基于MATLAB的自動控制仿真實驗平臺設計＊

范 娟，趙松瑞

（文華學院機械與電氣工程學部，湖北 武漢 430074）

基于MATLAB的自動控制仿真實驗平臺設計＊

范 娟，趙松瑞

（文華學院機械與電氣工程學部，湖北 武漢 430074）

為了解決《自動控制原理》理論教學過程中學生在概念理解方面遇到的困難，減少復雜的計算和曲線繪制，借助MATLAB軟件設計了自動控制虛擬仿真實驗平臺。該平臺針對《自動控制原理》課程所涉及的內容進行設計，借助友好的人機交互界面，學生可以按需求改變實驗內容和相應參數，不被固定的實驗框架所限制，改變了傳統的教學實驗模式。這種方式有利于激發學生的主動性和創新性，顯著改善了學習效果，提高了教學質量。

MATLAB；CAI教學；《自動控制原理》；仿真實驗平臺

目前，《自動控制原理》課程的教學基本分為理論教學和實驗教學兩部分。理論教學通過課堂講解傳授有關理論知識，通常會出現學生對一些概念理解不清，過程計算浪費時間比較長，上課難以跟上進度等問題。另一項內容就是實驗教學，即在學生掌握一定理論知識之后開設，采取學生課前預習，課中實驗，課后總結書寫實驗報告的形式。

實驗教學由電子實驗臺和示波器搭配進行，隨著學生人數的不斷增加，需要提供大量的硬件實驗設備，所以，學校要不斷加大對硬件的投入力度。

隨著計算機技術的進步和虛擬仿真技術的出現，CAI教學方式[1]為我們指明了解決《自動控制原理》課堂問題的新方向。MATLAB被視為《自動控制原理》所需的重要仿真工具，而以MATLAB為中心的仿真實驗平臺應運而生。利用該平臺，學生可以將理論與實踐相結合，模擬和仿真常見的控制環節。這樣做，有利于激發學生的主動性和創新性，顯著改善學習效果。

1 仿真平臺設計

1.1 仿真平臺設計現狀

國內外有許多高校利用仿真平臺改變傳統《自動控制原理》的教學過程，它們分別利用VB、WEB等與MATLAB軟件相結合[2]，或者直接利用MATLABGUI功能創建虛擬實驗平臺，使原本需要復雜編程才能實現的功能簡單化、網絡化，從而改變了傳統的教學實驗模式，使學習更加方便，知識更容易理解，大大提高了學生學習的積極性。

1.2 軟件介紹

MATLAB在《自動控制原理》方面應用得非常廣泛，它可以利用simulink直接創建系統框圖，并可以輸入和輸出相關數據，同時，通過創建“.m”文件實現對系統的各種分析。自從MATLAB的圖形用戶界面（GUI）功能出現[3]，可以直接通過“guide”命令創建實驗平臺。

在空白的GUI中，可以通過添加按鈕和文本設計自己的GUI。空白的GUI可以創建按鈕、滑塊、單選按鈕、復選框、可編輯文本、靜態文本、彈出式菜單、列表框、切換按鈕、表、軸、面板、按鈕組和ActiveX控件等。所需的按鈕添加到空白的GUI中會形成一個包含所有內容的“.m”文件。在該文件中，可以利用MATLAB語言設計各個模塊和按鍵的功能，建立它們之間的聯系[4]。同時，菜單欄在制作GUI時也會給予很大的幫助，可以簡化設計。

1.3 平臺總體框架

本文介紹的自動控制仿真實驗平臺是在MATLAB 2014b版本中開發的，主要利用了其圖形用戶界面功能[5]。該自動控制仿真實驗平臺具有友好的人機交互界面，具有繪制圖形曲線的繪圖功能以及多樣化的操作方式，可以有效分析控制系統的相關參數，具有控制系統校正設計功能。仿真平臺用戶界面如圖1所示。

圖1 自動控制原理仿真實驗平臺主界面

2 仿真平臺功能介紹

為了增強平臺的實用性，為用戶提供便捷的操作，特將平臺設計為3個大的模塊，分別是數字函數計算器、自動控制實驗平臺和軟件使用說明。

2.1 數字函數計算器

數字函數計算器是自動控制實驗平臺的輔助計算工具，它包括普通數字計算，以及進行復雜一元函數和二元函數圖形繪制功能，如圖2所示。

圖2 數字函數計算器

2.2 自動控制實驗平臺

自動控制實驗平臺模塊是該仿真軟件的主體部分，絕大多數仿真功能都在該模塊進行。結合《自動控制原理》課程所涉及的內容，經過系統設計，將該模塊分為控制系統建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析、控制系統的校正、離散系統的分析和校正以及非線性控制系統分析等7個部分，它們可以實現各自不同的功能。其子程序界面如圖3所示。

