控制系统仿真篇1

performanceanalysisandsimulationofautomaticcontrolsystembasedonsimulink

wangli-fang1,zhouxiao-hua2,taoyan-lin3

(1.kunminguniversity,kunming650118,china;2.guangxiuniversityoftechnology,liuzhou545006,china;

3.qujingnormaluniversity,qujing655011,china)

abstract:asimulationmodelofacertainservosystemisestablishedwithmatlab/simulink,andtheperformancesofthesystemareanalyzed.theunitstepresponsecurveofthesystemisdeducedwiththesimulationmodelestablishedbysimulink,andthenthestabilityofthesystemisdeterminatedaccordingtoitsunitstepresponsecurve.whentheperformanceofsystemcannotmeettherequiredperformanceindexes,thesystemperformancecanbeimprovebyadjustingthesystemparametersandaddingacompensator.itindicatestheresultsofconvenientandflexibledynamicsimulation.theresultsshowthatthemethodtoanalyzeautomaticcontrolsystembytheaidofmatlab/simulinkissimple,fastandefficient.

keywords:servosystem;simulink;simulationmodel;performanceanalysis

收稿日期:2010-06-15

随着科学技术的发展,利用计算机对控制系统进行仿真和分析,是研究控制系统的重要方法。自动控制系统主要利用matlab高级语言对其进行计算机分析[1]。matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。matlab软件的开发与应用,使得自动控制的研究方法发生了深刻的变化;功能强大的matlab软件使自动控制系统的仿真与设计变得简单、精确和灵活。如今matlab已成为控制领域应用最广的计算机辅助工具软件[2],它的出现给控制系统的分析提供了极大的方便[3-4]。simulink是matlab的重要组件之一,它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在环境中,无需书写大量的程序,只要通过简单直观的鼠标操作,就可以构造出复杂的仿真系统。simulink的模块库为用户提供了多种多样的功能模块,这是一笔非常丰富的资源。其中,基本功能模块有连续系统、离散系统、数学运算模块、输入源模块和接收模块等[5]。

1运用matlab软件进行系统分析

假设某一随动系统的开环传递函数为[2,6]:

g(s)=120/[s(0.2s+1)(0.01s+1)]

其系统结构框图如图1所示。

图1随动系统框图

1.1判断系统的稳定性

键入simulink命令后,打开系统模型库,在新建模型窗口中直接加入所需要的模块,经模块连接后得该系统的仿真模型[5,7-10],如图2所示。双击scope模块,即可得到如图3所示的单位阶跃响应曲线。

图2simulink系统仿真模型

从图3所示随动系统的单位阶跃响应曲线波形可以看出,该系统为不稳定的发散状况。

1.2改善系统性能

在此通过在系统的前向通路中串联校正装置改变系统结构,以达到改善系统性能的目的。

1.2.1比例(p)校正

如图4所示,在固有系统的前向通路中串联比例调节器,其中kc=0.2,以降低系统的增益。双击scope模块,即可得到比列(p)校正后的单位阶跃响应曲线,如图5所示。

图3随动系统的单位阶跃响应曲线

图4具有比列(p)校正的系统框图

从图5可以看出,系统成为稳定系统。但系统的最大超调量仍然高达60%,系统的相对稳定性仍然不好。若再继续降低增益,又会影响系统的稳态精度。为了使系统能达到稳、快、准,下面通过将p调节器改为pid调节器得以实现[2,6]。

图5p校正后的单位阶跃响应曲线

1.2.2比例-积分-微分(pid)校正

系统框图如图6所示,在固有系统的前向通路中串联pid校正装置,其校正传递函数为gc(s),pid校正后的单位阶跃响应曲线如图7所示。

图6具有比例-积分-微分(pid)校正的系统框图

从图7所示pid校正后的单位阶跃响应曲线可以看出,在固有系统的前向通路中串联pid调节器后,系统变为无静差系统,改善了系统的稳态性能。调整时间变短了,系统的动态性能得到了改善。比例-积分-微分(pid)校正兼顾了系统稳态性能和动态性能的改善。

图7pid校正后的单位阶跃响应曲线

2结语

matlab/simulink的功能和特点已使它成为控制系统设计、仿真中不可缺少的基本软件。simulink仿真模型能够反映自动控制系统的动态工作过程,其可视化界面具有很好的演示效果,为自动控制系统的设计和研究提供了强有力的工具。在此针对某一随动系统,利用matlab设计了基于simulink的自动控制系统性能分析与仿真的方法,首先用simulink建立的仿真模型求出系统的单位阶跃响应曲线,再根据响应曲线判断系统的稳定性。当系统的性能不能满足所要求的性能指标时,通过调整系统参数和增添校正装置来改善系统性能,展示了方便灵活的动态仿真结果。结果表明,利用matlab/simulink分析自动控制系统简单、快捷、高效。

参考文献

[1]何衍庆,姜捷,江艳君,等.控制系统分析设计和应用:matlab语言的应用[m].北京:化学工业出版社,2003.

[2]孔凡才.自动控制原理与系统[m].北京:机械工业出版社,2007.

[3]查晓春,黄爱华.自动控制原理课程的matlab辅助教学[j].实验技术与管理,2007,24(12):91-93.

