1、第 I 页 共页基于 MATLAB/Simulink 控制系统的设计与仿真摘要本文结合目前构建控制系统的常用方法，以无刷直流电机为被控对象，设计出的三套控制系统，即PID 控制系统、模糊控制系统和(CMAC)小脑神经网络PID控制系统，并利用MATLAB/Simulink分别对三套控制系统进行了仿真。论文中详细阐述了三种控制系统的设计思想，通过对仿真结果的分析，比较并总结了三种控制方法的控制特点。本文选取的研究对象是无刷直流电机，它是现在比较流行的一种电机，具有很深的研究意义。本文中控制系统设计过程的仿真结果也表明，关于该控制系统的研究具有广泛的前景。关键字： MATLAB，无刷直流电机，PI
2、D 控制，模糊控制，小脑神经网络第 II 页 共页Design and simulation of control system based on MATLAB/SimulinkAbstrctThis article unifies to construct the control system the commonly used method at present. It take Brushless direct current machine as the accusation object, designs three set of control systems,that are P
3、ID control system, fuzzy control system and (CMAC) cerebellum neural network PID control system,and it has separately carried on the simulation using MATLAB/Simulink to three set of control systems. In the paper elaborated in detail three kind of control system design concept, through to the simulat
4、ion result analysis, compared with and summarized three kind of control method control characteristic.This article selects the object of study Brushless direct current machine, it is the present quite popular one kind of electrical machinery, the research has the very deep significance.In this artic
5、le the control system design process simulation result also indicated that, this control system simulation has the widespread prospect.KEY WORDS: MATLAB,Brushless Direct Current, PID Control，fuzzy Control，CMAC第 III 页 共 页目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 控制论概述 .11.3 MATLAB 应用现状 .21.4 本论文主要的工作 .22 控制系统理论研究 .42.1
6、 控制系统发展阶段与应用 .42.1.1 控制理论的三个发展阶段 .42.1.2 控制系统研究的意义和应用 .42.2 三代控制系统理论阐述 .42.2.1 经典控制系统理论 .42.2.2 现代控制系统理论 .52.2.3 智能控制系统理论 .63 MATLAB 在控制系统仿真中的应用 .83.1 MATLAB 概论 .83.1.1 MATLAB 的发展历史 .83.1.2 MATLAB 系统基本组成和特点 .83.2 动态系统仿真工具 SIMULINK .93.1.1 Simulink 简介 .93.1.2 Simulink 实用特点 .103.3 MATLAB/SIMULINK在控制工程
7、方面的应用 .113.3.1MATLAB 在控制系统中的应用 .113.3.2 Simulink 建模及其应用意义 .124 基于 MATLAB/SIMULINK 控制系统仿真研究 .154.1 被控对象建模 .154.1.1 无刷直流电机工作原理 .154.1.2 系统建模的基本原理 .164.1.3 建立控制系统数学模型 .174.2 基于 MATLAB/SIMULINK的简单控制系统的研究 .184.3 基于 MATLAB/SIMULINKPID 控制系统的设计与仿真 .194.4 基于 MATLAB/SIMULINK模糊控制系统的设计与仿真 .214.4.1 模糊控制框图的建立 .21
8、4.4.2 模糊控制器的设计 .224.4.3 模糊控制系统的仿真 .234.5 基于(CMAC)小脑神经网络控制系统的设计与仿真 .264.5.1 人工神经网络简介 .264.5.2 神经网络控制原理 .264.5.3 CMAC 控制系统的建立与仿真 .275 总结 .30第 IV 页 共 页5.1 仿真结论总结 .305.2 调试过程中存在的不足与对未来的展望 .30参考文献 .32致 谢 .33第 1 页 共 33 页1 绪论1.1 引言在现代的工业、农业、国防和科学技术领域中，自动控制技术得到了广泛的应用。 “控制”的定义是：为了“改善”某个或某些受控对象的功能和发展，需要获得并使用信
