控制系統仿真

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控制系統仿真范文第1篇

線性最優控制理論線性最優勵磁控制器仿真

0引言

在線性最優控制理論中應用同步發電機勵磁控制的設計已引起了廣泛重視，它突破了古典控制理論單輸入、單輸出控制的局限，實現了全狀態量反饋的最優勵磁控制。線性最優勵磁控制器( LOEC)可以使遠距離輸電系統的靜穩定極限大為提高，同時改善了系統遭受小擾動時的阻尼特性。

1線性最優控制理論基礎

1.1線性最優控制原理

線性最優控制理論是現代控制理論中一個發展比較完善、應用較為廣泛的重要分支，其研究的中心問題是選擇最優控制規律，以使得控制系統在特定指標條件下的性能為最優。

2線性最優勵磁控制系統的數學模型

比較精確的同步發電機的數學模型是七階帕克(Park)模型，其中定子繞組二階、阻尼繞組二階、轉子運動方程二階、轉子繞組一階。由于定子繞組和轉子繞組的時間常數相對轉子繞組的減小，其動態過程衰減速度較快，在適時控制中可以忽略。為了容易實現并滿足實時控制的要求，建立線性最優勵磁控制系統的數學模型時通常進行如下簡化：

(1)忽略同步發電機的次暫態過程；

(2)忽略同步發電機定子回路及輸電線路的電阻；

(3)不計轉速變化對電磁過程的影響，近似用恒定阻尼系數D來反映機械阻尼轉矩的影響。簡化后，同步發電機可用三階狀態方程來描述。如果采用勵磁機則需要再增加一階方程，對于快速勵磁系統，則采用三階發電機狀態方程即可。下面，將以單機無窮大系統為例設計其全狀態量反饋的最優控制器。

3線性最優勵磁控制器的設計及仿真結果分析

A和B是由網絡參數和運行點所確定的系數矩陣。實際程序中選擇教材175頁例題所用數據進行仿真，仿真運行結果是：系統是穩定的，且是完全可控、完全可觀的。

仿真所得曲線如下：

從仿真結果可以看出,對于一般的擾動,最優勵磁控制具備了良好的電壓性能,并且表現了良好的動態特性。同時值得指出的是,線性最優勵磁控制具有全狀態量反饋,能夠保證系統在過渡過程中各狀態量對其穩態值的誤差平方的積分最小,所以對系統內的參數攝動不敏感,其控制效果不受振蕩頻率的影響。

參考文獻：

[1]盧強,王仲鴻,韓英鐸.輸電系統最優控制[M].北京:科學出版社, 1987.

控制系統仿真范文第2篇

關鍵詞：PLC；仿真控制系統；以太網

中圖分類號：TP2

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0072-02

運載火箭系統中，地面測試發射控制系統（以下簡稱測發控系統）用于完成對運載火箭各分系統測試、總檢查、射前檢查和發射控制任務，直接關系到最終發射任務的成敗，考核測發控系統的可靠性顯得尤為重要，這就需要一套模擬箭上設備的仿真控制系統來完成對測發控系統的考核測試。近年來，運載火箭發射任務密度越來越高，原有的仿真控制系統已經無法滿足系統測試短進度、高效率的要求。高集成度、高智能化是當前仿真控制系統最為重要的系統性能指標。本文將介紹PLC技術在仿真控制系統中的應用。

1.系統組成及功能

1.1系統組成

PLC作為一種通用的工業控制器，它必須能夠在各種不同的工業環境中正常工作。對工作環境的要求較低，抗外部干擾能力強，平均無故障工作時間（MTBF）長是PLC在各行業得到廣泛應用的重要原因之一。

仿真控制系統由信號調理單元、PLC和工業計算機組成。信號調理單元由繼電器控制板和時序信號板組成，是仿真控制系統與地面測發控系統的接口環節，一方面將地面測發控系統發出的指令信號隔離轉換成與PLC接口相匹配的信號，另一方面將PLC的輸出信號隔離轉換成與箭地接口相一致的信號供測發控系統測量。PLC通過以太網與工業計算機（即上位機）連接，用戶可通過上位機軟件實時監視PLC的運行狀態。