[4]邢国泉,但汉久.基于matlab的控制系统分析[j].现代电子技术,2009,32(16):153-154.

[5]飞思科技产品研发中心.matlab7基础与提高[m].北京:电子工业出版社,2005.

[6]王超.自动控制原理与系统[m].合肥:安徽科学技术出版社,2008.

[7]薛定宇,陈阳泉.基于matlab/simulink的系统仿真技术与应用[m].北京:清华大学出版社,2002.

[8]陈桂明,张明照,戚红雨,等.应用matlab建模与仿真[m].北京:科学出版社,2000.

控制系统仿真篇2

为突出控制系统仿真与CAD”课程培养学生实践动手能力的目的，本文对该课程的教学方式进行改革探索，主要涉及教材选用、启发式教学、实践教学、考核方式等方面。通过教学改革，取得了较好的教学效果。

关键词：

控制系统仿真与CAD；教学改革；启发式教学

引言

为了提高自动化类本科专业的教学质量，培养和提高学生的实践动手能力，控制系统仿真与CAD”作为一门专业平台课程，主要以MATLAB语言为基础，介绍自动控制系统的建模方法、时频域分析方法、可控可观性分析以及控制器与观测器设计方法等。以培养应用型人才为目标，如何上好本课程一直是任课老师一直思考和探索的问题。作者结合控制系统仿真与CAD”课程的实际教学情况，从以下几方面进行教学改革与探索。

一、教材的选择

随着自动化学科与控制系统仿真技术的不断发展，与控制系统仿真与CAD”课程相关的教材很多，主要有：王燕平教授主编的《控制系统仿真与CAD》[1]，薛定宇教授著的《控制系统仿真与计算机辅助设计》[2]，张晓华教授主编的《控制系统数字仿真与CAD》[3]等。教材的选用应该以教学大纲为准绳，以便于学生理解、掌握知识为准绳。教学大纲从学生本科学习的整个过程对学生所需掌握的知识进行指导，是课程教学的纲领。许多相近的专业平台类课程会涉及相同的知识点，同一知识点在哪门课程进行学习，学习的深度如何，都会在教学大纲中得以体现。教材的选用还应该遵循以学生为本的原则，选择难易度恰当、体系结构合理、的教材作为学生学习和老师施教的助手。通过比较，我们在课堂教学过程中选用了机械工业出版社出版的由王燕平教授主编的《控制系统仿真与CAD》，该教材是普通高等教育电气工程与自动化应用型十二五”规划教材。控制系统仿真与CAD”课程内容较多，教学大纲安排的课时有限，在教学过程中，我们着重介绍MATLAB基础，控制系统的数学描述方法、控制系统的时频域响应分析、控制系统的校正、控制系统的稳定性、可观性和可控性分析、状态反馈控制与观测器设计等内容。

二、课堂教学改革

（一）利用多媒体教学

与黑板板书加讲授的传统教学方法相比，多媒体教学能够将教学内容以更加丰富多彩的形式、更加直观生动的方式展示给学生，使得学生能够更清楚、更直观地理解知识点；同时还能够节省大量的板书时间，将部分教学内容的板书工作转移到备课阶段，能够有效提高课堂效率，将更多的时间用来师生互动、分组讨论等，让课堂教学变得更加丰富多彩。例如，在介绍Matlab基础时，需要给学生演示大量的程序案例，我们可以在备课阶段，将程序编写好，然后在课堂上通过Matlab软件调用编写好的程序，现场给学生演示，以节省程序的板书时间，提高课堂利用效率；同时，也能活跃课堂氛围、吸引学生的注意力，增强学生的积极性，在潜移默化中提高学生的动手能力。例如，在Matlab基础部分，讲述选择式结构的if语句部分时，我们会介绍if语句的三种基本机构，由简单到复杂依次是：单分支if语句结构、双分支if语句结构和多分支if语句结构。在介绍每种if语句结构时，我们就可以借助多媒体丰富的表现形式，利用设计好的动画来给出其流程图，展示每次遇到if这个语句标记时应该如何判断条件是否成立，然后选择语句组是否执行，并强调if语句一个重要的组成部分就是最后的end，没有end语句标记就不知道if语句什么时候结束，也就没办法执行其后面的程序。在学习每种if语句结构之后，我们还通过例题分析不同if语句结构之间的异同点。多媒体教学在提高学生学习兴趣方面具有明显的优势，同时这也要求我们要花费大量的时间去精心准备，从借鉴精品课程到联系课堂实际效果，从课件内容到排版格式，从图片选取到动画制作，都应该切合学生的实际需要、符合控制类课程的自身要求。与其他介绍Matlab语言的课程不同，控制系统仿真与CAD”课程需要结合控制类专业的基础理论知识，所列举的案例也应该以控制工程中遇到的问题为主。