9、息，以这种信息为基础而选出的加于该对象上的作用，就叫作控制。由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗地说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的 1。1.2 控制论概述控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨共同具有的信息交换、反馈调节、
10、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法 5控制论创始人维纳在他的控制论中标明，控制论是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学” 2。控制论一词 Cybernetics，来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义，维纳以它作为自己创立的一门新学科的名称，正是取它能够避免过分偏于哪一方面， “不能符合这个领域的未来发展”和“纪念关于反馈机构的第一篇重要论文”的意思 3。自动控制是指应用自动化仪表或自动控制装置代替人自动的对仪表设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业
11、生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要 4。控制论的研究表明，无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的质态特点，都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转，维持自身的稳定和系统的目的功能。第 2 页 共 33 页控制机构发出指令，作为控制信息传递到系统的各个部分（即控制对象）中去，由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来，并作为决定下一步调整控制的依据。1.3 MATLAB 应用现状MATLAB 是当今国际社会最为流行的科学与工程软件之一，以
12、其模块化的计算方法、可视化与智能化的人机交互功能、丰富的矩阵运算、图形绘制和数据处理函数，以及模块化图形组态的动态系统仿真工具 Simulink，成为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统 5。Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被
13、要求应用于 Simulink6。Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中 9。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率 7。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的
14、仿真结果。1.4 本论文主要的工作针对控制系统的设计研究对象的问题，本论文选取时下热门的直流无刷电机作为被控对象，建立电机控制系统，利用 MATLAB/simulink 对该电机的控制系统进行设计和仿真。无刷直流电机原理与有刷电动机相同,但无刷电机是通过电路来换向的。无刷直流电机可以归为直流电动机的一种;它又可属于交流同步电动机的一种。80年代以来，出现了一种新型的永磁无刷电动机，它的结构形式和无刷直流电动机第 3 页 共 33 页一样。无刷直流电动机在家用电器,计算机外围设备,声像设备,办公设备和电动车及工业控制方面都有应用,可以预计,随着无刷直流电机控制技术的不断进步,今后它在其他领域特别
15、是在大功率场合的推广应用会更加广泛。被控对象选择以后，接下来就是明确研究内容，本论文具体研究工作如下：(1) 根据无刷直流电动机的工作原理，建立其数学模型；(2) 了解经典控制系统、现代控制系统及智能控制系统的基本内容，设计并改进简单的控制系统；(3) 用MATLAB/Simulink 进行电机控制系统的建立和仿真。在以上过程中对相关资料进行了大量的查阅并翻译了部分的外文文献。第 4 页 共 33 页2 控制系统理论研究2.1 控制系统发展阶段与应用2.1.1 控制理论的三个发展阶段利用控制装置自动地操纵受控对象（机器设备或生产过程） ，使其具有给定的状态或性能，称为自动控制 8。自动控制理论
16、是自动控制科学的核心，自创立至今已经过了三代的发展：第一代为 20 世纪初开始形成并于 20 世纪 50 年代成熟的经典反馈控制理论；第二代为 20 世纪 50 到 60 年代在线性代数的基础上形成的现代控制理论；第三代为 20 世纪 60 年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。三种控制理论各有其优缺点和适用范围，如果能够取长补短，则必然能够扩大其应用的范围，因而是控制理论的发展方向。2.1.2 控制系统研究的意义和应用控制系统已经成为现代科学方方面面的应用中不可缺少的重要部分，在现在的工业、农业、国防和科学技术
17、领域中，自动控制技术得到了广泛的应用。将自动控制系统用于生产，可以提高劳动生产率，改进产品质量，降低生产成本，改善生产条件和加强企业管理。将自动控制系统应用于国防领域，可提高部队战斗力，促进国防现代化。自动控制技术在探索新能源、发展空间技术、改善人们生活以至处理经济、社会问题等方面都起着日益重要的作用。控制系统的适用范围很广，从地下、水面、海洋到高空、太空以至原子能反应堆等地方都在使用，而且工作环境条件常常十分复杂，如高温、低温、烟雾、潮湿、冲击、振动、辐射等，这些环境下，控制系统应用硬件仍能准确、高效、可靠地完成工作。很多实用东西，还要求控制硬件体积小、重量轻、耗电少，所以控制系统在当今生活