1.2系統功能

仿真控制系統主要模擬火箭的供配電系統和時序指令系統，供配電仿真系統模擬火箭供配電邏輯，考核驗證地面測發控系統對箭的供配電功能。時序仿真系統模擬火箭時序指令，考核驗證地面測發控系統的時序指令測試功能。

2.系統硬件設計

2.1供配電仿真硬件設計

由繼電器隔離電路完成供配電指令信號與PLC輸入模塊的隔離，確保仿真系統PLC與地面測發控系統相對獨立，保證系統工作的可靠性。PLC輸出模塊驅動繼電器控制電路，輸出相應的配電指示信號。

2.2時序仿真硬件設計

時序仿真系統通過繼電器隔離電路接收觸發信號，該觸發信號為時序系統的時間零點，PLC從零點開始計時，在規定的時刻輸出脈沖信號，并經時序信號電路轉換成與系統信號相匹配的信號。

3.系統軟件設計

仿真系統軟件分為PLC軟件和上位機軟件，上位機與PLC之間采用以太網的UDP通訊協議。UDP通訊協議是基于網絡OSI模型的傳輸層的，UDP協議又稱用戶數據幀協議，是用于計算機/工作站、網絡鏈接的PLC之間數據傳輸，其特點是可以進行高速傳輸，但不能保證數據傳輸的可靠性。仿真系統PLC則使用了UDP通訊協議高速傳輸的優點，保證了上位機對PLC的實時監控。

仿真系統PLC將當前的工作狀態通過UDP方式發送給上位機，上位機軟件接收UDP數據包，并將數據包的信息顯示在軟件面板上，達到實時監控PLC的目的；同時上位C也可以通過以太網通訊向PLC發送控制指令，PLC接收到控制指令后執行相應的輸出操作。

4.系統擴展應用

該系統還可以通過以太網光端機連接到遠程控制計算機，實現遠程控制與監視，即使不在現場也可以實時了解系統當前的工作狀態。

控制系統仿真范文第3篇

一、消防閥門生產線控制系統的組成及原理

1.生產線系統的組成

自動消防閥門的生產是以閥門體自動生產，輔助其他構成零件階段生產的生產模式，閥門體自動生產是核心。自動線是利用PLC把各部分的動作按要求協調起來，形成自動生產過程，核心是機械動作和自動控制有機結合；利用交流伺服電動機形成閉環控制。

送料裝置由機械系統結構、驅動單元和控制單元三部分組成。機械系統結構由開卷機、送料機、鏈傳動機構等組成；控制系統由PLC、觸摸屏(HMI)、交流伺服系統和沖擊汽缸等組成；開卷機把鋼卷展開，通過送料機把展開的鋼板校平后送到下一道工序，進行去角、切口、沖孔、下料四個工步，再由輸送裝置送到下一道工序進行翻邊、折彎、最后鉚接成型。生產線由PLC進行集中控制，使各設備（如開卷機、校平機、沖擊汽缸等）協調運行；利用觸摸屏(HMI)的良好人機界面，對PLC中的數據進行實時顯示、記錄，并控制整個系統運行。

2.各工位自動控制原理

以沖孔工位為例說明，其他工位（沖三角工位、沖一字口工位、切斷／裁邊工位）自動控制原理基本一樣。根據產品設計圖樣，決定各個沖孔動作距電氣零點的距離，在HMI上設定實際伺服電動機的脈沖數，在本次伺服電動機定位完成后，即沖孔位置已經達到沖頭下時，伺服電動機延時停止，PLC使電磁閥通電，沖擊汽缸以高速推動沖頭，沖出一個孔。在沖擊汽缸到達最高速后（沖孔完成后），位置開關動作，PLC使電磁閥斷電，汽缸回位，完成一個工位的控制，這樣汽缸的減速行程和反彈行程減為0，提高了沖孔質量。

