控制原理

　　PID控制系统是将比例，积分，微分三个环节组合在一起来控制系统误差的系统。图1是为原理图。

　　1.1 比例环节（P）

　　比例控制是一种最简单的控制方式。及时通过整体中的偏差信号，当误差产生时，调节器马上做出反应调节。比例环节可以使控制系统更加稳定。

　　1.2 积分环节（I）

　　积分环节的关键作用在于去除静差，从而缩小控制环节的偏差程度。积分控制的精确度主要在于积分的时间常数，时间常数越大，控制能力越弱，反过来则越强。在这个环节中，输出数据与输入偏差值的积分为正比例。

　　若是整体中在进入稳定状态情况下存在偏差值，那我们则需要为系统解除掉这个稳定状态下的偏差。这样我们就需要将积分环节加入系统中。积分会伴着时间的变大而不断上升，所以跟着时间的推移，调节器会使输出数据变大使偏差值不断减小，一直到零误差。所以，PI调节系统也可以是工作环节在稳定状态中去除掉不应有的误差值。

　　1.3 微分环节（D）

　　微分环节可以在调节过程中加入一个及时而且高效的改正信号，同时能在产生偏差信号的早期，在误差没有变的更大之前，及时进行修正，以此来保证系统的迅速动作。当系统中包含具有惯性的设备和具有滞后性的设备时，控制系统在调节或消除偏差值得过程中有时候会呈现出振动或者失去稳定状态。这种情况下就需要加入微分环节。因为比例环节放大了偏差值的振动幅度，而微分环节可以计算出偏差值变化的走向。PD控制系统就能使动作更迭赶不上偏差值更迭，无法操控偏差值的系统。PD系统自动控制系统在克服误差的超前而我们无法控制误差，甚至产生副作用。比例微分控制系统可以更加好的控制一些具有滞后性或者具有惯性的系统，可以使超前的误差消除，从而使系统迅速动作，缩小控制时间。

　　1.4 控制策略

　　当我们没有精确地理解系统中的被控对象时，也不能使用有用的整定方法来取得系统中的数据时最合适的技术就是PID控制技术。PID技术已经经过很长时间的沉淀，已经形成固定的体系。它的构造简易，偏差值小，工作稳定，操作简单，已经成为现在工业中控制系统的主流。它适用于被控对象的参数与布局无法精确的认识，无法准确的建立数模以及各项技术理论无法在被控对象上实现，必须经过人为现场的操控以及工作经验来确定的系统。在试验中测得数据信号与我们所设定的数据相比较，通过信号源来控制设备组件。在实践中，比例、积分以及微分操控使用很多，也就是说PID调节系统很普及，这种操控又叫PID调节器。

　　2 调整方法

　　本文选择的是工频50HZ，额定功率800W，温控范围在20℃-250℃的一款型号为CK-9的电烤炉。

　　设计中要做到对温度进行操控，做到操作时间短而精确，无最大偏差，实际性误差小于1℃。

　　经过事先的了解和测试：电力升温设备是具有自主调节稳定的能力。经过参数计算可以将二阶的不振动系统降阶为一阶函数。所以我们用一阶函数来表示本文中的温度控制系统。

　　电烤炉模型的传递函数为：

　　实际的生产中总会有一些系统离散性大，随时间变化而变化，具有很大的惯性，还有一些存在滞后性的机械原理繁杂。在运行过程中受到譬如负载干扰的影响，从而参数或者模型构造会在不同时间不同环境之中产生不同的变化。所以在PID调控中，我们在整合数据时，我们不能依靠实验对象或者数模，并且还要能够随时调节数据，来得到随时操控的要求。

　　2.1 PID的调整方法

　　实际的生产中总会有一些系统离散性大，随时间变化而变化，具有很大的惯性，还有一些存在滞后性的机械原理繁杂。在运行过程中受到譬如负载干扰的影响，从而参数或者模型构造会在不同时间不同环境之中产生不同的变化。所以在PID调控中，我们在整合数据时，我们不能依靠实验对象或者数模，并且还要能够随时调节数据，来得到随时操控的要求。

