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基于MATLAB 的自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計
基于MATLAB 的自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計
田晴，張茁
�。ê颖甭�(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)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(chǔ)，進行了自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計，仿真實驗系統(tǒng)囊括了控制理論的大部分要點，較實驗室傳統(tǒng)性實驗更全面、具體。應(yīng)用GUIDE的設(shè)計，該系統(tǒng)操作簡單，知識點表現(xiàn)清晰明了，學(xué)生能夠在輕松的環(huán)境下，且不受地域時域的限制，掌握控制理論知識。
關(guān)鍵詞：自動控制原理；實驗仿真系統(tǒng)；MATLAB；GUIDE
基金項目：河北聯(lián)合大學(xué)教育教學(xué)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(yè)的基礎(chǔ)課程，是控制科學(xué)與工程學(xué)科的一門方法論課程，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法，其內(nèi)容之多，理論性之強，決定了課程學(xué)習(xí)的難度。而實驗課作為課堂教學(xué)的輔助內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生自主性和創(chuàng)新性的重要環(huán)節(jié)。
目前實驗室的實驗教學(xué)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(tǒng)，通過示波器觀察響應(yīng)曲線。傳統(tǒng)性實驗訓(xùn)練了學(xué)生對以傳遞函數(shù)為核心的控制系統(tǒng)與模擬電路系統(tǒng)之間的聯(lián)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(xué)共用一個實驗臺，難以滿足幾百學(xué)生實驗教學(xué)的需要；（2 ）同一個實驗，教師要對學(xué)生分撥講解，重復(fù)進行，浪費人力、物力；（3 ）由于實驗設(shè)備的長期工作，造成電容積分飽和，致使出現(xiàn)實驗誤差；（4 ）實驗設(shè)備高度集成，操作性復(fù)雜，參數(shù)變化有限，局限了綜合性設(shè)計性實驗的開展；（5 ）實驗室難以做到全開放性，學(xué)生實驗受地域和時域的限制。
因此，研制實驗仿真系統(tǒng)是解決上述問題的有效措施。
二、軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
MATLAB的圖形用戶界面（GUI）可實現(xiàn)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(jié)合、局域全域結(jié)合、時域頻域結(jié)合、模擬數(shù)字結(jié)合的數(shù)據(jù)探索、科學(xué)分析的仿真平臺。
自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)以MATLAB-GUI為開發(fā)工具，采用Windows風(fēng)格，基于自動控制原理與現(xiàn)代控制理論的主要理論與基本思想，按照實驗教學(xué)大綱的要求，設(shè)計具有獨立功能的模塊來實現(xiàn)的。模塊之間沒有數(shù)據(jù)交流，每個模塊表現(xiàn)為一個獨立的實驗內(nèi)容，允許用戶輸入模型參數(shù)，選擇按鈕功能，實驗系統(tǒng)的GUI界面中提供了數(shù)據(jù)結(jié)果和圖形結(jié)果，供用戶進行系統(tǒng)分析和設(shè)計。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系共分7個子模塊。
1.典型環(huán)節(jié)的暫態(tài)特性。主要分析包括比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)、根軌跡圖、奈奎斯特圖以及伯德圖。觀察曲線，并總結(jié)環(huán)節(jié)的主要特點。
2.二階系統(tǒng)的暫態(tài)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(yīng)曲線，讀取性能指標；并研究零極點對二階系統(tǒng)性能的影響。
3.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。通過五種方法，代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)、根軌跡判別、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)、Bode圖判別、Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)，給出系統(tǒng)的穩(wěn)定性結(jié)論。
4.控制系統(tǒng)串聯(lián)校正。屬于設(shè)計性實驗，要求根據(jù)已知的開環(huán)對數(shù)頻率特性以及期望的性能指標，設(shè)計串聯(lián)校正環(huán)節(jié)�？稍谠瓐D上反復(fù)調(diào)試實驗。
5.非線性典型環(huán)節(jié)特性。對幾個典型的非線性特性，例如：飽和特性、死區(qū)特性、繼電器特性等仿真其正弦響應(yīng)。
6.非線性系統(tǒng)研究：通過相平面法和描述函數(shù)法繪圖，分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及自激振蕩。
7.狀態(tài)反饋與極點配置。根據(jù)狀態(tài)空間模型，設(shè)計狀態(tài)反饋增益矩陣K，實現(xiàn)期望極點配置。
三、實驗仿真系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
圖形用戶界面開發(fā)工具（GUIDE）是一種程式性的設(shè)計工具，借助GUIDE平臺及其輔助設(shè)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(fā)工具GUIDE是一種程式性的設(shè)計工具，本仿真系統(tǒng)借助GUIDE輔助編程，實現(xiàn)過程以實驗四為例。
第一，構(gòu)思、明確任務(wù)階段。實驗四題目為控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正，旨在實現(xiàn)采用頻率法設(shè)計系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)，達到期望的性能指標。控制理論中應(yīng)用頻率法進行系統(tǒng)的串聯(lián)校正，根據(jù)校正環(huán)節(jié)的相位特點，有超前校正和滯后校正兩種，兩種校正方法設(shè)計校正環(huán)節(jié)的思路不同，要求的條件也不相同，但是同樣可以改善系統(tǒng)性能。
第二，幾何界面的框架軟件實現(xiàn)階段。明確了設(shè)計任務(wù)，則要在GUI空白模板上進行控件的布局設(shè)計。
首先在GUI界面中要得到給定系統(tǒng)的開環(huán)模型，在實驗四中，在“原系統(tǒng)”框給出原系統(tǒng)的基本信息，兩個edit編輯框用于用戶輸入開環(huán)傳函的分子分母系數(shù)多項式向量，“性能指標”框得到時域和頻率的性能指標結(jié)果，PushBotton按鈕“繪圖”和“計算”根據(jù)用戶輸入的num和den向量信息，進行繪圖和計算，繪圖結(jié)果顯示在“頻率特性曲線”和“階躍響應(yīng)曲線”框給出axes坐標軸中。
“校正后系統(tǒng)”框，給出期望性能指標，選取校正方式，得到校正環(huán)節(jié)的傳函，進行校正后系統(tǒng)的繪圖和計算。
第三，完成各控件間相互關(guān)聯(lián)的回調(diào)子函數(shù)（Callback Subfunction）的編寫。例如在實驗四中，若期望穿越頻率大于原系統(tǒng)的穿越頻率，則應(yīng)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(xiàn)上述功能，則在期望穿越頻率的編輯框的回調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)，之前設(shè)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(shè)計過程中，編寫回調(diào)函數(shù)、調(diào)節(jié)控件布局可交叉或復(fù)合進行。
五、結(jié)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(shè)計的，以MATLAB m代碼以及SIMULINK模型為技術(shù)手段開發(fā)而成。此軟件的使用有效的克服了傳統(tǒng)模擬實驗的局限性，且與傳統(tǒng)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(tǒng)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(xué)習(xí)的必要的補充，學(xué)生通過學(xué)習(xí)既能加強對基本理論的學(xué)習(xí)，又能鍛煉學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性，給枯燥的學(xué)習(xí)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(xué)效果事半功倍，提高了教學(xué)質(zhì)量。
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