二、閥門生產線的硬件設計

閥門生產線控制系統的控制任務為：根據轉速信號，驅動伺服電動機在給定轉速下可靠運行，通過傳感器對伺服電動機的監測，確保伺服電動機安全運行，并應具備良好的人機界面。為了滿足上述要求，采用可編程序控制器作為控制器，在閥門生產線控制系統中，需要48個輸入點，40個輸出點，控制一個交流伺服電動機；根據要求的

I／O點數再加上20%～30%的備用量，確定PLC點數；根據以上要求，選用三菱電動機的三菱FX2N-48MR可編程序控制器，其配置主要包括CPU模塊、數字量輸入模塊(DI)、數字量輸出模塊(DO)、模擬量輸入模塊(AI)、模擬量輸出模塊(AO)以及電源模塊。觸摸屏主要用于PLC的監視與控制，可以通過其顯示屏，以形象的文字、指示燈、動畫、曲線等形式監視PLC內部寄存器或繼電器的數值及狀態。與此同時，也可以通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤等）向PLC寫入工作參數或輸入操作命令，從而使操作人員能夠自如地控制機器設備。根據上述要求，本控制系統采用了SIEMES公司的SIMATICTP170B觸摸屏；人機設備和下位機的通信是通過PC／MPI適配器和RS232電纜來實現的。

三、Simulink仿真

設計工作完成以后，可以利用計算機把數學模型在各種信號及擾動作用下的響應進行測試分析，確定所設計的系統性能是否符合要求，并且加以修正使其進一步完善，以尋求達到最佳的控制效果。 Simulink是MathWorks公司于1990年推出的產品，主要用于在Matlab下建立系統框圖和仿真環境，可以實現動態系統的建模、仿真與分析。

1.控制系統數學模型的確定

數學模型主要的表現形式是系統的傳遞函數，目前主要的幾種傳遞函數有以下幾種：

有延遲的一階慣性環節：

(1)

有延遲的二階慣性環節：

(2)

有延遲的n階慣性環節：

(3)

對于一般的工業控制系統，并不要求非常精確的被控對象模型，因此在滿足精度要求的情況下，常采用低階傳遞函數來擬合被控對象。根據實際生產線控制系統的特點，本文選用一階的傳遞函數。由交流伺服電動機的參數可知傳遞函數為

PID控制是工程實踐中應用最廣泛的一種控制規律，它將偏差的比例、積分和微分通過線性組合來構成控制量，對被控對象進行控制。

PID控制規律為：

(4)

式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，是控制器的輸入；Kp為比例系數，無量綱；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

寫成傳遞函數的形式為:

(5)

PID控制器各環節中的比例環節，成比例反映控制系統的偏差信號，偏差一旦出現，控制器立刻產生作用，以減小偏差。積分環節用于消除靜差，積分作用的強弱主要取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環節反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差變得太大之前，在系統中引入一個有效的修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調整時間。

2.仿真結果

將實際參數代入伺服電動機模型中，用Simulink對速度系統進行仿真的結構圖如圖1所示。

圖1伺服電動機系統的仿真結構圖

對伺服電動機系統模型進行了仿真，仿真采用Simulink提供的ode45算法，采樣頻率為1000Hz。施加幅值為1r／min的階躍信號，得到系統的響應曲線，如圖2所示。圖中曲線1為未施加PID控制的響應曲線，曲線2為施加PID控制的響應曲線，P取為3。

圖2所示的是控制系統在PID控制器作用下的單位階躍響應，仿真結果表明，未施加PID控制的響應曲線，調整時間1.3s(Δ=0.05)。采用PID控制，顯示出好的單位階躍響應，上升時間0.45s，調整時間0.75s(Δ=0.05），有更快的動態響應特性。

正常生產時，電動機速度為1500r／min，啟動時速度變化如圖3所示，從圖3可以看出，速度變化趨勢呈線性化，滿足生產要求。生速時間小于6s，有更高的穩定性，誤差小于0.01s。