　　2.2 数据整理方法

　　断路器开关通断：使用继电器的开关通断的控制方法，扰动系统，使系统产生有节奏的振动。然后使用齐格勒法则将数据调整整合，得出PID值。

　　线上调节法：在系统中输出电流的地方加一个电流表，抽出比例环节比例值，并观察电流表。利用齐格勒法则的方式把 PID求出来，数据值求法与断路器开关通断一样。

　　2.3 PID调整方式

　　图2所表示是PID的调节方式。在没有转移函数的情况下可以使用Relay feedback和在线调整法。而另外三种方法需要转移函数。并且需要使用MATLAB软件中的Simulink做出反馈图。运用系统辨识法找出转移函数并求得PID值。

　　在无法准确的得知系统函数的状态下，我们可以使用线上调节的方式，直接在调节器上做数据的整合。将PID中的积分环节的值和微分环节的值置零，调节比例环节使系统产生振动，计算出临界值和振动周期。在线调节在仿真实验时不需要在外接电流表，而实物调节时需要外加电流表。虽然比较断路器开断的方式会减少很多麻烦，但是在实物实验的时候调节效果会比较差在线的调节可以在仿真的情况下求出PID值，但是还是需要在线上找出转移函数。但是这是基于齐格勒法则去调节来求得PID值的，经验法则去与断路器开关通断的经验法则一样，调出PID值。

　　在本文中可以通过系统辨识找出转移函数。所以可以使用有转移函数的三种方法求得PID值。也可以通过在线方式调整得出PID值。图3就是通过系统辨识法整理出转移函数的图。

　　2.4 系统辨识法

　　运用齐格勒第二法则。将传递函数体现在反馈图上。如表1所示。

　　表1解法可有以下2种：

　　解一：观察特性曲线，求a值；

　　解二：利用三角比例法推导求得，如图4。

　　利用三角比例法求出a值：

　　闭环控制系统一般的反应跳跃幅度在10至60个百分点之间，在使用齐格勒.尼克尔第一法则求得值并代入PID中。

　　一般情况下会先使用齐格勒第二法则来调节PID的值，接着慢慢调整PID直到符合规则停止。

　　3 仿真

　　下面是借助MATLAB软件做出的电烤炉的PID的温度控制的基本框图。把仿真模块中的数据在系统中进行输入，在Transport Delay板块里将时间设置迟缓30S。连续的调控PID的比例积分微分的数据得出最好的曲线。

　　图5表示的为MATLAB中Simulink板块里加入一个干扰信号的电烤炉的调节系统的仿真构造图。

　　虽然加入了干扰信号，但是PID控制器可以很好地调节这种干扰信号。在加入干扰信号虽然有短暂的曲线上下波动，但是可以很迅速的回到系统的设定值。所以PID调节系统是实用性很强的调节器。

　　4 结论

　　本文讨论了基于电炉温度的PID调节器设计，以及它的数据整合方法，并通过对各参数的在调节以及使用Simulink进行了仿真，在温度控制中，加入干扰信号，系统在波动之后迅速的回到稳态状态下，说明调节迅速、准确。

　　参考文献

　　[1]谭强.模糊PID温度控制方案的仿真优选及其实现[D]：[硕士论文].北京：中国科技研究院电工研究所，2002.

　　[2]许森.基于模糊模型参考学习控制的焦炉温度控制[J].化工自动化及仪表，2008.

　　[3]于海先等.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，1998.

　　作者简介

　　石文昭（1989-），女，山西省忻州市人。现为山西农业大学信息学院教师。研究方向为控制科学与工程。

　　作者单位

　　控制系统仿真篇4

　　1火控雷达网工作原理

　　火控雷达组网系统由M部火控雷达和一个融合控制中心组成，每部雷达的工作状态和工作参数都由融合控制中心进行统一控制和协调，各部火控雷达通过通信链路实现与融合控制中心之间的信息传递，以此保证多雷达间的数据共享。任一时刻只有一部雷达处于辐射工作状态，其余雷达进行静默跟踪。当此雷达停止工作后，由融合控制中心选择另一部雷达继续工作[6]。如图1所示，假设在k时刻火控雷达（jj=1，2，…，M）处于间歇辐射工作状态，其余雷达处于静默跟踪状态。雷达j将其对目标的实时跟踪测量数据送到数据融合控制，融合控制中心根据雷达的测量数据对目标的运动轨迹进行滤波和预测。处理后的数据一方面送到相关武器系统，供火力打击使用；另一方面送到其余处于间歇状态的雷达，供其天线调整以完成对目标的静默跟踪。跟踪精度评估环节和低截获性能评估环节则分别对当前的跟踪精度和当前的低截获性能进行计算和评估。通过对当前跟踪精度的计算，采用自适应脉冲间隔策略选择下一时刻的最优脉冲间隔，间歇辐射控制环节根据该参数控制雷达j的脉冲发射间隔。同时，通过对雷达低截获性能的评估控制交替选通信号，以选择下一时刻工作的雷达。当雷达j停止工作后，通过交替选通信号的控制选择雷达j+1间歇工作以继续跟踪目标。以此循环，各雷达在融合控制的协同控制下，共同完成对目标的交替间歇式跟踪。