（二）启发式教学

Matlab语言包含的命令与工具箱数不胜数，而且涉及到控制系统的各方各面（从系统建模到时频分析，从稳定性分析到控制器设计，等等），我们能在课堂上教授学生的只能是有限的方法。学生在以后的学习和研究中还会遇到各式各样新的问题。我们需要培养的是学生分析问题、解决问题的能力。因而，我们应该积极探索和实践能够培养学生积极性、创造力的启发式教学方法。在启发式教学过程中，我们要由教给学生知识转变为教会学生学习，在教学过程中以启发式为主，培养学生参与教学、积极思考、大胆存疑、主动学习的能力[4]。启发式教学的方法很多，可以尝试如下方法：（1）在课堂上制造悬念，抛出问题来引导课堂的发展，以引导学生解决问题作为主线。例如，讲解矩阵运算时，可以从提问同学们以下问题逐步引导课堂：矩阵运算有哪些？在Mat－lab中如何实现？完成统一运算的不同实现命令之间有何区别？（2）很多教师都头疼于学生上课带手机，其实我们完全可以引导利用这一工具，遇到问题时，让学生通过自己思考，上网查找，最终解决问题。这样不仅能够引起学生的兴趣，还能增强学生对知识点的记忆。例如，我们在讲解控制系统的数学描述方法时，会讲到系统的传递函数模型可以与其状态空间模型之间相互转化，我们首先讲述将系统从传递函数模型转化为状态空间模型时，使用tf2ss的命令，那么如何将一个系统从状态空间模型转化为传递函数模型呢？这时，我们就可以让学生通过手机来查找对应的命令。学生通过自己动手查到的命令不但记忆深刻，而且可以激发学生的学习欲望，既达到授人以鱼的目的，还兼有授人以渔的效果，逐渐培养学生掌握思考问题、解决问题的能力。

三、强化实践教学

控制系统仿真与CAD”是一门培养学生实践动手能力的专业课。学生在课堂上学习的知识点如果不通过实践，很快就会生疏遗忘。我们就需要通过安排上级实验来促使学生理解、消化和掌握所学习的命令、工具箱等，并在实验中总结和实践一些编程技巧来提高程序的运行效率。所以我们在重视理论教学的同时，也有必要开展实践教学。我们用总课时量的1/3时间来指导学生上机实验，通过实验项目的开展，有效地提高了学生的实践动手能力。学生在理论知识学习后，还可以根据学生的兴趣，对学生进行分组，安排他们针对一些简单的控制系统进行时频域响应分析、稳定性、可观性和可控性分析以及控制器、观测器设计等。实践证明，通过这些分组讨论式学习能够较好地锻炼学生分析问题、思考问题、解决问题的能力以及团队合作能力，调动学生的主动性、积极性。

四、考试改革

利用期末考试卷来衡量学生学习水平的考核方式不适用于控制系统仿真与CAD”课程。该课程是以培养和提高学生实践动手能力为主要目标。我们采用大作业的方式让学生针对经典的控制工程案例进行分析和处理，并利用Matlab实现自己的想法。在考核时，不仅参考大作业的完成情况，还综合考虑学生的平时表现、实验表现、出勤情况等。

五、结束语

选择控制系统仿真与CAD”课程进行教学改革探索是因为这门课程具有较强的工程实践性，既可以巩固学生在自动控制原理课程”等专业基础课程学习的控制理论知识，同时培养和提高学生的实践动手能力。选择恰当的教材；在课前精心准备；在课堂教学过程中利用好多媒体教学的优势，并贯穿启发式教学模式于课堂始终；在实践教学环节能够针对学生出现的不同问题有针对性、有区别地给予指导。教学改革和探索，学生的动手能力、学习主动性、思考问题能力都明显提高，而且具备解决分析工程实际问题的能力。我们在以后的教学过程中还将不断实践和探索，争取对本次教学改革的成果进一步深化和完善。

作者：冯肖亮宋强闫晶晶单位：河南工业大学电气工程学院

参考文献

[1]王燕平.控制系统仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

控制系统仿真篇3

【关键词】自主学习;控制系统仿真;教学研究

1.引言

《控制系统仿真》是自动化专业的一门重要专业课程，在专业培养方案中起加强学生对经典控制理论、现代控制理论和过程控制系统等理论学习的作用[1]。该课程以《计算机基础及C语言程序设计》、《自动控制原理》等课程为先修课程，也是《现代控制理论》、《过程控制系统》等后续课程的重要工具，其目标是增强学生在控制系统分析与设计和自主学习等方面的能力，具有很强的实践性。该课程的主要内容包括MATLAB语言的数值运算、MATLAB语言的符号运算、MATLAB语言的绘图、控制系统分析与综合、SIMULINK结构图控制系统仿真等。

《控制系统仿真》课程常采用以课堂教学为主，一定课时的实验为辅的传统教学方式。然而，该方式往往是“灌输式”教学，约束了学生的控制系统分析和综合能力和创新能力的培养。教学方法改革的一个重要方面就是学习方法的转变，即要求学生从被动、机械的学习方式转变成自主的、主动的学习方式。大学生自主学习，也称大学生自我调节的学习，是大学生自觉确定学习目标、选择学习方法、监督学习过程、评价学习结果的过程[2]。自主学习在学生的学习生活中占据越来越重要的位置。

本文对基于自主学习的控制系统仿真教学进行了探索和研究。借助于网络平台，结合控制系统仿真特点，实施自主学习的四个环节，教学结果表明该教学方法可调动学生学习的积极性，充分发挥学生学习潜能。

