基于MATLAB的控制系統頻率特性實驗的開發(fā)圖文精

1、基于 MAT LAB 的控制系統頻率特性實驗的開發(fā)祁文哲 王莉莉 孟建軍(蘭州交通大學機電工程學院 蘭州 730070摘 要 設計了基于 MAT LAB 的虛擬實驗系統 , 通過驗證和試運行 , 此虛擬實驗系統很好地實現了在計算機平 臺上頻率特性實驗的演示和仿真功能 。關鍵詞 自動控制原理 ; 頻率特性 ; 虛擬實驗系統 ;MAT LAB中圖分類號 TP3D evelop i n g of Frequency Character isti i mBa sed on M(College of Lanzhan 730070, China Abstract is on MAT LAB. The fu

2、ncti on of showing of the frequency char 2 acteristic and the on ol system is achieved perfectly by use .Key words p rincip le of aut o -contr ol; frequency characteristic; virtual experi ment system; MAT LAB1 引 言自動化是我國六大高新技術之一 , 而實驗課是 自動控制原理 整個教學過程中不可缺少的重要組 成部分 , 它可以將理論和實踐緊密的聯系起來 , 使學 生加深對所學知識的理解 。

3、我院傳統的自動控制原理實驗由于系統本身如電 子器件的老化 , 接觸不良 , 功能不全等缺點以及由于接 線相對復雜 , 使得實驗 , 尤其是頻率特性的實驗很難得 到預期的效果 , 實驗效率低 ; 隨著各高校擴招 , 學生多、 儀器少的問題更加突出 , 難以保證正常的實驗教學。 因此我們的改進措施從硬件系統的改進開發(fā)入手。 教學設備從傳統的“ 物理實驗臺 ” 轉化到計算機 平臺上的 “ 虛擬實驗臺 ” 是信息時代充分利用計算機 技術和網絡技術開展教學活動的一大特征 。我們利 用 MAT LAB 強大的圖形對象屬性設置及 G U I 圖形用 戶界面制作技術進行自動控制教學實驗教學 , 開發(fā)實 驗系統

4、 。 從而給學生提供一個友好靈活的交互式人 機界面 , 使學生能夠全方位地接受教學信息 , 從而起 到良好的教學實驗效果 。2 基于 MAT LAB 的頻率特性教學實驗系統設計2. 1實驗平臺概述此實驗教學軟件基于 MAT LAB 平臺 , 針對實驗 內容 , 演示自動控制原理中頻域分析方法 , 并且通過 系統仿真 , 獲取準確的實驗效果 , 輔助教師指導學生 成功地完成實驗教學 , 在實驗中 , 學生可以更直觀的 觀察實驗結果 , 更深層次的理解其中的分析方法 , 掌 握有關概念 。 此教學軟件根據自動控制原理課程內 容 , 輔助教學完成系統頻率特性分析及繪圖 , 為教師 和學生提供了一個方

5、便 、 靈活的系統分析與實驗的軟 件操作平臺 。2. 2軟件設計2. 2. 1總體考慮此系統實驗平臺設計中 , 特性演示部分是通過 MAT LAB 語言編程和用戶交互式界面 G U I 共同完成 界面設計 , 使學生可以更方便 、 直觀的觀察線性系統 的頻率特性情況 , 并可隨意地修改參數 , 以得到不同 系統的幅頻曲線與相頻曲線 ; 同時計算任意點的頻率 特性 , 幅頻特性 , 相頻特性的值 。實驗的仿真部分則 通過 SI M UL I N K 實現 。2. 2. 2技術關鍵的具體解決方法在系統的實現過程中 , 需要對傳遞函數進行 定義 , 函數為 :G =tf (num , den 其中