　　2作战场景想定

　　以3部火控雷达网为例构建仿真系统，想定场景如图2所示。防御方的防空系统由警戒雷达、火控雷达和防空武器等组成，进攻方的战斗机对防御方的雷达进行探测定位。当战斗机处于防空系统中警戒雷达的探测范围内，而处于火控雷达探测范围之外时，火控雷达不工作，由警戒雷达对战斗机进行前期的警戒跟踪，并为火控雷达提供侦察机的粗略位置信息。当战斗机进入防空系统中火控雷达的探测范围时，火控雷达突然开机工作，依据警戒雷达提供的侦察机位置信息，在较短时间内完成对战斗机的稳定跟踪，同时为防空武器提供精确的战斗机位置信息，供其火力拦截。火控雷达开机工作之后，战斗机的侦察系统在告警系统的触发下迅速对火控雷达信号进行搜索、识别、截获和分析，以获得火控雷达各项工作参数，对雷达进行定位，进而发射反辐射导弹对雷达进行火力摧毁。为了避免防空火控雷达信号在短时间内被战斗机截获，融合控制中心控制火控雷达网，采用交替间歇辐射的工作方式完成对目标的连续跟踪。在保证火控雷达对侦察机精确跟踪的同时，尽量延长侦察机对雷达定位所需的时间，从而完成防空武器系统对侦察机的有效打击。