2.自主学习实施

控制系统仿真自主学习以“天空教室网络课堂”为教学平台，设计面向自主学习的网络课件和教学视频，设置网络讨论区、典型例题库和在线自测等，强调师生交互。控制系统仿真自主学习指导流程如图1所示。

2.1学习目标确定

通过网络教学平台的课程介绍板块使学生清晰了解教学目标。自主学习与传授式教学的学习目标不同之处在于自主学习可更多的强调知识运用能力，减少死记硬背的内容。控制系统仿真自主学习的学习目标为熟悉MATLAB语言数值运算和符号运算中的常见函数、具有一定的数学建模能力（根据数学问题背景建立约束优化问题）、掌握一定的绘图能力、以MATLAB命令行方式对控制系统进行分析和综合和基于SIMULINK的结构图控制系统仿真[3]。

学习目标主要通过课程介绍、网络课件等内容让学生清晰各章节和本课程的目标。与课堂教学课件相同，网络课件要系统组织和呈现课程内容。此外，网络课件还要引导学生掌握课程内容和为相应能力的培养提供途径。因此，网络教学课件应注意以下几点：

（1）提供系统的学习内容，强调具体应用问题，使学生掌握课程的基本内容;

（2）课件要扩展学习资源，为掌握基础内容较好的学生提供进一步深入学习的途径;

（3）课件能够为学生学习提供指引;

（4）课件包含综合设计问题，有助学生对重点内容融会贯通[4]。

例如，在二维曲线作图的学习目标中，设置以控制对象数学模型的多方法求解的题型，该目标融合了二维曲线作图、插值算法和最小二乘法等方面的内容;在结构图控制系统仿真的目标中，设置专家PID控制器设计题型，该问题融合了专家知识理解、PID参数调整等问题。实践表明具备上述四个特点的网络资源可帮助学生清晰理解自主学习目标。

图1控制系统仿真自主学习指导流程图

2.2学习方法选择

学习方法指在学习过程中获取知识、技能的途径、方式、程序和手段，主要包含带题求解、同类比较、跟踪探寻等方法。带题求解与同类比较是本课程自主学习的主要方法。本课程具有很强的实践性，设置具有多种求解方法的、与实际贴近的仿真题目可提高学生的学习兴趣，更好的发挥主观能动性。给学生设置较多的综合性问题，可有助于学生根据学习内容特点和自身学习特点，及时调整学习方法[5]。丰富的网络资源、良好的操作界面和信息全面的帮助文件都为学生自主学习提供了便利。为求解某一问题，学生可借助于网络论坛、搜索引擎、软件自带的帮助文件和书籍资料等途径获取求解方法。帮助文件是学生解题的第一工具，然而对于无所适从的问题，学生可求助于搜索引擎和专题论坛。教学平台中的典型例题、数学建模竞赛试题（如调整气象观测站问题、维修线性流量阀时的内筒设计问题等）和控制系统分析综合仿真例题（如倒立摆仿真、解耦控制、直流电机调速系统的计算机辅助设计等）为具有基础能力不同的学生提供了学习资源。采用激励机制，鼓励学生多思考和求解较难的综合性问题。

2.3学习过程监督

过程监督要求教师在某一时段内检查学生学习状况，并根据情况，为学生进一步学习提供意见，使学生及时调整学习方法和进度。学生学习情况可由在线习题完成情况、学习讨论区的讨论情况和阶段测试情况获取。在监督过程中，注意与学生“平等”，采用讨论的方法，与学生交流学习过程中问题，使学生充分发挥主观能动性。

多听取学生的解题思路，对错误及时指正，鼓励学生尝试不同解题方法并进行验证，引导学生从执行时间与所需内存空间两方面对多种解题方法进行比较。在指明学生错误时，师生间的“平等”可避免学生产生挫败感。在图1中的教师答疑和教师指导环节，通过基于网络在线实施，也通过与学生约定时间和地点在教室内以讨论的形式开展。

2.4学习结果评价

学习结果评价是参考预定目标，对学生掌握情况进行评估。该课程采用等级成绩，每个等级建立相应的目标。在计算总评成绩时，在线练习与在线讨论的成绩占30%，在线测试占70%，解题方法的多样性与新颖性占在线测试成绩的30%。因此，在对学习结果进行评价时，同时考虑了定量指标和定性指标。在线练习题和测试题能涵盖教学大纲指明学生必须掌握的内容，也能包含用于能力扩展的附加题型（如遗传算法程序理解、系统函数设计等）。此外，在题型设计时，考虑后续课程的学习，如绘制过程控制系统中的串联管道调节阀工作特性曲线等。

在成绩评定时，强调在线练习和在线讨论，有利于学生认识自主学习不是独立自学，是在教师督导下的、有师生交互的和有学生间交互的自学，从而防止懒散现象的发生。因此，本课程学习结果评价也注意了自主学习的重过程性、合作性和集体互动性。

3.小结

基于网络教学平台，进行自动化专业的控制系统仿真自主学习实践，对课程实施框架和单元环节进行设计，组织教学实施。自主学习可提高学生对控制系统仿真的学习热情，获得了良好的教学效果。

参考文献

[1]孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京：北京工业大学出版社，2006.