6、num 表示傳遞函數的分子 , den 表示傳遞函 數的分母 。要計算某一特定點的特性值用以下函數 :收稿日期 :2006-01-13作者簡介 :祁文哲 (1966- , 副教授 , 研究方向 :測控技術與儀器 。04Modern Scientific I nstru ments 2007 2 系統頻率特性 :G w =polyval (nu m , j 3w . /poly2 val (den, j 3w 幅頻特性 :mag =abs (G w 相頻特性 :pha =angle (G w 其中 j 為虛部變量 。 Bode 圖功能 :求連續(xù)系統的 Bode (波特 頻率響應格式 :mag,p

7、hase, w =bode (a, b, c, d mag,phase, w =bode (a . b, c . d, w mag,Phase, w =bode (nu m , den mag,phase, w =bode (num , den, w 說明 :bode相頻響應曲線 (即 增益裕度 、 相位裕度 、 擾動抑制及其 穩(wěn)定性等特性 。 , bode 函數可在當 前圖形窗口中直接繪制出 LTI 系統的 Bode 圖 。 2. 2. 3基于 S I M UL I N K 系統仿真的實現模型文件的創(chuàng)建 :選中 MAT LAB 指令窗或某 模型窗中的菜單 File:Ne w:Model在模型

8、窗中打開 SI M UL I N K 模塊庫瀏覽器窗口。 在上圖的右側子模塊窗口中 , 單擊“ Souce ” 子 模塊庫前的 “ +” 。用鼠標單擊所需要的輸入信號源模塊“ Sine W ave ” (正弦信號 , 將其拖放到空白模型窗口“ unti 2 tled ” , 則 “ Sine W ave ” 模塊就被添加到 untitled 窗口 . 用同樣的方法尋找其它子模塊庫 , 選擇其中 的 “ Scope ” 模塊 (示波器 和 “ Transfer Fcn ” 模塊 (傳遞 函數 拖放到 “ untitled ” 窗口中 。在 “ untitled ” 窗口中 , 建立模型 。開始仿

9、真 , 在窗口中單擊“ 開始仿真 ” 。雙擊 “ Scope ” 模塊出現示波器顯示屏 , 可以看到黃色的正 弦波形 。保存模型 。2. 3系統界面設計本系統包括歡迎界面 、 系統簡介界面 、 系統主界 面 、 一階系統 、 二階系統 、 相關內容 、 系統仿真 、 操作說 明 、 相關信息 、 退出系統等十個界面 。在進入 MAT LAB G U I 之后 , 對要求的界面進行必 要的屬性設置 , 激活界面 , 產生回調函數 , 其中回調函 數包括系統自動生成的 G U I 初始化和組件界面布局控 制代碼 , 以及要求編程者編寫的功能實現代碼。 其中 以一階系統為例 , yjj m . m

10、文件中 , 主要程序代碼如下 :clfcl ose allhf =figure ( positi on , 313, 79, 250, 443 ; nu m =str2nu m (get (handles . fenzi, string ; den =str2nu m (get (handles . fenmu, string ; w =str2num (get (handles . ww, string ;G W =polyval (num , j 3w . /polyval(den, j 3w AW =abs (G W phy =angle (G W set (handles . tx,

11、, G W set (, . , phy (, den ;bode (G ;2. 4軟件系統的功能模塊使用與操作方法打開 MAT LAB 軟件圖標 , 等待軟件穩(wěn)定后 , 將系統 存儲位置設置為當前目錄 , 方法為 :在命令窗口中輸入 cd c:mydesign p ltxsyxt 。輸入 hyj m , 進入頻率特性教學實驗系統。 如圖 1 。圖 1 歡迎界面點擊 “ 進入系統 ” , 則進入系統主界面 , 用戶可以 根據實驗內容演示其系統結構的頻率特性 , 以及進行 仿真實驗 。 如圖 2 。圖 2 系統主界面14現代科學儀器 2007 22. 4. 1特性演示 我們以一階系統特性演示為例