　　3仿真系统设计

　　火控雷达网间歇式目标跟踪原理如图3所示。具体工作过程为：由目标模块产生目标模拟运动航迹，融合控制中心模块通过雷达工作参数的设定来选择处于工作状态的雷达，并通过对脉冲重复周期的选择来控制雷达的辐射状态。雷达进行间歇工作获得目标测量数据，将测量数据传送到融合控制中心模块进行数据融合、跟踪滤波等处理，并根据处理结果选择下一时刻雷达的工作参数，以控制雷达工作，如此循环进行，交替选择组网系统内的火控雷达进行间歇工作，以实现对目标的连续跟踪。同时，将处理结果传送到效能评估模块，效能评估模块将这些数据和来自目标模块的雷达信号截获判定、目标真实航迹等数据进行一系列处理，对系统的整体性能进行评估。融合控制成员对组网雷达融合控制中心的功能进行仿真。订购雷达成员生成的量测数据信息，通过融合处理，生成目标的位置信息和雷达网跟踪精度，并对雷达下一个周期的工作参数进行调整，向雷达成员公布目标位置、脉冲宽度、工作频率、开关机信号、雷达信号形式等。对融合控制成员进行类划分，将具有相同属性的方法提取出来，并对类与类之间的关系进行分析，可分为以下8类。RTI基类：此类主要提供运行支撑环境（run-timeinfrastructure，RTI）的基本服务，包括联邦管理、声明管理、对象管理、时间管理、所有权管理和数据分发管理等功能。联邦管理是指对一个联邦执行的创建、动态控制、修改和删除的过程。声明管理是为联邦成员提供类层次上的表达（公布或订购）机制，在HLA中，联邦成员通过声明管理服务向联邦表明自己可以公布或需要订购的对象类和交互类[7]。对象管理是在声明管理的基础上，实现对象实例的注册/发现、属性值的更新/反射、交互实例的发送/接收以及对象实例的删除/移走等功能。时间管理的主要任务是使仿真世界中事件发生的顺序与真实世界中事件发生的顺序一致。仿真运行过程中，联邦成员和RTI将利用所有权管理服务来转移实例属性的所有权，在联邦执行生命周期的任一时刻，一个实例属性最多只能被一个联邦成员拥有，只有唯一拥有实例属性所有权的联邦成员才有权更新该实例属性的值[8-10]。数据分发管理是在实例属性层次上增强联邦成员精简数据需求的能力，减少仿真运行过程中无用数据的传输和接收，提高仿真运行的效率。RTI接口类：此类是RTI基类的派生类，负责实现联邦的具体创建工作，成员通过回调接口函数，使用RTI提供的服务。RTI接口的工作主要在仿真线程中进行，其中主要包括创建并加入联邦、声明公布/订购关系、注册对象实例、请求时间推进、更新和反射对象属性值、发送和接收交互、退出联邦等。融合控制类：实现了数据的融合处理和雷达工作参数的控制。如对3部雷达的测量数据进行融合，估计侦察机对雷达信号的截获概率和当前的目标跟踪精度，计算出下一时刻的雷达最优脉冲间隔，控制雷达的工作时间。数据公布类：实现了对数据的公布，即表明要公布的数据类型、数据长度等，并对数据进行更新等。数据订购类：实现了对数据的订购，即表明要订购的对象、数据类型、数据长度等，并对数据进行更新等。文件管理类：实现了对数据的记录，负责创建文件，将数据写入文件，完成读取文件、修改文件、格式转换和删除文件等功能。显示类：实现了对数据的实时显示，如目标三坐标位置、斜距、俯仰角、方位角、雷达脉冲间隔和系统工作时间等。定时器类：实现了数据处理和更新过程中的定时功能，如启动时钟、停止时钟等，负责仿真进程的开始和停止。顺序图主要描述系统各组成部分之间交互的次序，展示了对象之间的动态协作关系[11]。使用顺序图，可以描述执行特定用例，会触发哪些交互，以及这些交互以何种次序发生。融合控制成员从整个仿真系统的启动开始，工作流程如下：（1）运行融合控制程序，点击“加入联邦”，通过调用RTI接口函数使用RTI的声明管理、对象管理函数，将该成员加入到仿真系统中，等待开始仿真的指令。（2）开始仿真，进入主线程，通过调用RTI接口函数使用RTI的数据分发管理服务，订购其他联邦成员的数据。（3）对订购的数据进行融合处理，通过调用RTI接口函数使用RTI的数据分发管理服务，把数据公布给其他联邦成员。（4）实时显示数据，并将相关数据进行记录，写入文本文档。（5）收到停止仿真命令后停止仿真进程，融合控制成员退出联邦。根据以上的操作流程创建顺序图如图4所示，该图显示了仿真流程融合控制成员运行的动态过程。

　　4仿真分析

　　通常火控雷达对目标的跟踪距离相对较近，对于高速运动的反辐射导弹载机来说，在有限的跟踪距离内，持续跟踪时间不会太长。因此，在仿真过程中设定目标跟踪时间为t=100s。将开发的软件加入到火控雷达网仿真联邦中，在仿真过程中存储对目标的测量值和滤波值进行存储，并实时计算出3部雷达的截获概率，都保存到文本文档中。仿真结束后，调用Matlab读取存储的文本，画出目标的测量轨迹和滤波轨迹，如图5所示。可以看出，组网系统能够准确地对目标进行跟踪。3部雷达的截获概率如图6所示。由图可知，组网系统在有效的跟踪目标时，能够延长雷达被敌方侦察系统截获的时间，提高了先敌发现目标的概率，给指挥高炮对敌方目标进行打击提供了充足的时间。

　　5结束语

　　火控雷达在跟踪敌方目标时必须要尽量延长被侦察系统截获的时间，在敌方发射反辐射导弹攻击之前指挥高炮对目标进行打击。本文研究了3部火控雷达组网系统交替辐射的原理，并开发了基于高层体系结构的融合控制系统，仿真结果证明了该方法的有效性。由于战场环境的复杂性，如何进一步优化组网结构，更好地发挥组网优势，实现与反辐射武器的对抗有待深入研究。

　　控制系统仿真篇5

　　关键词 模糊控制；MATLAB；PID

　　中图分类号TK22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）88-0203-02

　　0 引言

　　温度控制系统是以温度为被控参数的控制系统，它在工业中的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对控制对象进行温度控制，使温度高精度地保持在给定的数值，如冶炼、纺织、食品、化工、医药电子等场合均对温度提出了相当高的要求。