[2]庞维国.自主学习―学与教的原理与策略[M].上海：华东师范大学出版社，2003.

[3]张鑫，刘.控制系统仿真课程内容改革与实践[J].考试周刊，2010，34：17-18.

控制系统仿真篇4

【关键词】半实物仿真；深弹控制系统

1.引言

深弹是打击潜艇的有效武器之一，价格低廉，可以大量使用、维护使用方便、作战方式灵活，可用于浅水、深水海域的反潜作战，适合直升机和固定翼飞机装载、携带、投放和使用。国外具有代表性的深弹有北约国家普遍装备的“MK11”，意大利白头鱼雷公司开发的MS500深弹，俄罗斯的“C-3B”无动力深弹以及90П火箭声深弹、短程有动力深弹KAB-500PL。

控制系统是深弹的关键分系统之一，其主要功能是根据深弹搜索与攻击目标过程中的弹道要求控制弹体，使弹体按规定的弹道运动。对深弹的控制系统进行全弹道数学仿真和半实物仿真，全面评价弹体控制特性以及控制特性，可以为深弹控制系统设计及评价提供有力的决策依据。

随着微机技术的发展和现代控制理论的进步，深弹技术发展到了一个新的阶段，具备自导探测、布放方式多样、精确制导能力的深弹能在现代战争中发挥重要的作用。作为深弹总体技术中的核心部分，深弹控制系统有着非常重要的地位，其主要功能是根据深弹在投放、搜索、导引过程中的弹道要求控制弹体，是其按期望的弹道运动，无论是布放的准确性或是攻击的快速性、精确性，都跟控制系统的效能息息相关[1]。

在深弹控制系统设计过程中，面临着有两个难题：一是深弹相比较鱼雷等水中兵器，其自身的攻击特性是自导作用距离短、作战距离有限，因此在有限的时间内要求控制系统能快速有效的解算、执行，从而确保打击精度；二是“物美价廉”的深弹，研制经费相对有限，如何能用有限的经费研制出高性能的深弹，是考验设计人员的一个难题。

2.半实物仿真仿真技术

仿真技术被引入武器装备研制已经有数十年的历史，在指导设计改进、验证装备性能发挥了重要的作用。HILS，又名半实物仿真，全称“HardwareIntheLoopSimulation”，指在整个仿真回路中包含一部分硬件的仿真。与传统的纯数学仿真相比，HILS在其整个系统中接入了一部分实物，因此仿真结果往往具有很高的置信度；同时，由于部分真实的设备、产品参与了整个仿真过程，这也有助于对这部份硬件进行性能考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验。

在深弹控制系统设计中引入半实物仿真，可以更全面的评价深弹的控制特性，为深弹控制系统设计及评价提供有力的依据，可以有效的提高系统设计的可靠性和研制质量，降低系统的研制周期和研制经费。

3.深弹控制系统基本组成

根据控制系统的功能和要求可以确定控制系统组成。控制系统主要由敏感元件、控制系统计算机、舵机控制单元、舵机及舵面组成。

敏感元件进行弹体姿态参数测量；控制系统计算机根据弹体姿态、弹体速度及目标方位角、目标距离，根据导引律与控制律进行操舵角解算；舵机控制单元根据控制系统计算机解算的操舵角与实际舵角进行比较，并将两者的差值信号进行功率放大后控制舵机，驱动舵面按要求的方向偏转至要求的位置；舵机由电机及传动机构组成，主要功能是输出系统所要求的操舵力，带动舵面偏转；舵面在操舵力的作用下偏转，并在流体动力的作用下产生偏转力矩，使弹体按预定弹道运动。

随着精确制导等性能的要求越来越高，深弹的控制系统也越来越复杂，控制系统包含控制电路、执行机构、敏感元件等。

控制电路根据弹体自身的姿态以及目标的方位、距离进行操舵舵角解算；执行机构根据控制电路解算的操舵舵角和实际的姿态进行闭环控制，使弹体偏转向正对目标；敏感元件则获取弹体的姿态参数。深弹弹道控制系统工作原理框图如图1所示。

弹道控制系统包括惯测系统、稳定控制系统和制导控制系统等组成。其中，惯测系统完成航空自导深弹工作过程中运动学信息的测量和解算；稳定控制系统利用角速度（或弹道航向角度变化率）的反馈通过操纵舵面实现对航空自导深弹的姿态稳定控制；而制导系统则利用初始目标信息和航空自导深弹惯测系统进行综合形成导引指令，通过稳定控制系统实现对航空自导深弹攻击弹道的修正，最终使航空自导深弹基本按理论弹道航行，并满足导引精度要求。

4.半实物仿真组成

控制仿真系统必须能满足如下要求或功能：

1）构成深弹控制系统分布式硬件在回路仿真和测试平台；

2）能够进行弹体水动力特性的数字仿真分析，包括完整的动力学、运动学模型、稳定性分析、机动性分析等；

3）能够进行深弹弹道的分析计算，在任意的弹道冻结点，建立三通道稳定控制回路传递函数或状态方程模型，并计算稳定性、时域响应特性、频率响应特性等；

4）能够进行深弹控制系统的数字仿真实验；HILS一般由3部分构成：①仿真计算机，用来进行动力模型的设计及运行程序、处理数据；②环境模拟设备，包括运动仿真器、角运动仿真器、目标特性仿真器等仿真设备；③被测实物，一般指控制电路板、陀螺仪、舵机执行机构等硬件设备[2]。

