控制系统仿真课程设计题目：基于NCD优化的非线性优化PID控制学生姓名：学号：专业：班级：指导教师：目录基于NCD优化的非线性优化PID控制 (4)摘要 (4)第一章绪论 (6)1.1 课程设计的目的 (6)1.2 课程设计的题目要求 (6)第二章MA TLAB概述 (7)2.1 MA TLAB简介 (7)2.2 MA TLAB工作环境 (7)2.3 MA TLAB操作界面简介 (8)2.4 MA TLAB 语言 (8)2.5 SIMULINK仿真集成环境简介 (8)2.5.1 SIMILINK模块库介绍 (9)第三章非线性控制系统及优化原理 (13)第四章非线性控制系统的优化 (14)4.1 非线性控制系统的设计 (14)4.1.1 MATLAB/SIMULINK模型的建立 (14)4.1.2 系统参数设定 (14)4.2 非线性系统参数优化 (16)4.2.1 Signal Constraint阶跃响应特性参数设定 (16)4.2.2 设置优化参数 (17)4.2.3 设置不确定参数范围 (18)4.2.4 控制参数优化计算 (18)第五章课程设计总结 (20)基于NCD优化的非线性优化PID控制摘要PID控制是工业过程控制中应用最广的策略之一。
因此PID控制器参数的优化设计成为人们关注的问题,它直接影响控制效果的好坏。
目前PID参数的优化方法很多,如间接寻优法、专家整定法、单纯形法等。
虽然,这些方法都具有良好的寻优特性,但却存在着一些弊端。
（1）中仅仅将单纯形法应用于系统,仍然存在局部最小问题,容易陷入局部最优化解,造成寻优失败。
（2）而且当系统的非线性较强时,传统的基于线性化模型的线性系统设计方法难以获得好的控制效果。
为了设计与分析非线性控制系统，提出了利用MATLAB优化控制工具箱与优化函数相结合对非线性系统PID控制器进行优化设计的方法,同时建立了基于MA TLAB/SIMULINK的非线性系统仿真图。
通过MATLAB/SIMULINK非线性模块Signal Constraint进行仿真试验,验证了该参数优化设计方法不仅方便快捷,而且使系统具有较好的控制精度和稳定性,可使系统的性能有所提高。
关键词：非线性控制系统MATLAB/SIMULINK Signal Constraint模块PID 非线性模块ABSTRACTPID control is one of the industry's most widely used process control strategy. Thereby optimizing PID controller parameters design has become an issue of concern, which directly affect the control effect is good or bad. PID parameter optimization method now many, such as indirect optimization, expert Tuning, simplex method. Although these methods have good optimization features, but there are some drawbacks. (1) only applies to the simplex method system, there are still local minimum problem, easy to fall into local optimal solution, resulting in optimization to fail. (2) And when strong nonlinear systems, based on the traditional linear model of linear systems design approach is difficult to obtain good control. In order to design and analyze nonlinear control system, we proposed the use of MATLAB and Optimization Toolbox optimal control of nonlinear system combining function PID controller design optimization method, while established based on MATLAB / SIMULINK simulation diagram for nonlinear systems. Through MATLAB / SIMULINK simulation of nonlinear module Signal Constraint, verify the parameter optimization method is not only convenient, but the system has better control accuracy and stability, the system performance can be improved.Keywords: nonlinear control systems MATLAB / SIMULINK Signal Constraint Nonlinear module PID module第一章 绪论1.1 课程设计的目的本次课程设计的题目是《基于NCD 优化的非线性优化PID 控制》学会使用MATLAB/SIMULINK 的建模和仿真的方法，并对非线性控制系统进行PID 优化控制，并且充分掌握非线性控制系统的设计与分析，运用MATLAB/SIMULINK Library 中的非线性模块进行优化，如MATLAB 6.5中的NCD Outport 模块、MA TLAB 7.1.3中的Check Step Response Characteristics 模块、MA TLAB 7.5中的Signal Constraint 模块。
本文采用MATLAB7.5中的Signal Constraint 模块进行优化PID 控制。
1.2 课程设计的题目要求《基于NCD 优化的非线性优化PID 控制》系统对象传递函数为G(S)= 1s a s a s 50 1.52213+++ a1=43,a2=3。
系统包含饱和环节和速度环节8.0±两个非线性环节。
不确定因素a 1在（0.5-2.0）×3之间变化，a 2在（40-50）之间变化。
设计要求PID 的优化指标为：上升时间不大于10s ；最大超调量不大于20％；调整时间不大于30s ；系统参数变化时性能基本保持不变。
第二章MATLAB概述2.1 MATLAB简介s公司推出的一套高性能数值计算和可视化软件，其丰富的功MATLAB是Mathwork能包括数值计算、矩阵分析、数据分析、图像处理等。
MA TLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。
使用MATLAB，可以较使用传统的编程语言（如C、C++ 和Fortran）更快地解决技术计算问题。
MATLAB由于方便处理，功能丰富，现在已经被广泛应用于自动控制、电工电气、数学、经济、金融、管理、生物医学数据分析、电子信息、机械、化学化工、图像处理、运筹学、环境科学、选煤、选矿数据处理等各个领域。
附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
2.2 MATLAB工作环境2.3 MATLAB操作界面简介MATLAB的默认操作界面包括命令窗口（Command Window）、历史命令窗口（Command History）、当前目录窗口（Current Folder）、工作空间浏览器（Workspace Browse）。
命令窗口（Command Window）：这是MATLAB操作界面中最为重要的窗口，也是用户进行各种操作的主要窗口。
在这个窗口中，可输入各种MATLAB的命令、函数和表达式。
历史命令窗口（Command History）：这个窗口记录了用户已经操作过的各种命令、函数和表达式方便用户回忆之前的操作和对这些历史信息的复制、重运行等。
当前目录窗口（Current Folder）：在这个窗口中，可以设置当前目录，展示目录中的M文件或者MA T文件等，也可以对M文件进行编辑操作。
工作空间浏览器（Workspace Browse）：在这个窗口中，可以查看工作空间中所有变量的类型、名称和大小。
2.4 MATLAB 语言MATLAB 语言支持向量和矩阵运算，这些运算是工程和科学问题的基础。
这样使得开发和运行的速度非常快。
使用MATLAB 语言，编程和开发算法的速度较使用传统语言大大提高，这是因为无须执行诸如声明变量、指定数据类型以及分配内存等低级管理任务。
在很多情况下，MATLAB 无须使用"for" 循环。
因此，一行MATLAB 代码经常等效于几行C 或C++ 代码。
2.5 SIMULINK仿真集成环境简介SIMULINK是可视化动态系统仿真环境。
1990年正式由MATHWORKS公司引入到MATLAB中，它是SIMUTATION和Link的结合。
SIMULINK是MATLAB里的工具箱之一，主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析；SIMULINK提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方便，便能迅速地建立起系统框图模型，并在此基础上对系统进行仿真分析和改进设计。
2.5.1SIMILINK模块库介绍SIMILINK模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous（连续模块）、Discrete （离散模块）、Function&Tables（函数和平台模块）、Math（数学模块）、Nonlinear（非线性模块）、Signals&Systems（信号和系统模块）、Sinks（接收器模块）、Sources（输入源模块）连续模块（Continuous）：Integrator：输入信号积分、Derivative：输入信号微分、State-Space：线性状态空间系统模型、Transfer-Fcn：线性传递函数模型、Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型、Memory：存储上一时刻的状态值、Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出、Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出。