　　1 模糊控制器的设计

　　1.1 模糊控制的基本原理

　　模糊控制系统，它的核心部分为模糊控制器。通常模糊控制器包括4个部分：1）模糊化接口；2）知识库；3）推理机；4）精确化。

　　1.2 模糊温度控制器的设计

　　1.2.1模糊控制器输入输出变量的确定

　　2 模糊控制在温度控制系统中的仿真

　　2.1 模糊控制器的仿真

　　3结论

　　模糊控制器克服了单纯的PID控制器超调量大，过渡时间长的缺点；模糊控制器具有超调量小，过渡时间短，控制稳定时控制精度高，仅存在很小稳态偏差以及很小范围的振荡。

　　从目前模糊控制及其参数整定的研究和应用现状来看，以下方面是今后需进一步研究和实践的重点：

　　1）在模糊规则调整方面，在设计控制器时，应该总结出系统化设计方法，到目前为止还未有成熟的模糊规则可以借鉴。

　　2）智能控制器有待于进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；以及从生产过程的实际出发，设计满足实际过程要求的控制方案，将预测控制、模糊控制、优化控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统的性能，是智能模糊控制发展极其有前途的方向。

　　参考文献

　　[1]石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清华大学出版社，2008：201-230.

　　控制系统仿真篇6

　　关键词：matlab；控制系统；仿真

　　中图分类号：G642.0 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 01-0000-01

　　The Use Of Matlab Simulation Software in Control System

　　Mi Wengpeng1,Hong Chenghua2,Cao Juan2,Zhao Xuyang2

　　（1.202 Teaching&Research Section,PLA Second Artillery Corps Officer School,Qingzhou262500,China;2.103 Teaching&Research Section,PLA Second Artillery Corps Officer School,Qingzhou262500,China）

　　Abstract:Auto control is a very important subject,it widely used in the industry control and daily life. As a very excellent emulational soft,it can solve the problem in the field of computer accessorial design of control system.

　　Keyword:Matlab;Control system;Emluator

　　随着科学技术的发展，自动控制学科在作为一门重要学科，在日常生活及工业控制中得到了非常广泛的应用。作为工程设计及教学一线人员，我们在设计控制系统时，首先要建立系统的模型，针对系统模型，设计相应的控制系统，最后对控制系统进行稳定性等各项性能指标的分析。那么我们如何来进行分析呢？靠人工进行绘制图形进行分析实非常复杂、繁琐的，我们必须借助仿真软件进行。而matlab作为优秀仿真软件，由于其编程、设计灯的方便性，在控制系统研究与教学中日益广泛的应用。本文主要通过实例来详细介绍matlab在控制系统仿真时的一般步骤及方法。

　　一、MATLAB控制系统工具箱

　　MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。在MATLAB中提供了控制系统设计工具箱(Control System Toolbox)。20世纪90年代初的3．5版推出RobustToolbox，模糊逻辑控制箱（Fuzzy Logic Toolbox），鲁棒控制箱（Robust Control Toolbox）灯各类控制类工具箱，通过这些工具箱所提供的专用函数，为设计研究人员避免重复籍琐的计算和编程，更快、更好、更准确地进行控制系统分析和设计提供了极大的帮助。[1]

　　二、控制理论基础

　　控制系统总体来说可以分为两类：“古典控制理论”和“现代控制理论”。

　　古典控制理论以传递函数为基础研究单输入一单输出一类定常控制系统的分析与设计问题，其数学基础是拉普拉斯变换，系统的基本数学模型是传递函数，主要的分柝和综合方法有Bode图法、根轨迹法、劳斯(Routla)判据、奈魁斯特(Nquist)稳定判据、PID控制等。[2]

　　现代控制理论是六十年代在古典控制理论基础上随着科学技术发展和工程实践需要而迅速发展起来的，它以状态空间法为基础，研究多输入一多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。主要包括有：状态反馈控制、最优控制、智能控制、预测控制、自适应控制、大系统多层分散控制、模糊控制等控制方法。它克服了经典控制的许多局限性，它能够解决某些非线性和时变系统的控制问题，适用于多输入多输出反馈控制系统，可以实现最优控制规律。

　　三、控制系统仿真的一般步骤

　　我们以某系统控制系统的设计与仿真为例来进行具体的控制系统仿真一般步骤的说明。

　　（一）数学模型的建立

　　建立某系统的线性数学模型如下：

　　（二）控制律的设计

　　我们以变结构控制理论为设计方式进行控制律的设计。

　　首先采用到达律具有指数趋近律的变结构控制方式来设计变结构控制器，控制律推导如下。

　　设滑模面方程为：

　　令=0，将（6）式代入则可得

　　则可求出等效控制为

　　而采用准滑模控制时我们用饱和函数sat(s)来代替到达率为指数趋近律的滑动模态中的符号函数sgn(s).