5.深弹控制系统的HILS功能设计

深弹控制系统的半实物仿真试验，要求能为深弹控制系统提供真实的工作环境，并充分模拟不同的工作条件，以检验系统的各种功能和可靠性，具体表现在实现如下功能[3]：

1）进行深弹的6自由度非线性模型仿真解算；

2）通过陀螺仪返回的角速率信息报文，通过姿态解算算法，解算出姿态信息；

3）通过三维运动模拟器实时模拟深弹的运动航行和姿态；

4）通过惯性测量组合和仿真计算机记录下深弹运动轨迹。

6.深弹控制系统的HILS系统构成

为了实现上述功能，在进行深弹控制系统HILS设计时，必须包括以下设备[4]：

1）DSPACE实时仿真系统：主要功能是仿真控制对象和环境；

2）MATLAB仿真工作站：主要功能是建立深弹控制系统的数学模型；

3）FLUENT仿真工作站：主要完成弹体特性分析、流体动力性能分析；

4）三轴转台：通过转台的三个轴的转动，模拟深弹的姿态变化，形成逼真的水下运动环境；

5）陀螺仪：敏感弹体的姿态变化速率，通过四元素法解算出姿态信息，用于解算控制舵角操舵指令，发给数字舵机；

6）控制电路板：基于DSP的运动控制硬件结构，通过接收到的目标信息和自身姿态；信息进行姿态解算，解算出控制舵角操舵指令后发给数字舵机；

7）数字舵机：作为控制系统的执行机构，通过操纵横舵、直舵、差动舵三个舵面来实现导引攻击；

8）装定器：通过串行通信口发送虚拟目标信息；

9）惯性测量组合：作为测试设备，记录下弹道轨迹。

7.深弹控制系统的HILS工作原理

由上述仿真设备和部分实物组成的HILS系统结构图如图2所示：

HILS系统工作原理如下：系统上电后，装定设备向导引控制板发送虚拟目标信息，陀螺仪向导引控制板发送姿态变化角速率信息，导引控制板随即根据角速率信息进行捷联解算得出姿态信息，同时根据目标信息和姿态信息进行舵角控制律的解算，解算出合适的操舵指令后发给数字舵机伺服系统，数字舵机开始进行操舵，舵角信息反馈至DSPACE系统控制对象模型，该系统根据深弹的模型和运动学方程计算出深弹的实时姿态信息，并输出至三轴转台，三轴转台随即开始进行转动，模拟深弹的真实姿态变化，惯性测量组合则不断记录下深弹的航行轨迹，最后，通过上位机计算出控制系统相关的超调量、响应时间、稳态误差等性能指标参数，以此来检验深弹控制系统的工作性能。

8.HILS仿真结果分析

以某深弹控制系统半实物仿真结果为例：通过装定器发送的虚拟目标方位信息为（26.5°，26.5°），经过控制系统的半实物仿真，所得的系统HILS弹道曲线如图3所示。

由HILS仿真结果可以看出，通过理论计算的稳态俯仰角、偏航角应为26.5°，在控制系统的作用下，横滚通道超调量≤0.9°，稳态误差≤0.1°，最大超调量0.9，稳定收敛时间≤3.2s，偏航通道超调量≤1.5°，稳态误差≤1.8°，最大超调量1.5，稳定收敛时间≤3.2s，横滚通道横滚角≤6°。由此可以得出结论，该深弹控制系统很好的实现了横滚抑制，俯仰、偏航双通道响应时间较快，超调较小，稳态误差小，说明该控制系统执行机构能满足整个系统的使用要求；缺点是收敛较慢，且偏航通道的稳态误差略大，该结果则为控制算法的改进设计提供指导：在偏航通道PID控制律中增强积分环节的作用来减小稳态误差，同时在平面双通道适当调整比例控制参数来减少响应时间。

由上述半实物仿真系统姿态曲线可以得出结论，该控制系统能较好的满足深弹控制快速性的要求，执行机构能力较强升，收敛时间和稳态误差等指标还需要进一步调整控制参数，也可以通过调整流体模型中的敏感参数来优化，该系统控制能力还能得到进一步的提升。

9.结论

从上述HILS仿真结果可以得出结论：半实物仿真可以有效的模拟深弹工作环境和姿态变化，并通过一系列实物检验控制系统各个组件软、硬件的性能，其仿真结果具有较高的置信度，且通过仿真结果可以快速有效的找出系统设计需要改进的地方，大大减少了科研周期和研制经费，可以断定，HILS技术将在深弹工程研制中扮演越来越重要的角色。

参考文献

[1]彭荆明，舒旭光.深弹控制仿真系统研究[J].水雷战与舰船防护，2009（1）：35-38.

[2]赵宁宁.水下航行器控制系统仿真试验研究与应用.西北工业大学硕士论文[D].20060301：18-30.

