- 相關推薦
基于MATLAB 的自動控制原理實驗仿真系統的設計
基于MATLAB 的自動控制原理實驗仿真系統的設計
田晴，張茁
�。ê颖甭摵洗髮W電氣工程學院，河北唐山063000）
摘要：MATLAB的圖形用戶界面（GUI）為基于對象的可視化編程，本文以此為基礎，進行了自動控制原理實驗仿真系統的軟件設計，仿真實驗系統囊括了控制理論的大部分要點，較實驗室傳統性實驗更全面、具體。應用GUIDE的設計，該系統操作簡單，知識點表現清晰明了，學生能夠在輕松的環境下，且不受地域時域的限制，掌握控制理論知識。
關鍵詞：自動控制原理；實驗仿真系統；MATLAB；GUIDE
基金項目：河北聯合大學教育教學改革項目，項目編號：Y1340-10
一、引言
《自動控制原理》是自動化專業的基礎課程，是控制科學與工程學科的一門方法論課程，主要培養學生掌握控制系統的分析和設計方法，其內容之多，理論性之強，決定了課程學習的難度。而實驗課作為課堂教學的輔助內容，是培養學生自主性和創新性的重要環節。
目前實驗室的實驗教學采用模擬電路實驗臺，將集成電路模塊進行連線，形成典型系統，通過示波器觀察響應曲線。傳統性實驗訓練了學生對以傳遞函數為核心的控制系統與模擬電路系統之間的聯系的認識和實踐能力，但也存在其局限性：（1）價格昂貴，占地很大，因為實驗臺有限，只能幾個同學共用一個實驗臺，難以滿足幾百學生實驗教學的需要；（2 ）同一個實驗，教師要對學生分撥講解，重復進行，浪費人力、物力；（3 ）由于實驗設備的長期工作，造成電容積分飽和，致使出現實驗誤差；（4 ）實驗設備高度集成，操作性復雜，參數變化有限，局限了綜合性設計性實驗的開展；（5 ）實驗室難以做到全開放性，學生實驗受地域和時域的限制。
因此，研制實驗仿真系統是解決上述問題的有效措施。
二、軟件的總體結構設計
MATLAB的圖形用戶界面（GUI）可實現可視化編程，不僅形象生動、互動友善、操作靈活，而且為人們提供了定性定量結合、局域全域結合、時域頻域結合、模擬數字結合的數據探索、科學分析的仿真平臺。
自動控制原理實驗仿真系統以MATLAB-GUI為開發工具，采用Windows風格，基于自動控制原理與現代控制理論的主要理論與基本思想，按照實驗教學大綱的要求，設計具有獨立功能的模塊來實現的。模塊之間沒有數據交流，每個模塊表現為一個獨立的實驗內容，允許用戶輸入模型參數，選擇按鈕功能，實驗系統的GUI界面中提供了數據結果和圖形結果，供用戶進行系統分析和設計。實驗系統結構體系共分7個子模塊。
1.典型環節的暫態特性。主要分析包括比例環節、慣性環節、積分環節、微分環節、振蕩環節和時滯環節的階躍響應、根軌跡圖、奈奎斯特圖以及伯德圖。觀察曲線，并總結環節的主要特點。
2.二階系統的暫態特性。通過階躍輸入、脈沖輸入、斜坡輸入，確定不同阻尼比時的輸入響應曲線，讀取性能指標；并研究零極點對二階系統性能的影響。
3.控制系統的穩定性分析。通過五種方法，代數穩定判據、根軌跡判別、Nyquist穩定判據、Bode圖判別、Lyapunov穩定性判據，給出系統的穩定性結論。
4.控制系統串聯校正。屬于設計性實驗，要求根據已知的開環對數頻率特性以及期望的性能指標，設計串聯校正環節。可在原圖上反復調試實驗。
5.非線性典型環節特性。對幾個典型的非線性特性，例如：飽和特性、死區特性、繼電器特性等仿真其正弦響應。
6.非線性系統研究：通過相平面法和描述函數法繪圖，分析非線性系統的穩定性以及自激振蕩。
7.狀態反饋與極點配置。根據狀態空間模型，設計狀態反饋增益矩陣K，實現期望極點配置。
三、實驗仿真系統的功能實現
圖形用戶界面開發工具（GUIDE）是一種程式性的設計工具，借助GUIDE平臺及其輔助設計工具，制作用戶界面，既方便快捷，所得的界面文件也便于理解和維護。
圖形用戶界面開發工具GUIDE是一種程式性的設計工具，本仿真系統借助GUIDE輔助編程，實現過程以實驗四為例。