圖2階躍響應曲線圖

圖3實測速度趨勢圖

但由于參數誤差以及忽略了一些非線性因素的影響，仿真結果和實際系統相比較還是有一些微小的差別的，但從整體看來所建立的模型的響應特性和實際系統的響應特性十分接近。

控制系統仿真范文第4篇

一、汽車駕駛控制系統建模

汽車駕駛控制系統是典型的反饋控制系統，是整個汽車的核心部分。其主要目的就是對汽車行駛的速度進行合理控制，系統的主要工作原理是：速度操縱機構的位置改變，用以設置汽車行駛的速度；測量汽車的當前速度，并求取它與指定速度的差值；由速度差值信號驅動汽車產生相應的牽引力，并由此牽引力改變汽車的速度直到其速度穩定在指定的速度為止。

1.系統數學模型

（1）速度操縱機構的位置變換器。位置變換器是汽車駕駛控制系統的輸入部分，目的是將速度操縱機構的位置轉換為相應的速度，它們的數學關系如下：

v=ax+b,x∈[0,1]

其中，c為速度操縱機構的位置，v為與之相應的速度，a,b為常數。

（2）行駛控制器。行駛控制器是整個控制系統的核心部分，其功能是根據汽車當前速度與指定速度的差值，產生相應的牽引力。行駛控制器為一典型的PID控制器，其數學表述為：

積分環節：x(n)=x(n-1)+u(n)

微分環節：d(n)=u(n)-u(n-1)

系統輸出：y(n)Pu(n)+Ix(n)+Dd(n)

其中，u(n)為系統的輸入，相當于汽車當前速度與指定速度的差值；y(n)為系統的輸出，相當于汽車的牽引力； x(n)為系統中的狀態。P、I、D為PID控制器的比例、積分與微分控制參數。

（3）汽車動力機構。汽車動力機構是行駛控制系統的執行機構，其功能是在牽引力的作用下改變汽車速度，使其達到指定的速度。牽引力與速度之間的數學表述為：

F=mv?+bv

其中，F為汽車的牽引力，m為汽車的質量，v為汽車速度，b為阻力因子。

2.系統仿真模型

按照上述的汽車駕駛控制系統的數學模型，在MATLAB中分別建立汽車位置變換器、行駛控制器、汽車動力機構的Simulink仿真子模型；然后，建立整個汽車駕駛控制系統的仿真模型。

二、系統參數設置與仿真分析

1.參數設置

在建立系統仿真模型后，就可按照系統的要求，設置系統的模塊參數和仿真參數如下：

（1）速度操縱機構的位置變速器。Slider Gain模塊作用是對位置變速器的輸入信號x的范圍進行限制，其參數最小值設為0、最大值設為1，初始值設為0.55；Gain模塊，增益取值設為50；Constant1模塊，常數取值設為45。

（2）汽車動力機構子系統模型。Gain模塊取值為1/m，設為1/1000；Gain1模塊取值為b/m，設為20/1000；Integrator積分模塊是用來汽車動力機構，初始狀態設為0，即汽車初速度值為0。

（3）行駛控制器子系統模型。Delay模塊用來實現行駛控制器（即PID控制器），初始狀態設為0，采樣時間設為0.02s。

系統仿真時間范圍設置為從0到500s，選擇變步長連續求解器，系統其他模塊及仿真參數均使用MATLAB默認取值。

2.系統定量仿真及分析

建立汽車駕駛控制系統的目的就是使汽車的速度在較短的時間內平穩地達到指定的速度。根據上述建立的仿真模型及參數設置，對系統進行定量仿真分析。使用兩組不同的PID控制參數，對系統進行定量仿真。從仿真結果可以看出，當汽車駕駛控制參數P=1、I=0.01、D=0時，汽車的速度并非直接達到指定速度，而是經過一個振蕩衰減過程，最后逐漸過渡到指定速度；從參數P=5、I=0.005、D=2時的仿真結果可以看出，適當增加控制器的P、D值，減小I值可以改善系統的性能。

