控制系统仿真

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控制系统仿真范文第1篇

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.

控制系统仿真范文第2篇

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。

控制系统仿真范文第3篇

一、消防阀门生产线控制系统的组成及原理

1.生产线系统的组成

自动消防阀门的生产是以阀门体自动生产，辅助其他构成零件阶段生产的生产模式，阀门体自动生产是核心。自动线是利用PLC把各部分的动作按要求协调起来，形成自动生产过程，核心是机械动作和自动控制有机结合；利用交流伺服电动机形成闭环控制。

送料装置由机械系统结构、驱动单元和控制单元三部分组成。机械系统结构由开卷机、送料机、链传动机构等组成；控制系统由PLC、触摸屏(HMI)、交流伺服系统和冲击汽缸等组成；开卷机把钢卷展开，通过送料机把展开的钢板校平后送到下一道工序，进行去角、切口、冲孔、下料四个工步，再由输送装置送到下一道工序进行翻边、折弯、最后铆接成型。生产线由PLC进行集中控制，使各设备（如开卷机、校平机、冲击汽缸等）协调运行；利用触摸屏(HMI)的良好人机界面，对PLC中的数据进行实时显示、记录，并控制整个系统运行。

2.各工位自动控制原理

以冲孔工位为例说明，其他工位（冲三角工位、冲一字口工位、切断／裁边工位）自动控制原理基本一样。根据产品设计图样，决定各个冲孔动作距电气零点的距离，在HMI上设定实际伺服电动机的脉冲数，在本次伺服电动机定位完成后，即冲孔位置已经达到冲头下时，伺服电动机延时停止，PLC使电磁阀通电，冲击汽缸以高速推动冲头，冲出一个孔。在冲击汽缸到达最高速后（冲孔完成后），位置开关动作，PLC使电磁阀断电，汽缸回位，完成一个工位的控制，这样汽缸的减速行程和反弹行程减为0，提高了冲孔质量。

二、阀门生产线的硬件设计

阀门生产线控制系统的控制任务为：根据转速信号，驱动伺服电动机在给定转速下可靠运行，通过传感器对伺服电动机的监测，确保伺服电动机安全运行，并应具备良好的人机界面。为了满足上述要求，采用可编程序控制器作为控制器，在阀门生产线控制系统中，需要48个输入点，40个输出点，控制一个交流伺服电动机；根据要求的

I／O点数再加上20%～30%的备用量，确定PLC点数；根据以上要求，选用三菱电动机的三菱FX2N-48MR可编程序控制器，其配置主要包括CPU模块、数字量输入模块(DI)、数字量输出模块(DO)、模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)以及电源模块。触摸屏主要用于PLC的监视与控制，可以通过其显示屏，以形象的文字、指示灯、动画、曲线等形式监视PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。与此同时，也可以通过输入单元（如触摸屏、键盘等）向PLC写入工作参数或输入操作命令，从而使操作人员能够自如地控制机器设备。根据上述要求，本控制系统采用了SIEMES公司的SIMATICTP170B触摸屏；人机设备和下位机的通信是通过PC／MPI适配器和RS232电缆来实现的。

三、Simulink仿真

设计工作完成以后，可以利用计算机把数学模型在各种信号及扰动作用下的响应进行测试分析，确定所设计的系统性能是否符合要求，并且加以修正使其进一步完善，以寻求达到最佳的控制效果。 Simulink是MathWorks公司于1990年推出的产品，主要用于在Matlab下建立系统框图和仿真环境，可以实现动态系统的建模、仿真与分析。

1.控制系统数学模型的确定

数学模型主要的表现形式是系统的传递函数，目前主要的几种传递函数有以下几种：

有延迟的一阶惯性环节：

(1)

有延迟的二阶惯性环节：

(2)

有延迟的n阶惯性环节：

(3)

对于一般的工业控制系统，并不要求非常精确的被控对象模型，因此在满足精度要求的情况下，常采用低阶传递函数来拟合被控对象。根据实际生产线控制系统的特点，本文选用一阶的传递函数。由交流伺服电动机的参数可知传递函数为

PID控制是工程实践中应用最广泛的一种控制规律，它将偏差的比例、积分和微分通过线性组合来构成控制量，对被控对象进行控制。

PID控制规律为：

(4)

式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为偏差，是控制器的输入；Kp为比例系数，无量纲；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