18、中可谓无处不在，对自动控制相关专业的学生来说，学好控制学对以后的生活和工作有很大的帮助 9。2.2 三代控制系统理论阐述2.2.1 经典控制系统理论经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。其特点是以输入输出特性（传递函数）为系统数学模型，采用频率响应第 5 页 共 33 页法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频率域方法 8。经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性、控制系统的设计原理和校正方法。经典控制理论包括线性控制理论、采样控制理论、非线性控
19、制理论三个部分。早期,这种控制理论常被称为自动调节原理,随着以状态空间法为基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成，开始广为使用现在的名称。英国科学家 J.C.麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定现象，指出振荡现象的出现同由系统导出的一个代数方程根的分布形态有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统中运动现象的途径。英国数学家 E.J.劳思和德国数学家 A.胡尔维茨推进了麦克斯韦的工作，独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则 10。美国物理学家 H.奈奎斯特运用复变函数理论的方法建立了根据频率响应判断反馈系统稳定性的准则。这种方法比当时流行的基于微分方程的分析
20、方法有更大的实用性，也更便于设计反馈控制系统。奈奎斯特的工作奠定了频率响应法的基础。随后，H.W.波德和 N.B.尼科尔斯等进一步将频率响应法加以发展，使之更为成熟，经典控制理论遂开始形成。40 年代末和 50 年代初，频率响应法和根轨迹法被推广用于研究采样控制系统和简单的非线性控制系统，标志着经典控制理论已经成熟。经典控制理论在理论上和应用上所获得的广泛成就，促使人们试图把这些原理推广到像生物控制机理、神经系统、经济及社会过程等非常复杂的系统，其中美国数学家 N.维纳出版的控制论最为重要和影响最大 11。经典控制理论在解决比较简单的控制系统的分析和设计问题方面是很有效的，至今仍不失其实用价值
21、。存在的局限性主要表现在只适用于单变量系统，且仅限于研究定常系统。2.2.2 现代控制系统理论现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。它以状态变量概念为基础，利用现代数学方法和计算机来分析、综合复杂控制系统的新理论，适用于多输入、多输出，时变的或非线性系统。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量第 6 页 共 33 页的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统 12。现代控制理论所包含的学科内容十分广
22、泛,主要的方面有:线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论 13。(1) 线性系统理论 现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，它通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是旺纳姆;基于抽象代数方法的代数理论,代表人物是卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是罗森布罗克。(2) 非线性系统理论 非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。
23、从 70 年代中期以来，由微分几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。(3) 最优控制理论 它是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最优控制系统的主要方法有极大值原理和动态规划。最优控制理论的研究范围正在不断扩大，诸如大系统的最优控制、分布参数系统的最优控制等。(4)随机控制理论 目标是解决随机控制系统的分析和综合问题。维纳滤波理论和卡尔曼-布什滤波理论是随机控制理论的基础。随机控制理论的主要组成部分是随机最优控制，随机控制问题的求解有赖于动态规划的概念和方法。(5) 适应控制理论 适应控制系统是在模仿生物适应能力的思想基础上建立的一类可自动调整本身特性的控制系统。适应控制系统的研究常可归结为如下的三个基本问题：识别受控对象的动态特性；在识别对象的基础上选择决策；在决策的基础上做出反应或动作。2.2.3 智能控制系统理论在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。随着人工智能和计算机技术的发展，已经有可能把自动控制和人工智能以及系统科学中一些有关学科分支结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。