第一，構思、明確任務階段。實驗四題目為控制系統的串聯校正，旨在實現采用頻率法設計系統校正環節，達到期望的性能指標。控制理論中應用頻率法進行系統的串聯校正，根據校正環節的相位特點，有超前校正和滯后校正兩種，兩種校正方法設計校正環節的思路不同，要求的條件也不相同，但是同樣可以改善系統性能。
第二，幾何界面的框架軟件實現階段。明確了設計任務，則要在GUI空白模板上進行控件的布局設計。
首先在GUI界面中要得到給定系統的開環模型，在實驗四中，在“原系統”框給出原系統的基本信息，兩個edit編輯框用于用戶輸入開環傳函的分子分母系數多項式向量，“性能指標”框得到時域和頻率的性能指標結果，PushBotton按鈕“繪圖”和“計算”根據用戶輸入的num和den向量信息，進行繪圖和計算，繪圖結果顯示在“頻率特性曲線”和“階躍響應曲線”框給出axes坐標軸中。
“校正后系統”框，給出期望性能指標，選取校正方式，得到校正環節的傳函，進行校正后系統的繪圖和計算。
第三，完成各控件間相互關聯的回調子函數（Callback Subfunction）的編寫。例如在實驗四中，若期望穿越頻率大于原系統的穿越頻率，則應采用超前校正，此時使“滯后校正”按鈕不可用，反之，則相反。
若實現上述功能，則在期望穿越頻率的編輯框的回調函數中實現，之前設置此編輯框的“Flag”屬性為“qomig”。
function qomig_Callback（hObject，eventdata，handles）%-----以下為實際編寫的代碼-------
yomig=str2double （get（handles.yomig，´string´））；%原穿越頻率
qomig=str2double（get（handles.qomig，´string´））；%期望穿越頻率
if yomig < qomig 期望穿越頻率大
于原穿越頻率
set（handles.lead，´Enable´，´on´）；%超前校正按鈕能用
set（handles.delay，´Enable´，´off´）；%滯后校正按鈕不能用
elseif yomig > qomig
set（handles.lead，´Enable´，´off´）；
set（handles.delay，´Enable´，´on´）；
end
在設計過程中，編寫回調函數、調節控件布局可交叉或復合進行。
五、結束語
軟件基于MATLAB中具有可視化編程能力的圖形用戶界面GUI而設計的，以MATLAB m代碼以及SIMULINK模型為技術手段開發而成。此軟件的使用有效的克服了傳統模擬實驗的局限性，且與傳統模擬實驗互相補充，操作簡單易行、快速可靠，且界面友好、可讀性強。
實驗仿真系統包含的7個實驗，囊括了自動控制理論的基本知識點，是課堂理論學習的必要的補充，學生通過學習既能加強對基本理論的學習，又能鍛煉學生的自主性和創新性，給枯燥的學習帶來了很多趣味性和生動性。與此同時，此軟件的使用使教學效果事半功倍，提高了教學質量。
參考文獻：
[1]薛定宇�？刂葡到y計算機輔助設計———MATLAB語言及應用[M].第3版。北京：清華大學出版社，2012.
[2]謝峰云。基于MATLAB的控制系統CAI設計[J].長春大學學報，2007，17（6）：33-35.
[3]張翼成。基于MATLAB控制系統仿真分析軟件的開發與應用[J].茂名學院學報，2007，27（4）：40-43.
[4]張烈平，等。基于MATLAB的“自動控制原理”課程實驗CAI的實現[J].桂林工學院學報。2002，（4 ）。
[5]吳子彥，等。自動控制原理課程實驗數字化環境的開發[J].實驗室研究與探索，2005，24（增刊）：213-215.
【基于MATLAB 的自動控制原理實驗仿真系統的設計】相關文章：
系統分析與設計實驗心得09-04
仿真實驗心得體會10-19
仿真實驗心得體會(7篇)03-30
仿真實驗心得體會7篇03-20
機械原理課程設計心得11-21
基于CNS3與Wi eshark虛擬路由交換實驗平臺的搭建05-06
2023化工原理課程設計心得體會03-28
matlab實訓心得體會02-13
化工仿真實習心得04-03
C語言綜合設計實驗心得(3篇)06-27