基于MATLAB的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田晴+張茁

摘要：MATLAB的圖形用戶(hù)界面（GUI）為基于對(duì)象的可視化編程，本文以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)囊括了控制理論的大部分要點(diǎn)，較實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)更全面、具體。應(yīng)用GUIDE的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，知識(shí)點(diǎn)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(shí)域的限制，掌握控制理論知識(shí)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)；MATLAB；GUIDE

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）27-0228-02

一、引言

《自動(dòng)控制原理》是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，是控制科學(xué)與工程學(xué)科的一門(mén)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(jì)方法，其內(nèi)容之多，理論性之強(qiáng)，決定了課程學(xué)習(xí)的難度。而實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用模擬電路實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將集成電路模塊進(jìn)行連線(xiàn)，形成典型系統(tǒng)，通過(guò)示波器觀察響應(yīng)曲線(xiàn)。傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)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(rèn)識(shí)和實(shí)踐能力，但也存在其局限性：（1）價(jià)格昂貴，占地很大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺(tái)有限，只能幾個(gè)同學(xué)共用一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，難以滿(mǎn)足幾百學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要；（2）同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師要對(duì)學(xué)生分撥講解，重復(fù)進(jìn)行，浪費(fèi)人力、物力；（3）由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的長(zhǎng)期工作，造成電容積分飽和，致使出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差；（4）實(shí)驗(yàn)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(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展；（5）實(shí)驗(yàn)室難以做到全開(kāi)放性，學(xué)生實(shí)驗(yàn)受地域和時(shí)域的限制。

因此，研制實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題的有效措施。

二、軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MATLAB的圖形用戶(hù)界面（GUI）可實(shí)現(xiàn)可視化編程，不僅形象生動(dòng)、互動(dòng)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(shí)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(tái)。

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)以MATLAB-GUI為開(kāi)發(fā)工具，采用Windows風(fēng)格，基于自動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的要求，設(shè)計(jì)具有獨(dú)立功能的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。模塊之間沒(méi)有數(shù)據(jù)交流，每個(gè)模塊表現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，允許用戶(hù)輸入模型參數(shù)，選擇按鈕功能，實(shí)驗(yàn)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(hù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系共分7個(gè)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(shí)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(xiàn)，并總結(jié)環(huán)節(jié)的主要特點(diǎn)。

2.二階系統(tǒng)的暫態(tài)特性。通過(guò)階躍輸入、脈沖輸入、斜坡輸入，確定不同阻尼比時(shí)的輸入響應(yīng)曲線(xiàn)，讀取性能指標(biāo)；并研究零極點(diǎn)對(duì)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(guò)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(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求根據(jù)已知的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性以及期望的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。可在原圖上反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)。

5.非線(xiàn)性典型環(huán)節(jié)特性。對(duì)幾個(gè)典型的非線(xiàn)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(xiàn)性系統(tǒng)研究：通過(guò)相平面法和描述函數(shù)法繪圖，分析非線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及自激振蕩。

7.狀態(tài)反饋與極點(diǎn)配置。根據(jù)狀態(tài)空間模型，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋增益矩陣K，實(shí)現(xiàn)期望極點(diǎn)配置。

三、實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)工具（GUIDE）是一種程式性的設(shè)計(jì)工具，借助GUIDE平臺(tái)及其輔助設(shè)計(jì)工具，制作用戶(hù)界面，既方便快捷，所得的界面文件也便于理解和維護(hù)。

圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)工具GUIDE是一種程式性的設(shè)計(jì)工具，本仿真系統(tǒng)借助GUIDE輔助編程，實(shí)現(xiàn)過(guò)程以實(shí)驗(yàn)四為例。

第一，構(gòu)思、明確任務(wù)階段。實(shí)驗(yàn)四題目為控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正，旨在實(shí)現(xiàn)采用頻率法設(shè)計(jì)系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)，達(dá)到期望的性能指標(biāo)。控制理論中應(yīng)用頻率法進(jìn)行系統(tǒng)的串聯(lián)校正，根據(jù)校正環(huán)節(jié)的相位特點(diǎn)，有超前校正和滯后校正兩種，兩種校正方法設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)階段。明確了設(shè)計(jì)任務(wù)，則要在GUI空白模板上進(jìn)行控件的布局設(shè)計(jì)。首先在GUI界面中要得到給定系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)模型，在實(shí)驗(yàn)四中，在“原系統(tǒng)”框給出原系統(tǒng)的基本信息，兩個(gè)edit編輯框用于用戶(hù)輸入開(kāi)環(huán)傳函的分子分母系數(shù)多項(xiàng)式向量，“性能指標(biāo)”框得到時(shí)域和頻率的性能指標(biāo)結(jié)果，PushBotton按鈕“繪圖”和“計(jì)算”根據(jù)用戶(hù)輸入的num和den向量信息，進(jìn)行繪圖和計(jì)算，繪圖結(jié)果顯示在“頻率特性曲線(xiàn)”和“階躍響應(yīng)曲線(xiàn)”框給出axes坐標(biāo)軸中。

“校正后系統(tǒng)”框，給出期望性能指標(biāo)，選取校正方式，得到校正環(huán)節(jié)的傳函，進(jìn)行校正后系統(tǒng)的繪圖和計(jì)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(xiě)。例如在實(shí)驗(yàn)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(shí)使“滯后校正”按鈕不可用，反之，則相反。若實(shí)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(shí)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(shí)際編寫(xiě)的代碼-------

yomig=str2double（get（handles.yomig，'string'））；%原穿越頻率endprint

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(jì)過(guò)程中，編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)、調(diào)節(jié)控件布局可交叉或復(fù)合進(jìn)行。

四、應(yīng)用舉例

以實(shí)驗(yàn)四為例，若原系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

W（s）=，要求串聯(lián)校正后系統(tǒng)期望相位裕量γ≥30，穿越頻率ω≥10 rad/s。設(shè)計(jì)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。

仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給出的結(jié)果如圖1。包括校正前后頻域、時(shí)域性能指標(biāo)的對(duì)比，伯德圖的對(duì)比，時(shí)域階躍響應(yīng)的對(duì)比，以及校正環(huán)節(jié)傳函W（s）=.

五、結(jié)束語(yǔ)

軟件基于MATLAB中具有可視化編程能力的圖形用戶(hù)界面GUI而設(shè)計(jì)的，以MATLAB m代碼以及SIMULINK模型為技術(shù)手段開(kāi)發(fā)而成。此軟件的使用有效的克服了傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的局限性，且與傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)互相補(bǔ)充，操作簡(jiǎn)單易行、快速可靠，且界面友好、可讀性強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)包含的7個(gè)實(shí)驗(yàn)，囊括了自動(dòng)控制理論的基本知識(shí)點(diǎn)，是課堂理論學(xué)習(xí)的必要的補(bǔ)充，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)既能加強(qiáng)對(duì)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(lái)了很多趣味性和生動(dòng)性。與此同時(shí)，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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