写成传递函数的形式为:

(5)

PID控制器各环节中的比例环节，成比例反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立刻产生作用，以减小偏差。积分环节用于消除静差，积分作用的强弱主要取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差变得太大之前，在系统中引入一个有效的修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调整时间。

2.仿真结果

将实际参数代入伺服电动机模型中，用Simulink对速度系统进行仿真的结构图如图1所示。

图1伺服电动机系统的仿真结构图

对伺服电动机系统模型进行了仿真，仿真采用Simulink提供的ode45算法，采样频率为1000Hz。施加幅值为1r／min的阶跃信号，得到系统的响应曲线，如图2所示。图中曲线1为未施加PID控制的响应曲线，曲线2为施加PID控制的响应曲线，P取为3。

图2所示的是控制系统在PID控制器作用下的单位阶跃响应，仿真结果表明，未施加PID控制的响应曲线，调整时间1.3s(Δ=0.05)。采用PID控制，显示出好的单位阶跃响应，上升时间0.45s，调整时间0.75s(Δ=0.05），有更快的动态响应特性。

正常生产时，电动机速度为1500r／min，启动时速度变化如图3所示，从图3可以看出，速度变化趋势呈线性化，满足生产要求。生速时间小于6s，有更高的稳定性，误差小于0.01s。

图2阶跃响应曲线图

图3实测速度趋势图

但由于参数误差以及忽略了一些非线性因素的影响，仿真结果和实际系统相比较还是有一些微小的差别的，但从整体看来所建立的模型的响应特性和实际系统的响应特性十分接近。

控制系统仿真范文第4篇

一、汽车驾驶控制系统建模

汽车驾驶控制系统是典型的反馈控制系统，是整个汽车的核心部分。其主要目的就是对汽车行驶的速度进行合理控制，系统的主要工作原理是：速度操纵机构的位置改变，用以设置汽车行驶的速度；测量汽车的当前速度，并求取它与指定速度的差值；由速度差值信号驱动汽车产生相应的牵引力，并由此牵引力改变汽车的速度直到其速度稳定在指定的速度为止。

1.系统数学模型

（1）速度操纵机构的位置变换器。位置变换器是汽车驾驶控制系统的输入部分，目的是将速度操纵机构的位置转换为相应的速度，它们的数学关系如下：

v=ax+b,x∈[0,1]

其中，c为速度操纵机构的位置，v为与之相应的速度，a,b为常数。

（2）行驶控制器。行驶控制器是整个控制系统的核心部分，其功能是根据汽车当前速度与指定速度的差值，产生相应的牵引力。行驶控制器为一典型的PID控制器，其数学表述为：

积分环节：x(n)=x(n-1)+u(n)

微分环节：d(n)=u(n)-u(n-1)

系统输出：y(n)Pu(n)+Ix(n)+Dd(n)

其中，u(n)为系统的输入，相当于汽车当前速度与指定速度的差值；y(n)为系统的输出，相当于汽车的牵引力； x(n)为系统中的状态。P、I、D为PID控制器的比例、积分与微分控制参数。

（3）汽车动力机构。汽车动力机构是行驶控制系统的执行机构，其功能是在牵引力的作用下改变汽车速度，使其达到指定的速度。牵引力与速度之间的数学表述为：

F=mv・+bv

其中，F为汽车的牵引力，m为汽车的质量，v为汽车速度，b为阻力因子。

2.系统仿真模型

按照上述的汽车驾驶控制系统的数学模型，在MATLAB中分别建立汽车位置变换器、行驶控制器、汽车动力机构的Simulink仿真子模型；然后，建立整个汽车驾驶控制系统的仿真模型。

二、系统参数设置与仿真分析

1.参数设置

在建立系统仿真模型后，就可按照系统的要求，设置系统的模块参数和仿真参数如下：

（1）速度操纵机构的位置变速器。Slider Gain模块作用是对位置变速器的输入信号x的范围进行限制，其参数最小值设为0、最大值设为1，初始值设为0.55；Gain模块，增益取值设为50；Constant1模块，常数取值设为45。

（2）汽车动力机构子系统模型。Gain模块取值为1/m，设为1/1000；Gain1模块取值为b/m，设为20/1000；Integrator积分模块是用来汽车动力机构，初始状态设为0，即汽车初速度值为0。