控制系统仿真篇5

关键词：鲁棒控制；转子系统；稳定性

【分类号】：TP273

前言

近年来转子振动主动控制得到了广泛的研究，控制理论中的许多方法都应用到转子振动主动控制中，并取得了很多成果。实际转子系统的完整数学描述往往很复杂，阶次较高，作为被控对象的模型转子系统与实际转子系统总是存在着误差，同时转子系统的结构参数如质量、刚度等也存在着不确定性。由于误差的存在往往会降低控制系统的性能，有时还会破坏控制系统的稳定性。因此转子系统振动主动控制器应具有稳定鲁棒性及鲁棒性能[1]。

1.鲁棒控制的基本思想

鲁棒控制器设计问题，就是根据给定的标称模型∑0和不确定性集合∑的某一描述，基于鲁棒性分析得到的结果来设计一个控制器C，使得（∑0，∑）和C构成的系统都满足期望的要求。

2.H∞控制理论

所谓H∞控制，就是用H∞范数作为目标函数的最优或次优控制。通过对鲁棒控制理论的了解可知，许多鲁棒稳定或鲁棒性能准则均可以用适当的传递函数的H∞范数约束条件来描述。因此，对于线性系统来讲，许多鲁棒控制系统的设计问题，都可以转化为求使得闭环系统满足期望的H∞范数条件的控制器的问题[3]。

3.2转子系统鲁棒控制计算机仿真

利用本章所讲述的控制器设计方法，结合算例，分析控制方案，并利用MATLAB编程计算该单盘转子系统的状态方程和控制器状态方程。在左支承处增设可控锥形挤压油膜阻尼器，利用可控挤压油膜阻尼器轴承产生的非线性油膜力主动逼近线性转子系统的H∞控制力，从而实现用可控挤压油膜阻尼器轴承主动控制转子系统振动的目标。本文应用Simulink建立转子系统标准H∞控制仿真模型。

本文以H∞次优控制器的状态方程为依据建立的控制器仿真模型。对该系统结构参数存在扰动的情况下，引入内部反馈环的概念，进行扩阶后，形成新的结构参数不确定系统的状态方程。输入w即为施加在m2上的不平衡力与传感器噪声之和。通过对质点m1振动幅度的期望值与输出的观测值y进行比较，重新进入反馈系统。以此使m1振动幅值最终达到期望值constant。

4结论

本文利用控制理论对刚度参数扰动的转子支撑系统进行次优控制器设计。并结合MATLAB软件中的Simulink工具箱对本文设计的控制器进行仿真。并对本文所采用的单盘转子模型进行了鲁棒控制仿真。模拟单盘转子在不平衡力的作用下，通过临界转速时的振动控制情况。在对受控前后的输出信号图像的比较后发现，受控后输出信号幅值比受控前的输出信号幅值小很多。

参考文献

[1]顾家柳.转子系统振动主动控制的目的及对策.振动与冲击，1993，2：1～7

[2]梅生伟，申铁龙，刘康志编著.现代鲁棒控制理论与应用.清华大学出版社.2003，9：61～64

[3]梁智权.具有油膜轴承的柔性转子系统振动主动控制.西南交通大学学报.2002，11：16～19

控制系统仿真篇6

关键词：波束控制；仿真测试；软件

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)21-30544-03

DesignandImplementoftheSimulationTestingPlatformofBeamSteeringSystem

FUWei,SUYa-qi

(CETCNo.38ResearchInstitute,Hefei230031,China)

Abstract:Steeringthebeamdirectionisthemainfunctionofbeamsteeringsystemofphasedarrayradar,testthebeamsteeringsystemandTRunitperformanceissignifyduringthedevelopmentoftheantenna.Inthispaper,adesignandimplementofsimulationtestingPlatformisdescribed,usingthehardwaretechnical,communicationtechnical,aswellasautotestingtechnicalandsoftwaretechnicalinthedesigning.

Keywords:beamsteering;simulationtesting;software

1引言

波束控制系统是相控阵雷达所特有的，其主要功能相当于机械扫描雷达中的伺服随动系统。在大型相控阵雷达中，由于天线内的TR组件数目庞大，系统的测试工作十分复杂，采用人工测试方法不可行。在阵面及TR单元测试过程中，结合系统硬件设计，采用网络通信手段，利用自动测试和软件技术设计了一套波束控制系统测试仿真平台。该系统测试主机采用PC机，通过网络通信方式与波控分机连接。系统软件采用VC编写，WINDOWS平台，窗口界面，波控分机软件采用嵌入式操作系统VxWorks，其功能包括对天线阵面、对子阵、对天线单元的测试。该系统在实验室模拟雷达实际工作状态，缩短阵面调试周期，在对天线的测试过程中显示了极大的优越性。

2系统组成

相控阵雷达与传统的机械扫描雷达相比，主要的优点是对天线波束的控制的灵活性。波束控制系统是实现这种灵活性的关键总体来说，其主要功能要求为[1-2]：

1)能完成雷达系统要求的基本功能；

2)满足对天线波束转换的速度要求；

3)尽可能地减少波束控制系统的设备量，以降低成本；

4)便于波束控制系统的调试和维修。

在本文的波束控制系统中，波控分机采用嵌入式工控机和接口板组成。波控分机负责与测试主机通信，按通信协议进行数据解析，产生控制数据及驱动板的驱动信号，与阵面驱动板通信，驱动板根据由波控分机分发的控制及驱动信号对每个TR组件进行布相。测试主机模拟波束调度系统工作设定天线、阵面及TR单元工作参数，并与测试矢网通信采集测试数据。图1为测试系统构成示意图。

