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基于MATLAB 的自动控制原理实验仿真系统的设计
基于MATLAB 的自动控制原理实验仿真系统的设计
田晴，张茁
（河北联合大学电气工程学院，河北唐山063000）
摘要：MATLAB的图形用户界面（GUI）为基于对象的可视化编程，本文以此为基础，进行了自动控制原理实验仿真系统的软件设计，仿真实验系统囊括了控制理论的大部分要点，较实验室传统性实验更全面、具体。应用GUIDE的设计，该系统操作简单，知识点表现清晰明了，学生能够在轻松的环境下，且不受地域时域的限制，掌握控制理论知识。
关键词：自动控制原理；实验仿真系统；MATLAB；GUIDE
基金项目：河北联合大学教育教学改革项目，项目编号：Y1340-10
一、引言
《自动控制原理》是自动化专业的基础课程，是控制科学与工程学科的一门方法论课程，主要培养学生掌握控制系统的分析和设计方法，其内容之多，理论性之强，决定了课程学习的难度。而实验课作为课堂教学的辅助内容，是培养学生自主性和创新性的重要环节。
目前实验室的实验教学采用模拟电路实验台，将集成电路模块进行连线，形成典型系统，通过示波器观察响应曲线。传统性实验训练了学生对以传递函数为核心的控制系统与模拟电路系统之间的联系的认识和实践能力，但也存在其局限性：（1）价格昂贵，占地很大，因为实验台有限，只能几个同学共用一个实验台，难以满足几百学生实验教学的需要；（2 ）同一个实验，教师要对学生分拨讲解，重复进行，浪费人力、物力；（3 ）由于实验设备的长期工作，造成电容积分饱和，致使出现实验误差；（4 ）实验设备高度集成，操作性复杂，参数变化有限，局限了综合性设计性实验的开展；（5 ）实验室难以做到全开放性，学生实验受地域和时域的限制。
因此，研制实验仿真系统是解决上述问题的有效措施。
二、软件的总体结构设计
MATLAB的图形用户界面（GUI）可实现可视化编程，不仅形象生动、互动友善、操作灵活，而且为人们提供了定性定量结合、局域全域结合、时域频域结合、模拟数字结合的数据探索、科学分析的仿真平台。
自动控制原理实验仿真系统以MATLAB-GUI为开发工具，采用Windows风格，基于自动控制原理与现代控制理论的主要理论与基本思想，按照实验教学大纲的要求，设计具有独立功能的模块来实现的。模块之间没有数据交流，每个模块表现为一个独立的实验内容，允许用户输入模型参数，选择按钮功能，实验系统的GUI界面中提供了数据结果和图形结果，供用户进行系统分析和设计。实验系统结构体系共分7个子模块。
1.典型环节的暂态特性。主要分析包括比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节和时滞环节的阶跃响应、根轨迹图、奈奎斯特图以及伯德图。观察曲线，并总结环节的主要特点。
2.二阶系统的暂态特性。通过阶跃输入、脉冲输入、斜坡输入，确定不同阻尼比时的输入响应曲线，读取性能指标；并研究零极点对二阶系统性能的影响。
3.控制系统的稳定性分析。通过五种方法，代数稳定判据、根轨迹判别、Nyquist稳定判据、Bode图判别、Lyapunov稳定性判据，给出系统的稳定性结论。
4.控制系统串联校正。属于设计性实验，要求根据已知的开环对数频率特性以及期望的性能指标，设计串联校正环节。可在原图上反复调试实验。
5.非线性典型环节特性。对几个典型的非线性特性，例如：饱和特性、死区特性、继电器特性等仿真其正弦响应。
6.非线性系统研究：通过相平面法和描述函数法绘图，分析非线性系统的稳定性以及自激振荡。
7.状态反馈与极点配置。根据状态空间模型，设计状态反馈增益矩阵K，实现期望极点配置。
三、实验仿真系统的功能实现
图形用户界面开发工具（GUIDE）是一种程式性的设计工具，借助GUIDE平台及其辅助设计工具，制作用户界面，既方便快捷，所得的界面文件也便于理解和维护。
图形用户界面开发工具GUIDE是一种程式性的设计工具，本仿真系统借助GUIDE辅助编程，实现过程以实验四为例。
第一，构思、明确任务阶段。实验四题目为控制系统的串联校正，旨在实现采用频率法设计系统校正环节，达到期望的性能指标。控制理论中应用频率法进行系统的串联校正，根据校正环节的相位特点，有超前校正和滞后校正两种，两种校正方法设计校正环节的思路不同，要求的条件也不相同，但是同样可以改善系统性能。
第二，几何界面的框架软件实现阶段。明确了设计任务，则要在GUI空白模板上进行控件的布局设计。
首先在GUI界面中要得到给定系统的开环模型，在实验四中，在“原系统”框给出原系统的基本信息，两个edit编辑框用于用户输入开环传函的分子分母系数多项式向量，“性能指标”框得到时域和频率的性能指标结果，PushBotton按钮“绘图”和“计算”根据用户输入的num和den向量信息，进行绘图和计算，绘图结果显示在“频率特性曲线”和“阶跃响应曲线”框给出axes坐标轴中。
“校正后系统”框，给出期望性能指标，选取校正方式，得到校正环节的传函，进行校正后系统的绘图和计算。
第三，完成各控件间相互关联的回调子函数（Callback Subfunction）的编写。例如在实验四中，若期望穿越频率大于原系统的穿越频率，则应采用超前校正，此时使“滞后校正”按钮不可用，反之，则相反。
若实现上述功能，则在期望穿越频率的编辑框的回调函数中实现，之前设置此编辑框的“Flag”属性为“qomig”。
function qomig_Callback（hObject，eventdata，handles）%-----以下为实际编写的代码-------
yomig=str2double （get（handles.yomig，´string´））；%原穿越频率
qomig=str2double（get（handles.qomig，´string´））；%期望穿越频率
if yomig < qomig 期望穿越频率大
于原穿越频率
set（handles.lead，´Enable´，´on´）；%超前校正按钮能用
set（handles.delay，´Enable´，´off´）；%滞后校正按钮不能用
elseif yomig > qomig
set（handles.lead，´Enable´，´off´）；
set（handles.delay，´Enable´，´on´）；
end
在设计过程中，编写回调函数、调节控件布局可交叉或复合进行。
五、结束语
软件基于MATLAB中具有可视化编程能力的图形用户界面GUI而设计的，以MATLAB m代码以及SIMULINK模型为技术手段开发而成。此软件的使用有效的克服了传统模拟实验的局限性，且与传统模拟实验互相补充，操作简单易行、快速可靠，且界面友好、可读性强。
实验仿真系统包含的7个实验，囊括了自动控制理论的基本知识点，是课堂理论学习的必要的补充，学生通过学习既能加强对基本理论的学习，又能锻炼学生的自主性和创新性，给枯燥的学习带来了很多趣味性和生动性。与此同时，此软件的使用使教学效果事半功倍，提高了教学质量。
参考文献：
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[3]张翼成。基于MATLAB控制系统仿真分析软件的开发与应用[J].茂名学院学报，2007，27（4）：40-43.
[4]张烈平，等。基于MATLAB的“自动控制原理”课程实验CAI的实现[J].桂林工学院学报。2002，（4 ）。
[5]吴子彦，等。自动控制原理课程实验数字化环境的开发[J].实验室研究与探索，2005，24（增刊）：213-215.
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