（3）行驶控制器子系统模型。Delay模块用来实现行驶控制器（即PID控制器），初始状态设为0，采样时间设为0.02s。

系统仿真时间范围设置为从0到500s，选择变步长连续求解器，系统其他模块及仿真参数均使用MATLAB默认取值。

2.系统定量仿真及分析

建立汽车驾驶控制系统的目的就是使汽车的速度在较短的时间内平稳地达到指定的速度。根据上述建立的仿真模型及参数设置，对系统进行定量仿真分析。使用两组不同的PID控制参数，对系统进行定量仿真。从仿真结果可以看出，当汽车驾驶控制参数P=1、I=0.01、D=0时，汽车的速度并非直接达到指定速度，而是经过一个振荡衰减过程，最后逐渐过渡到指定速度；从参数P=5、I=0.005、D=2时的仿真结果可以看出，适当增加控制器的P、D值，减小I值可以改善系统的性能。

3.系统定性仿真分析

行驶控制器是汽车驾驶控制系统中最重要的部分，行驶控制器是一个典型的PID反馈控制器。从系统定量仿真及分析得知，增加控制器的P、D值，减小I值可以改善系统的性能。笔者下面通过对PID值定性研究，分析对系统性能的动态影响。

为动态研究比例环节P值对系统性能的影响，编写MATLAB函数Vary_P.m如下：（此处I、D值固定，I=0.01，D=0）

for p=0:5:25 %设置比例环节p的不同取值；

[t,x,y]=sim(‘bus_driving_system’)%对系统仿真

subplot(3.2,p/5+1) %绘制系统仿真结果

plot(t,y)

ylabel([‘P=’,num2str(p)])

end

在MATLAB命令窗口下执行函数Vary_P.m将得到仿真结果，从中可以看出：对于取值较大的比例调节器P，汽车速度的过渡时间较小，且变化平稳（仿真结果曲线无振荡且光滑）。由此可以得出，增加比例调节器的取值，可以有效改善汽车驾驶控制系统的动态性能。

同理，为动态研究微分环节D值对系统性能的影响，编写MATLAB函数Vary_D.m如下：（此处P、I值固定，I=0.01，P=1）

for d=0:5:25 %设置微分环节D的不同取值

[t,x,y]=sim(‘bus_driving_system’)%对系统仿真

subplot(3.2,d/5+1) %绘制系统仿真结果

plot(t,y)

ylabel([‘D=’,num2str(d)])

end

在MATLAB命令窗口下执行函数Vary_D.m将得到仿真结果。从中可以看出，随着微分比例环节D值的变化，汽车的速度都要经历一个振荡衰减过程才能逐渐过渡到指定的速度。由此可以得出，增加微分调节器的取值，对改善汽车驾驶控制系统的动态性能影响不大。

同理，为动态研究积分环节I值对系统性能的影响，编写MATLAB函数Vary_I.m如下：（此处P、D值固定，D=0，P=1）

m=0 %控制所有图绘制在一个窗口

for i=0.005:0.005:0.3 %设置积分环节D的不同取值

[t,x,y]=sim(‘bus_driving_system’) %对系统仿真

subplot(3,2,m/5+1) %绘制系统仿真结果

plot(t,y)

ylabel([‘I=’,num2str(i)] )

m=m+5

end

在MATLAB命令窗口下执行函数Vary_I.m将得到仿真结果。从中可以看出，随着微分比例环节I值的增大，汽车的速度要经历一个比较大的振荡衰减过程才能逐渐过渡到指定的速度。由此可以得出，减小积分调节器的取值能有效改善汽车驾驶控制系统的动态性能影响。

控制系统仿真范文第5篇

关键词：电梯控制系统 PLC技术 设计与仿真

中图分类号：TU85 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0058-03

电梯控制系统的发展伴随着现阶段我国高层建筑的普及式发展而来，对于电梯控制系统的设计也在不断优化、完善，实现更新换代。最初对于电梯系统实现控制的是继电器组成的顺序控制系统，该系统中暴露的诸如高故障率等问题也促使控制系统的继续完善优化；微机控制系统的发展建立在继电器控制系统之上，虽然在智能控制方面有较强大的功能，但也存在抗干扰性差，系统设计较复杂等问题，限制了微机控制系统应用的广泛性。90年代以来，可编程序控制器（PLC）作为一种基于顺序逻辑控制的需要逐渐发展起来，逐渐广泛应用于现阶段的电梯控制系统中。现在PLC技术的使用极大地方便了电梯系统的安全运行。PLC技术结合变频调速技术已经在现代电梯的使用中发挥了重要的作用。