　　其中 称为”边界层”。其图1所示。饱和函数的本质是：在边界层外，采用切换控制；在边界层内，采用连续状态的线性化反馈控制，有效避免或消弱“抖振”。

　　图 1、饱和函数

　　滑模面和控制律具体形式如下：

　　（三）matlab仿真

　　对于给定的控制系统的性能指标，我们通过极点配置法求得C=[1]，设置适当的 的值，取采样时间为0.001s，选取初始状态为

　　进行仿真。通过MATLAB仿真我们可以分别得到控制系统的仿真结果如下：

　　图2、x1的收敛过程

　　图3、x2的收敛过程

　　限于篇幅，控制律、切换函数、状态x3、x4的仿真图不再给出。通过仿真得出的图形，我们就可以进行控制系统稳定性、相应时间等各项指标的分析与研究。

　　四、小结

　　本文主要探讨了利用仿真软件进行控制系统仿真的一般步骤和方法，通过实例及方法说明我们可以看出，利用matlab进行仿真方法简单且易于实现，是用于教学和科研的非常好的工具。

　　参考文献：

　　[1]控制系统仿真软件的设计与开发.河北农业大学硕士学位论文,2005

　　控制系统仿真篇7

　　关键词：汽轮机控制系统；建模方法；仿真技术

　　中国分类号：TP273

　　汽轮机控制系统从直接控制系统到间接调节系统，由模拟式电液控制系统发展到数字式电液控制系统，再到集散控制系统以及现场总线控制系统，技术发展越来越成熟的同时，控制系统也越来越受到人们的重视。仿真技术的飞速发展及计算机控制技术的广泛应用，极大地促进了汽轮机控制系统的仿真研究。本文将对汽轮机控制系统仿真的意义、发展历程、方法等方面进行探讨。

　　1 汽轮机控制系统仿真的意义

　　首先，可以确保研究人员和机组运行的安全。研究人员只有在仿真平台上对控制方案进行研究，才能避免危险性，同时也保证了设备的正常运行。其次，为研究更好的控制方案提供了平台。通过建立数学模型，对不同的控制算法的进行仿真研究，找出合适的算法和先进的控制策略，优化控制系统的设计，改善系统控制性能。最后，为控制参数的优化整定提供了条件。通过利用控制系统仿真参数的监测，寻找系统最优控制参数，提高系统的调节品质。

　　2 汽轮机控制系统仿真发展

　　汽轮机控制系统是汽轮机重要的组成部分。根据我国汽轮机控制系统的发展历程以及对其系统建模与仿真研究出现的先后，可以分为以下几个阶段：

　　（1）物理仿真，即采用物理模拟的方法模拟汽轮机发电机组和调节装置。但是采用物理仿真的方法来模拟中间再热汽轮机，模拟部件做得都非常繁复，对于模拟汽轮机发电机组并网运用以及改变参数都比较困难[1]。

　　（2）模拟计算机仿真。20世纪60年代，随着计算机的问世，利用电子模拟计算机来研究和解决汽轮机自动调节系统中存在的问题，成为一种趋势。文献[1]针对上海汽轮机厂生产的AK-25型汽轮机负荷扰动、哈尔滨汽轮机厂20万瓦汽轮机调节系统参数整定以及动态模拟试验等问题，采用电子模拟计算机基本解决了上述问题，并取得了良好的效果。

　　（3）数模混合仿真。在计算机技术水平还比较低下时，为了尽量缩短机组的启动调整时间，快速投入运行，世界各国汽轮机制造业都建立了试验基地，对汽轮机调节系统动态模拟试验进行研究。文献[2]概述了试验基地的主要内容，其中通过数模混合仿真计算求得调节系统的动态特性，虽不能完全反映调节系统的实际情况，但也有助于调节系统的现场调整。