12、 , 介紹一個具體的 操作方法 。單擊特性演示框圖中的 “ 一階系統 ” 按鈕 , 系統會 彈出一階系統頻率特性演示窗口 , 在此窗口 , 用戶可 以進行特性演示 。 如圖 3。 圖 3在此窗口中 , 系統給出一階系統的傳遞函數形式 為一般式 as +b /cs+d, 用戶在分子和分母編輯框內 填入合適的參數 , 即可構成一個一階系統的傳遞函 數 , 點擊 “ 運行 ” 按鈕 , 在左邊的圖形框內就會出現此系統的 BODE 圖 , 改變參數 , 則可得到不同的傳遞函 數 , 同樣可以得到不同的 BODE 圖 。在 “ 系統頻率特性 ” 框圖中輸入 的值 , 就可以 計算出特定頻率點的系統特性值

13、 , 幅頻特性值和相頻 特性值 。用鼠標在圖上單擊取點 , 即可顯示該點的頻率 , 幅值 , 相位 。單擊 “ 相關內容 ” , 可以查看有關頻率特性的知識 與操作方法 。在系統的各個部分 , 都為用戶提供了 “ 相關內容 ” 窗口 , 以便用戶查詢相關知識與操作 。 單擊 “ 返回主界面 ” , 則可進行下一步的操作 。二階系統的特性演示同一階系統 , 在此不贅述 。2. 4. 2系統仿真再回到系統主界面窗口 , 在系統仿真框圖中 , 單 擊 “ 系統仿真 ” , 則可進入系統仿真窗口 , 如圖 4。此仿真窗口有三部分組成 , 系統方框圖窗口 , 示 波器窗口和系統主界面窗口 。系統仿真這部

14、分主要是用于學生實驗。 點擊系統 方框圖窗口中的 ! 按鈕 , 則在示波器窗口中出現波形。在示波器窗口 , 學生可以測得其輸入信號的幅 值 , 相位 , 頻率 , 然后測量輸出信號的幅值 , 相位 , 頻 率 。 根據公式 , 計算其振幅和相移 , 得到系統的頻率 特性 。 將計算出的結果與理論值比較 , 加深對系統頻 率特性的理解。 4 系統仿真窗口, 雙擊“ SI N E WAVE ” , 用戶 可以設置輸入正弦波所要求的振幅 , 振幅偏移值 , 正弦頻率 , 初始相角 , 采樣時間 ; 雙擊 “ Transfer Fcn ” , 也可以 改變系統的傳遞函數形式 , 從而改變系統的頻率特性

15、。3 結 論通過對現有的自動控制原理實驗臺的分析與研究 , 本文提出了從硬件角度與軟件角度改進與開發(fā)頻 率特性實驗臺的方案 。從硬件方面進行頻率特性實驗臺的改進包括對 實驗臺的分析 , 實驗器件的選擇 , 各實驗小模塊的電 路設計以及整體頻率特性實驗模塊的優(yōu)化設計 。從軟件方面實施頻率特性教學實驗系統的開發(fā) , 它基于 MAT LAB G U I, 可以實現系統頻率特性的分析 與演示 , 通過系統仿真進行頻率特性的實驗 。這樣 , 可以使實驗更方便 , 靈活 , 實驗結果更精確 ; 將其運用 于課堂 , 則使課堂內容更豐富 。 更易于接受 。參考文獻1程鵬 . 自動控制原理 . 北京 :高等教育出版社 , 2003年 8月 2胡壽松 . 自動控制原理 . 北京 :科學出版社 , 2001年3鄭阿奇 . MAT LAB 實用教程 . 北京 :電子工業(yè)出版社 , 2004年 5月 4張志涌 . 精通 MAT LAB6. 5版 . 北京 :北京航空航天大學出版社 , 2003年 3月5樓順天 , 于衛(wèi) . 基于 MAT LAB 的系統分析與設計 控制系統 . 西安 :西安電子科技大學社 ,