基于Matlab/Simulink的二階控制系統(tǒng)仿真研究

　　為了研究二階控制系統(tǒng)的性能，討論了二階控制系統(tǒng)參數(shù)ζ和ωn與單位階躍響應(yīng)的關(guān)系，并介紹了基于Matlab/Simulink軟件仿真環(huán)境，在單位階躍信號(hào)作用下，利用仿真實(shí)例很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)二階控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。該仿真具有直接觀察和分析二階控制系統(tǒng)輸出性能變化，同時(shí)充分體現(xiàn)利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真研究直觀和方便的特點(diǎn)。

　　0 引言

　　大部分實(shí)際控制工程都是復(fù)雜的高階系統(tǒng)，通?？蓪⑵浞纸鉃槿舾蓚€(gè)一階慣性環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)的疊加。在研究復(fù)雜控制系統(tǒng)的過程中，往往通過主導(dǎo)極點(diǎn)和偶極子相消的方法，將高階系統(tǒng)簡化為二階等低階系統(tǒng)的組合，再根據(jù)對(duì)二階控制系統(tǒng)輸出和性能的分析，對(duì)控制系統(tǒng)偏差進(jìn)行校正，從而獲得滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用要求的高階系統(tǒng)性能。因此，掌握二階控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性理論，構(gòu)建二階控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測試系統(tǒng)，可大大簡化系統(tǒng)分析，對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)具有重要作用。

　　Simulink 是一種以Matlab 為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析的軟件包，可以針對(duì)控制系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)建模、仿真、分析等工作，被廣泛應(yīng)用于線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。本文介紹基于Matlab/Simulink 仿真環(huán)境下，通過單位階躍信號(hào)作用，利用仿真實(shí)例對(duì)二階控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，直接觀察和分析二階控制系統(tǒng)輸出性能的變化，充分體現(xiàn)了Matlab/Simulink仿真直觀和方便的特點(diǎn)。

　　1 二階控制系統(tǒng)模型

　　能夠用二階微分方程描述的系統(tǒng)稱為二階控制系統(tǒng)。在控制工程實(shí)踐中，二階控制系統(tǒng)十分常見，例如，電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)，RLC網(wǎng)絡(luò)和彈簧-質(zhì)量-阻尼器組成的機(jī)械位移系統(tǒng)等。此外，許多高階系統(tǒng)在一定條件下，常常近似地作為二階控制系統(tǒng)來研究。因此，詳細(xì)討論和分析二階控制系統(tǒng)的特性，具有極為重要的實(shí)際意義。典型二階控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

　　式中：ζ為系統(tǒng)阻尼比;ωn為無阻尼自然振蕩角頻率，單位為rad/s.二階控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可由以上兩個(gè)參數(shù)描述。二階控制系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下，其輸出響應(yīng)可分為以下幾種情況：

　?。?）當(dāng)ζ=0時(shí)，二階控制系統(tǒng)為零阻尼狀態(tài)。系統(tǒng)有一對(duì)共軛虛根，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)為無阻尼等幅振蕩曲線。

　?。?）當(dāng)0《ζ《1 時(shí)，二階控制系統(tǒng)為欠阻尼狀態(tài)。系統(tǒng)的極點(diǎn)為共軛復(fù)數(shù)，位于S 左半平面。系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)兩部分組成，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為1，瞬態(tài)響應(yīng)為振蕩衰減過程，振蕩角頻率由阻尼比ζ和無阻尼自然振蕩角頻率ωn決定，并且隨著ζ的減小，其振蕩幅度加大。

　?。?）當(dāng)ζ=1時(shí)，二階控制系統(tǒng)為臨界阻尼狀態(tài)。系統(tǒng)具有兩個(gè)相同的實(shí)數(shù)極點(diǎn)，位于S 左半平面。系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)為無超調(diào)，無振蕩單調(diào)上升的曲線，不存在穩(wěn)態(tài)誤差。

　　（4）當(dāng)ζ》1時(shí)，二階控制系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)。系統(tǒng)具有兩個(gè)不等的實(shí)數(shù)極點(diǎn)，位于S左半平面，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)與臨界阻尼情況相似，為無超調(diào)，無振蕩單調(diào)上升的曲線，但它的過渡過程時(shí)間較之臨界阻尼更長。

　　2 二階控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與研究

　　2.1 二階控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　啟動(dòng)Matlab 7.04，進(jìn)入Simulink 仿真界面，根據(jù)二階控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)二階控制系統(tǒng)的Simu-link仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙擊各函數(shù)模塊，在出現(xiàn)的各參數(shù)對(duì)話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，仿真時(shí)輸入單位階躍信號(hào)，起始時(shí)間為0，分別改變?chǔ)豱 和ζ的值，點(diǎn)擊simula-tion菜單下的start命令進(jìn)行仿真，雙擊示波器模塊觀察仿真結(jié)果，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，再進(jìn)行分析ωn和ζ對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。