　　（4）数字计算机仿真。20世纪80年代，随着计算机技术不断发展，汽轮机数字电液控制系统成为了电厂使用的主流，而仿真技术的发展也逐渐趋于成熟。我国第一台火电站全仿真机于1982年从美国引进。同年，我国自主研发的大型火电机组仿真系统也成功问世。文献[3]介绍了基于STAR-90仿真系统对300MW数字式电液调节进行仿真研究。结果表明利用STAR-90仿真建模技术，可以很方便地实现系统的建模、仿真、修改及调试工作。数字计算机仿真具有划时代的的意义，它使得汽轮机控制系统的研究呈现多元化、多样化。

　　3 汽轮机控制系统仿真方法

　　汽轮机控制系统仿真的基本任务是建立模型，编制仿真程序，进行模型的调试和控制参数的整定。汽轮机控制系统建模与仿真方法主要有：

　　3.1 机理分析法

　　汽轮机控制系统最常用的数学建模方法是机理分析方法。采用机理建模必须要对实际系统进行深入地分析，提取本质因素，忽略不确定影响因素，并在一定假设或简化条件下得出的，所以机理分析模型的精度不是很高。但是其定性结论却比较合理，对于太过复杂的系统采用机理建模就很难奏效。因此，机理分析方法应用于中小型的汽轮机控制系统的模型建立。

　　3.2 系统辨识法

　　系统辨识法常应用于大型复杂的汽轮机非线性控制系统，用来验证近似得到的控制系统数学模型的参数。机理分析法确定模型的结构形式，系统辨识法确定模型中的参数值，两者结合适用于机理明确而参数未知的系统。近年来，基于智能技术如遗传算法、神经网络等的建模仿真方法发展十分迅速，并在具有不确定性、非线性等特性的系统建模方面，得到了广泛应用。其中遗传算法常应用于汽轮机非线性调节系统参数辨识的研究或汽轮机PID调节器参数的优化整定。文献[4]介绍了遗传算法应用于参数辨识的基本思想，对汽轮机非线性调节系统的进行参数辨识。结果表明采用遗传算法可准确地辨识系统中死区、限幅等非线性发生部位和参数，辨识结果准确可靠。

　　3.3 图形化建模

　　对于控制系统仿真使用图形化建模，其实是提供一个自动建模平台。例如MATLAB、LabVIEW、BLINK等仿真支撑软件里都封装有很多的功能模块。在进行系统建模时，只要把封装的模块找出，采用模块搭接的方式实现系统建模，这样使建模人员集中精力于控制回路组态、控制参数优化、仿真系统调试等基本内容，而省去编程的烦恼[5]。文献[6-8]分别是基于MATLAB、LabVIEW、BLINK软件对汽轮机控制系统进行的建模仿真。仿真表明：仿真支撑软件对高效建立控制系统的仿真模型具有良好的效果。

　　4 展望

　　随着集散控制系统的普及，基于Web分布交互式仿真成为研究热点。分布交互仿真的分布性和交互性特点可使处在不同地理位置的各个部门利用网络连接起来，实现资源共享，达到节省人力、物力、财力的目的。同时，虚拟仿真技术将成为仿真技术发展的一个趋势。虚拟仿真技术是仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。在测控领域中，采用先进高等控制策略在汽轮机控制系统中尝试，而这样的尝试在实际的汽轮机上是无法进行的，只有在汽轮机控制系统的虚拟现实仿真环境中进行反复试验，通过对不同控制算法的仿真与比较，选择最优控制，大大节约了时间和经费，避免了危险性。

　　5 结束语

　　随着我国电力工业的迅速发展和我国多年来从事的控制系统研究，汽轮机控制系统日益引起电厂的认识和重视。通过对汽轮机控制系统建模与仿真技术及应用情况的了解和认识，提出控制系统仿真技术的发展方向：基于Web分布交互式仿真成为当下的研究热点。在不久的将来，虚拟仿真技术将会成在汽轮机控制系统仿真中发挥重要的作用。

　　参考文献：

　　[1]上海汽轮机研究所.电子模拟计算机在汽轮机调节系统中的应用[J].电子技术应用，1976（03）：12-21.

　　[2]杨焕义.模拟技术在汽轮机控制中的应用[J].中国电机工程学报，1988（07）：14-15.

　　[3]段新会.3OOMW机组数字式电液调节（DEH）仿真系统的研究[D].华北电力学院，1995（06）：8-11.