圖3 自動控制實驗平臺界面

控制系統建模的主要功能有傳遞函數模型的構建，零極點模型的描述和2種模型之間的模型轉換，以及控制系統的串聯、并聯、正反饋和負反饋連接等。

線性系統時域分析功能有2種控制系統建模方式和3種基本輸入。在單位階躍、單位脈沖、單位斜坡下，輸出輸入函數的特征根、阻尼比、閉環根、無阻尼振蕩頻率的數據；在閉環階躍輸入信號下，輸出位置誤差、上升時間、峰值時間、超調量、調節時間和衰減比，并最終顯示響應曲線。

線性系統根軌跡分析功能是輸出根軌跡圖和零極點分布圖，同時，在繪制出根軌跡圖形后，可以在圖中選取自己所需的點，求出它的增益和閉環極點，以及做根軌跡滯后校正。線性系統頻域分析的功能是繪制系統的波德圖、奈奎斯特圖和尼科爾斯圖，并輸出頻域分析的幅值裕度、相角裕度、截止頻率和穿越頻率等性能，分析輸入函數。

控制系統的校正分析主要是對輸入系統串聯校正，輸入不同的校正系統的截止頻率，輸出校正前后系統的頻域分析數據，繪制對應的校正前后的波德圖，實現對輸入系統的分析和校正。離散系統的分析校正研究的是，輸入連續系統離散化后，在固定采樣周期條件下，實現輸入系統在“最小拍控制”條件下的系統設計，并輸出相對應的圖形和數字脈沖傳遞函數。

對于非線性控制系統分析，運用描述函數法分析線性環節和非線性環節的負倒描述函數，輸出奈奎斯特曲線，判定非線性系統的穩定性。

2.3 使用說明

該自動控制原理仿真實驗平臺設計了軟件使用說明模塊，分別對各個模塊進行了詳細說明。這樣可以幫助用戶詳細了解該平臺的功能，教會他們如何正確應用該仿真軟件。

3 仿真平臺應用實例

如果利用該仿真實驗平臺進行操作，其操作步驟是：以零極點增益方式2建立傳遞函數（在無極點或零點等其他數據出現時請填寫“[]”），單擊校正前頻率分析數據區域的“單機求解”按鈕，便可求解校正前的幅值裕度、相角裕度及其對應的截止頻率、穿越頻率，然后選取合適的值，輸入校正系統的截止頻率ωm，單擊“繪制校正前后波德圖輸出校正后頻率分析數據”按鈕即可。如圖4所示，虛線為校正前的函數圖像，實線為校正后的函數圖像。

由圖4可知，校正后的開環系統截止頻率cω′′≥4.4rad/s，相角裕度γ′′＝49.3369≥45°，幅值裕度為正無窮，滿足設計要求，超前網絡參數a＝3.9417，T＝0.11447，最大超前角φm＝0.63761，由可得超前網絡傳遞函數公式：

圖4 系統校正分析

4 結束語

通過對《自動控制原理》課程教學內容和教學方法的分析，基于MATLAB軟件開發設計了自動控制仿真實驗平臺。結合虛擬仿真平臺教學，不僅可以激發學生的學習興趣，提高他們的學習效率，還能獲得比純理論教學更好的教學效果。自動控制仿真實驗平臺的應用和不斷完善勢在必行。

為了使仿真軟件更加方便、高效、實用，對仿真平臺的研究將會更加網絡化，以不斷強化其基礎計算方面的功能，不斷完善其數據擬合、概率統計和圖形圖像處理能力。

在接下來的發展過程中，還需要不斷完善實驗內容，讓操作更靈活，表達更直觀，為學生或相關學習者提供更有力的支持。

［1］宗曉萍，王霞，唐予軍.基于MATLAB的“自動控制原理”CAI教學設計［J］.信息化教學，2009，30（11）.

［2］彭道剛，楊平，金光遠.基于VB和MATLAB的“自動控制原理”CAI軟件設計［J］.上海電力學院學報，2006（02）.

［3］張采芳，余愿，魯艷旻.MATLAB編程及仿真應用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2014.

［4］張春慧，宋哲英，王蒙.基于MATLABGUI的自動控制原理虛擬實驗平臺的開發與研究［J］.內蒙古農業大學學報，2015，36（3）.

［5］師黎，王治忠，費敏銳.基于VRML與MATLAB的智能控制虛擬實驗室設計與實現［J］.儀器儀表學報，2008，29（12）.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.058

2095－6835（2017）17－0058－03

范娟（1978—），女，湖北黃州人，講師，主要從事自動控制理論教學工作。

〔編輯：白潔〕

文華學院質量工程資助項目（J0900740715）