3.系統定性仿真分析

行駛控制器是汽車駕駛控制系統中最重要的部分，行駛控制器是一個典型的PID反饋控制器。從系統定量仿真及分析得知，增加控制器的P、D值，減小I值可以改善系統的性能。筆者下面通過對PID值定性研究，分析對系統性能的動態影響。

為動態研究比例環節P值對系統性能的影響，編寫MATLAB函數Vary_P.m如下：（此處I、D值固定，I=0.01，D=0）

for p=0:5:25 %設置比例環節p的不同取值；

[t,x,y]=sim(‘bus_driving_system’)%對系統仿真

subplot(3.2,p/5+1) %繪制系統仿真結果

plot(t,y)

ylabel([‘P=’,num2str(p)])

end

在MATLAB命令窗口下執行函數Vary_P.m將得到仿真結果，從中可以看出：對于取值較大的比例調節器P，汽車速度的過渡時間較小，且變化平穩（仿真結果曲線無振蕩且光滑）。由此可以得出，增加比例調節器的取值，可以有效改善汽車駕駛控制系統的動態性能。

同理，為動態研究微分環節D值對系統性能的影響，編寫MATLAB函數Vary_D.m如下：（此處P、I值固定，I=0.01，P=1）

for d=0:5:25 %設置微分環節D的不同取值

[t,x,y]=sim(‘bus_driving_system’)%對系統仿真

subplot(3.2,d/5+1) %繪制系統仿真結果

plot(t,y)

ylabel([‘D=’,num2str(d)])

end

在MATLAB命令窗口下執行函數Vary_D.m將得到仿真結果。從中可以看出，隨著微分比例環節D值的變化，汽車的速度都要經歷一個振蕩衰減過程才能逐漸過渡到指定的速度。由此可以得出，增加微分調節器的取值，對改善汽車駕駛控制系統的動態性能影響不大。

同理，為動態研究積分環節I值對系統性能的影響，編寫MATLAB函數Vary_I.m如下：（此處P、D值固定，D=0，P=1）

m=0 %控制所有圖繪制在一個窗口

for i=0.005:0.005:0.3 %設置積分環節D的不同取值

[t,x,y]=sim(‘bus_driving_system’) %對系統仿真

subplot(3,2,m/5+1) %繪制系統仿真結果

plot(t,y)

ylabel([‘I=’,num2str(i)] )

m=m+5

end

在MATLAB命令窗口下執行函數Vary_I.m將得到仿真結果。從中可以看出，隨著微分比例環節I值的增大，汽車的速度要經歷一個比較大的振蕩衰減過程才能逐漸過渡到指定的速度。由此可以得出，減小積分調節器的取值能有效改善汽車駕駛控制系統的動態性能影響。

控制系統仿真范文第5篇

關鍵詞：電梯控制系統 PLC技術 設計與仿真

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0058-03

電梯控制系統的發展伴隨著現階段我國高層建筑的普及式發展而來，對于電梯控制系統的設計也在不斷優化、完善，實現更新換代。最初對于電梯系統實現控制的是繼電器組成的順序控制系統，該系統中暴露的諸如高故障率等問題也促使控制系統的繼續完善優化；微機控制系統的發展建立在繼電器控制系統之上，雖然在智能控制方面有較強大的功能，但也存在抗干擾性差，系統設計較復雜等問題，限制了微機控制系統應用的廣泛性。90年代以來，可編程序控制器（PLC）作為一種基于順序邏輯控制的需要逐漸發展起來，逐漸廣泛應用于現階段的電梯控制系統中。現在PLC技術的使用極大地方便了電梯系統的安全運行。PLC技術結合變頻調速技術已經在現代電梯的使用中發揮了重要的作用。