　　[4]戴义平，刘炯，刘朝.基于遗传算法的汽轮机非线性调节系统的参数辨识研究[J].动力工程，2003（02）：2215-2218.

　　[5]吕崇德，任挺进，姜学智.大型火电机组系统仿真与建模[M].北京：清华大学出版社，2002.

　　[6]孙玉芬，王再英.汽轮机DEH系统建模及仿真研究[J].计算机仿真，2013（09）：126-127.

　　[7]王浩.基于LabVIEW的汽轮机仿真控制系统简介[J].南钢科技与管理，2008（04）：30-32.

　　[8]降爱琴，张学军，赫秀芳.基于BLINK的DEH控制系统仿真[J].微计算机应用，2007（06）：640-643.

　　作者简介：韩芹（1982-），女，湖南永州人，实验教师，助教，硕士，研究方向：计算机智能控制。

　　作者单位：湖南科技学院，湖南永州 425199

　　控制系统仿真篇8

　　关键词：PLC；仿真控制系统；以太网

　　中图分类号：TP2

　　文献标识码A

　　文章编号2095-6363（2017）04-0072-02

　　运载火箭系统中，地面测试发射控制系统（以下简称测发控系统）用于完成对运载火箭各分系统测试、总检查、射前检查和发射控制任务，直接关系到最终发射任务的成败，考核测发控系统的可靠性显得尤为重要，这就需要一套模拟箭上设备的仿真控制系统来完成对测发控系统的考核测试。近年来，运载火箭发射任务密度越来越高，原有的仿真控制系统已经无法满足系统测试短进度、高效率的要求。高集成度、高智能化是当前仿真控制系统最为重要的系统性能指标。本文将介绍PLC技术在仿真控制系统中的应用。

　　1.系统组成及功能

　　1.1系统组成

　　PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工业环境中正常工作。对工作环境的要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障工作时间（MTBF）长是PLC在各行业得到广泛应用的重要原因之一。

　　仿真控制系统由信号调理单元、PLC和工业计算机组成。信号调理单元由继电器控制板和时序信号板组成，是仿真控制系统与地面测发控系统的接口环节，一方面将地面测发控系统发出的指令信号隔离转换成与PLC接口相匹配的信号，另一方面将PLC的输出信号隔离转换成与箭地接口相一致的信号供测发控系统测量。PLC通过以太网与工业计算机（即上位机）连接，用户可通过上位机软件实时监视PLC的运行状态。

　　1.2系统功能

　　仿真控制系统主要模拟火箭的供配电系统和时序指令系统，供配电仿真系统模拟火箭供配电逻辑，考核验证地面测发控系统对箭的供配电功能。时序仿真系统模拟火箭时序指令，考核验证地面测发控系统的时序指令测试功能。

　　2.系统硬件设计

　　2.1供配电仿真硬件设计

　　由继电器隔离电路完成供配电指令信号与PLC输入模块的隔离，确保仿真系统PLC与地面测发控系统相对独立，保证系统工作的可靠性。PLC输出模块驱动继电器控制电路，输出相应的配电指示信号。

　　2.2时序仿真硬件设计

　　时序仿真系统通过继电器隔离电路接收触发信号，该触发信号为时序系统的时间零点，PLC从零点开始计时，在规定的时刻输出脉冲信号，并经时序信号电路转换成与系统信号相匹配的信号。

　　3.系统软件设计

　　仿真系统软件分为PLC软件和上位机软件，上位机与PLC之间采用以太网的UDP通讯协议。UDP通讯协议是基于网络OSI模型的传输层的，UDP协议又称用户数据帧协议，是用于计算机/工作站、网络链接的PLC之间数据传输，其特点是可以进行高速传输，但不能保证数据传输的可靠性。仿真系统PLC则使用了UDP通讯协议高速传输的优点，保证了上位机对PLC的实时监控。

　　仿真系统PLC将当前的工作状态通过UDP方式发送给上位机，上位机软件接收UDP数据包，并将数据包的信息显示在软件面板上，达到实时监控PLC的目的；同时上位C也可以通过以太网通讯向PLC发送控制指令，PLC接收到控制指令后执行相应的输出操作。

　　4.系统扩展应用

　　该系统还可以通过以太网光端机连接到远程控制计算机，实现远程控制与监视，即使不在现场也可以实时了解系统当前的工作状态。

　　5.结论

标签：控制仿真系统控制系统雷达进行数据调节时间