1 PLC应用于电梯控制系统的优势与功能实现

1.1 PLC技术概述

可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller），是结合了现在的多种计算机技术、自动化技术和微处理技术发展出来的一种可以进行编辑的逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，主要结构构成包括电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、功能模块以及通信模块，进行内部程序的存储，逻辑运算的执行，顺序控制，计数与算术操作等面向用户的指令，并且会利用数字或者是模拟进行各种数据的交换进而控制各类机械的生产和过程。PLC控制系统以其运行可靠性高，安装维护便捷，抗干扰能力强以及设计和调试周期较短等优点，广泛应用于工业控制领域。

1.2 PLC在电梯控制系统中的优势

（1）将PLC技术引入电梯控制系统应用中，可以实现电梯系统的自控程度及精度，提升控制系统的抗干扰能力及可靠性。

（2）由于系统去掉了选层器及大部分继电器，使得控制系统结构及外部线路进一步简化，体积变小。

（3）PLC的功能是很强大的，对于复杂的控制系统PLC都可以满足其要求，可以根据需求很自由地增加或者改变各种功能。

（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，安装维护便捷，易于检修且更改控制方案时不需改动硬件接线。

（5）适用于群控调配和管理，一定程度上可以提高电梯运行效率，在此基础之上所运行的电梯装置有着更为安全、方便及舒适的特点。

1.3 功能要求

基于PLC的电梯控制系统的功能要求主要包括以下几方面。

（1）应用电动机部分去完成电梯的升降功能，并且在相应的楼层里安装可以进行上下操作的按钮开关。

（2）电梯可以及时地做出相应的动作。当电梯在运行的过程中有乘客在某一楼层按下了上行或者下行按钮的时候，控制系统要保证电梯在延时的情况下可以正常地打开电梯门。除此之外，在电梯完成了上一个指令以后在没有任何楼层输入上行或者下行的指令时要保证电梯及时地完成梯门的自动关闭动作。

（3）在电梯的运行过程中不可避免地会在同一个时间内接受到很多不同的信号，此时控制系统要自动地做出相应的处理进而保证电梯的正常运行，确保每个动作都是有效的。

1.4 异步电动机变频调速的节能原理

想要实现变频调速是有一定的条件的，它是要以变频器为基础并由变频器给交流电动机提供电量进而形成开环或者闭环的系统。为了谨防在生产过程中出现什么突发的情况，需要在各种设计机械分配动力驱动的时候都要留出一定的富余量。要尽量避免电机在满负荷下工作除非特殊情况下有特殊的要求，在满负荷下会产生多余的力矩进而加大功率的消耗给电能造成了很大的损失，除此之外在电压很高的情况下还会有可能降低电机的运行速度，所以要尽可能地使电机在恒压下工作，与此同时还节省了电能。

2 电梯控制系统设计

现在的电梯控制系统是很复杂的，它结合了当今先进技术，是机械和电气结合的结果。如今的电梯控制系统主要有3种方式：继电器-接触器控制、PLC控制、计算机控制。在早些的时候多采用的是第一种，但是由于其具有很多的缺点而被最终淘汰，比如发生故障的频率很高并且维修起来很困难且运行不稳定等。计算机控制功能很强大但是由于其设计系统很复杂所以其自身的抵抗干扰的能力很差，一旦发生故障维修起来比较麻烦，除此之外，其设计系统的费用也是很高的，这种系统一般用于智能化很高的系统之中。

但是随着PLC技术的不断成熟，其在我们的生活中得到了越来越广泛的应用。PLC控制系统具有很多的优点，其性能是很稳定的，结构也很简单便于维护和维修，其编程和修改也很方便，并且运用于电梯控制系统中可以满足电梯系统的要求，所以逐渐地取代了老式的电梯控制系统。

电梯控制系统的主要结构如图1所示，我们选取了3层作为实例。电动机是电梯系统的动力来源。为了使电梯能够承受更大的重量，我们在钢丝绳的另一端加装了配重而另一点端是桥厢，配重会根据电梯的重量发生相应的变化。