3工作原理

本文的测试系统的具体工作过程为：测试主机通过人机交互界面获得工作控制指令，按照控制指令内容设置波束控制系统的工作参数（工作模式、扫描起始角、扫描终止角、步进角等）或子阵（阵面）测试指令（选定TR单元、设定送给该单元的特定角度值、设定TR单元的工作状态等），测试主机通过交换机将控制指令发给波控分机，波控分机根据配相方程[3]（公式（1））计算得出移相值。波控分机产生的移位数据及定时信号（驻留结束信号、T/R脉冲信号）通过串行数据总线经驱动板送入阵面的每个TR单元。移位数据在移位脉冲的作用下，同步传输到阵面的每个TR单元，TR单元将移位数据存储在各自对应的寄存器中，并在驻留结束脉冲和T/R脉冲的共同作用下，完成波束控制工作。同时波束数据通过数据采集链路送入测量矢网，矢网将采集到的数据反馈给测试主机形成测试文件。

式中，m――TR单元在阵面中的列；

n――TR单元在阵面中的行；

θB、φB以阵面中心为坐标原点的波束指向角；

?准m――列移相值；

?准n――行移相值；

dy――阵面中天线单元的行间距；

dx――阵面中天线单元的列间距；

4系统设计

4.1设计思想

从图1中可以看出整个测试系统形成了一个闭环网络：由测试主机充当波束调度系统，对波控分机分发控制信息，对波控分机进行管理；波控分机通过网络实现与测试主机的数据交换，控制驱动板对TR单元进行驱动；驱动板通过串行总线接收波控分机的控制信号和移位数据，并根据控制信号对阵面中的TR单元进行布相管理；测量矢网通过数据采集通路采集TR单元的布相数据再发送给测试主机进行分析。

在系统的硬件设计上，波控分机采用PC104＋ispEPLD接口板模式，该模式充分利用了PC104的高效性和epld接口板的编程灵活性。PC104是被广泛应用于嵌入式系统的工业控制计算机，具有丰富的对外通信端口和多种存储设备接口，用户可以方便的根据自己的需要选择合适的设备配置组合，极高的运算速度可以满足大多数工业用户的需求。本文系统中选用的EPLD为Altra公司的isp器件，配合MaxPlusⅡ可以进行方便的在线编程，并可通过在线仿真得到预期结果，用于与实际执行结果进行比较，实现编程的快速可靠性。

整个系统的通信拓扑结构类似于一个带回馈四层网络通信结构：

第一层由测试主机和波控分机组成，使用RJ45接口通信，峰值速率100Mb/s，用于测试主机与波控分机通信；

第二层由波控分机与驱动板构成，波控分机与驱动板使用串行接口通信，传输控制指令和移相数据；

第三层由驱动板与TR组件构成，驱动板通过串行总线，将移相数据打入TR组件；

第四层由测量矢网与TR组件构成，测量矢网通过测试线路将TR布相数据采集到矢网中，并产生测试文件，经由回馈通路发送到测试主机，供测试主机进行分析。

在测试主机的软件设计上，考虑到人机交互与执行效率的要求采用VC进行编写；在波控分机的软件设计中，重点考虑的是系统的执行效率和速率，采用VxWorks作为系统环境，利用Tornado编译环境中自带的调试工具对波束控制系统的嵌入式软件进行编译调试，极大地提高嵌入式软件设计的便利性，缩短了测试系统的调试周期。

4.2软件设计实现

波控分机主要的功能是根据测试主机发送的控制指令产生移相数据并对驱动板进行驱动，分发移相数据。基本处理流程如图2所示。

测试主机的软件设计采用VC可视化编程，使整个软件更加模块化、功能化、人性化。

系统功能分为：

阵面布相测试：按照相控阵雷达实际工作状态设定阵面的工作模式，模拟雷达实际工作天线情况，采集阵面布相数据，分析天线波束波瓣特性。

TR单元测试：对单个TR单元进行测试，具体分为手动测试和自动测试。手动测试时给出特定的移相、衰减值对单个TR单元进行一次布相，通过矢网进行数据采集，分析TR单元性能；自动测试根据天线维数进行选择，在一维相控阵中只有水平布相起始角、水平终止角、水平步进角有效，在二维相空阵雷达中水平和垂直两个方向的角度都必须进行设定，设定完成后对单个TR单元进行连续布相，通过矢网进行数据采集，分析TR单元工作特性。

图3～图5为测试系统运行时界面。

5总结

相控阵雷达波束控制系统工程性强，对系统的性能及效率要求高，同时因为它需要与大量的硬件设备进行交互，要同时实现对天线阵面的控制和对TR单元的测试有一定的难度。波束控制系统测试仿真平台在设计实现过程中融合了网络通信技术、数据处理技术、自动测试技术，有效实现了波束控制系统的在线仿真测试功能，为整个天线系统的测试带来了便利。

参考文献：

[1]束咸荣,何炳发,高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007:238-248.

[2]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006:92-96.