1 PLC應用于電梯控制系統的優勢與功能實現

1.1 PLC技術概述

可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller），是結合了現在的多種計算機技術、自動化技術和微處理技術發展出來的一種可以進行編輯的邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲器，主要結構構成包括電源、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、功能模塊以及通信模塊，進行內部程序的存儲，邏輯運算的執行，順序控制，計數與算術操作等面向用戶的指令，并且會利用數字或者是模擬進行各種數據的交換進而控制各類機械的生產和過程。PLC控制系統以其運行可靠性高，安裝維護便捷，抗干擾能力強以及設計和調試周期較短等優點，廣泛應用于工業控制領域。

1.2 PLC在電梯控制系統中的優勢

（1）將PLC技術引入電梯控制系統應用中，可以實現電梯系統的自控程度及精度，提升控制系統的抗干擾能力及可靠性。

（2）由于系統去掉了選層器及大部分繼電器，使得控制系統結構及外部線路進一步簡化，體積變小。

（3）PLC的功能是很強大的，對于復雜的控制系統PLC都可以滿足其要求，可以根據需求很自由地增加或者改變各種功能。

（4）PLC可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，安裝維護便捷，易于檢修且更改控制方案時不需改動硬件接線。

（5）適用于群控調配和管理，一定程度上可以提高電梯運行效率，在此基礎之上所運行的電梯裝置有著更為安全、方便及舒適的特點。

1.3 功能要求

基于PLC的電梯控制系統的功能要求主要包括以下幾方面。

（1）應用電動機部分去完成電梯的升降功能，并且在相應的樓層里安裝可以進行上下操作的按鈕開關。

（2）電梯可以及時地做出相應的動作。當電梯在運行的過程中有乘客在某一樓層按下了上行或者下行按鈕的時候，控制系統要保證電梯在延時的情況下可以正常地打開電梯門。除此之外，在電梯完成了上一個指令以后在沒有任何樓層輸入上行或者下行的指令時要保證電梯及時地完成梯門的自動關閉動作。

（3）在電梯的運行過程中不可避免地會在同一個時間內接受到很多不同的信號，此時控制系統要自動地做出相應的處理進而保證電梯的正常運行，確保每個動作都是有效的。

1.4 異步電動機變頻調速的節能原理

想要實現變頻調速是有一定的條件的，它是要以變頻器為基礎并由變頻器給交流電動機提供電量進而形成開環或者閉環的系統。為了謹防在生產過程中出現什么突發的情況，需要在各種設計機械分配動力驅動的時候都要留出一定的富余量。要盡量避免電機在滿負荷下工作除非特殊情況下有特殊的要求，在滿負荷下會產生多余的力矩進而加大功率的消耗給電能造成了很大的損失，除此之外在電壓很高的情況下還會有可能降低電機的運行速度，所以要盡可能地使電機在恒壓下工作，與此同時還節省了電能。

2 電梯控制系統設計

現在的電梯控制系統是很復雜的，它結合了當今先進技術，是機械和電氣結合的結果。如今的電梯控制系統主要有3種方式：繼電器-接觸器控制、PLC控制、計算機控制。在早些的時候多采用的是第一種，但是由于其具有很多的缺點而被最終淘汰，比如發生故障的頻率很高并且維修起來很困難且運行不穩定等。計算機控制功能很強大但是由于其設計系統很復雜所以其自身的抵抗干擾的能力很差，一旦發生故障維修起來比較麻煩，除此之外，其設計系統的費用也是很高的，這種系統一般用于智能化很高的系統之中。

但是隨著PLC技術的不斷成熟，其在我們的生活中得到了越來越廣泛的應用。PLC控制系統具有很多的優點，其性能是很穩定的，結構也很簡單便于維護和維修，其編程和修改也很方便，并且運用于電梯控制系統中可以滿足電梯系統的要求，所以逐漸地取代了老式的電梯控制系統。

電梯控制系統的主要結構如圖1所示，我們選取了3層作為實例。電動機是電梯系統的動力來源。為了使電梯能夠承受更大的重量，我們在鋼絲繩的另一端加裝了配重而另一點端是橋廂，配重會根據電梯的重量發生相應的變化。