基于MATLAB的控制系统频率特性实验的开发图文精

1、基于 MAT LAB 的控制系统频率特性实验的开发祁文哲 王莉莉 孟建军(兰州交通大学机电工程学院 兰州 730070摘 要 设计了基于 MAT LAB 的虚拟实验系统 , 通过验证和试运行 , 此虚拟实验系统很好地实现了在计算机平 台上频率特性实验的演示和仿真功能 。关键词 自动控制原理 ; 频率特性 ; 虚拟实验系统 ;MAT LAB中图分类号 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 言自动化是我国六大高新技术之一 , 而实验课是 自动控制原理 整个教学过程中不可缺少的重要组 成部分 , 它可以将理论和实践紧密的联系起来 , 使学 生加深对所学知识的理解 。

3、我院传统的自动控制原理实验由于系统本身如电 子器件的老化 , 接触不良 , 功能不全等缺点以及由于接 线相对复杂 , 使得实验 , 尤其是频率特性的实验很难得 到预期的效果 , 实验效率低 ; 随着各高校扩招 , 学生多、 仪器少的问题更加突出 , 难以保证正常的实验教学。 因此我们的改进措施从硬件系统的改进开发入手。 教学设备从传统的“ 物理实验台 ” 转化到计算机 平台上的 “ 虚拟实验台 ” 是信息时代充分利用计算机 技术和网络技术开展教学活动的一大特征 。我们利 用 MAT LAB 强大的图形对象属性设置及 G U I 图形用 户界面制作技术进行自动控制教学实验教学 , 开发实 验系统

4、 。 从而给学生提供一个友好灵活的交互式人 机界面 , 使学生能够全方位地接受教学信息 , 从而起 到良好的教学实验效果 。2 基于 MAT LAB 的频率特性教学实验系统设计2. 1实验平台概述此实验教学软件基于 MAT LAB 平台 , 针对实验 内容 , 演示自动控制原理中频域分析方法 , 并且通过 系统仿真 , 获取准确的实验效果 , 辅助教师指导学生 成功地完成实验教学 , 在实验中 , 学生可以更直观的 观察实验结果 , 更深层次的理解其中的分析方法 , 掌 握有关概念 。 此教学软件根据自动控制原理课程内 容 , 辅助教学完成系统频率特性分析及绘图 , 为教师 和学生提供了一个方

5、便 、 灵活的系统分析与实验的软 件操作平台 。2. 2软件设计2. 2. 1总体考虑此系统实验平台设计中 , 特性演示部分是通过 MAT LAB 语言编程和用户交互式界面 G U I 共同完成 界面设计 , 使学生可以更方便 、 直观的观察线性系统 的频率特性情况 , 并可随意地修改参数 , 以得到不同 系统的幅频曲线与相频曲线 ; 同时计算任意点的频率 特性 , 幅频特性 , 相频特性的值 。实验的仿真部分则 通过 SI M UL I N K 实现 。2. 2. 2技术关键的具体解决方法在系统的实现过程中 , 需要对传递函数进行 定义 , 函数为 :G =tf (num , den 其中

6、num 表示传递函数的分子 , den 表示传递函 数的分母 。要计算某一特定点的特性值用以下函数 :收稿日期 :2006-01-13作者简介 :祁文哲 (1966- , 副教授 , 研究方向 :测控技术与仪器 。04Modern Scientific I nstru ments 2007 2 系统频率特性 :G w =polyval (nu m , j 3w . /poly2 val (den, j 3w 幅频特性 :mag =abs (G w 相频特性 :pha =angle (G w 其中 j 为虚部变量 。 Bode 图功能 :求连续系统的 Bode (波特 频率响应格式 :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 说明 :bode相频响应曲线 (即 增益裕度 、 相位裕度 、 扰动抑制及其 稳定性等特性 。 , bode 函数可在当 前图形窗口中直接绘制出 LTI 系统的 Bode 图 。 2. 2. 3基于 S I M UL I N K 系统仿真的实现模型文件的创建 :选中 MAT LAB 指令窗或某 模型窗中的菜单 File:Ne w:Model在模型

8、窗中打开 SI M UL I N K 模块库浏览器窗口。 在上图的右侧子模块窗口中 , 单击“ Souce ” 子 模块库前的 “ +” 。用鼠标单击所需要的输入信号源模块“ Sine W ave ” (正弦信号 , 将其拖放到空白模型窗口“ unti 2 tled ” , 则 “ Sine W ave ” 模块就被添加到 untitled 窗口 . 用同样的方法寻找其它子模块库 , 选择其中 的 “ Scope ” 模块 (示波器 和 “ Transfer Fcn ” 模块 (传递 函数 拖放到 “ untitled ” 窗口中 。在 “ untitled ” 窗口中 , 建立模型 。开始仿

9、真 , 在窗口中单击“ 开始仿真 ” 。双击 “ Scope ” 模块出现示波器显示屏 , 可以看到黄色的正 弦波形 。保存模型 。2. 3系统界面设计本系统包括欢迎界面 、 系统简介界面 、 系统主界 面 、 一阶系统 、 二阶系统 、 相关内容 、 系统仿真 、 操作说 明 、 相关信息 、 退出系统等十个界面 。在进入 MAT LAB G U I 之后 , 对要求的界面进行必 要的属性设置 , 激活界面 , 产生回调函数 , 其中回调函 数包括系统自动生成的 G U I 初始化和组件界面布局控 制代码 , 以及要求编程者编写的功能实现代码。 其中 以一阶系统为例 , yjj m . m

10、文件中 , 主要程序代码如下 :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软件系统的功能模块使用与操作方法打开 MAT LAB 软件图标 , 等待软件稳定后 , 将系统 存储位置设置为当前目录 , 方法为 :在命令窗口中输入 cd c:mydesign p ltxsyxt 。输入 hyj m , 进入频率特性教学实验系统。 如图 1 。图 1 欢迎界面点击 “ 进入系统 ” , 则进入系统主界面 , 用户可以 根据实验内容演示其系统结构的频率特性 , 以及进行 仿真实验 。 如图 2 。图 2 系统主界面14现代科学仪器 2007 22. 4. 1特性演示 我们以一阶系统特性演示为例

12、 , 介绍一个具体的 操作方法 。单击特性演示框图中的 “ 一阶系统 ” 按钮 , 系统会 弹出一阶系统频率特性演示窗口 , 在此窗口 , 用户可 以进行特性演示 。 如图 3。 图 3在此窗口中 , 系统给出一阶系统的传递函数形式 为一般式 as +b /cs+d, 用户在分子和分母编辑框内 填入合适的参数 , 即可构成一个一阶系统的传递函 数 , 点击 “ 运行 ” 按钮 , 在左边的图形框内就会出现此系统的 BODE 图 , 改变参数 , 则可得到不同的传递函 数 , 同样可以得到不同的 BODE 图 。在 “ 系统频率特性 ” 框图中输入 的值 , 就可以 计算出特定频率点的系统特性值

13、 , 幅频特性值和相频 特性值 。用鼠标在图上单击取点 , 即可显示该点的频率 , 幅值 , 相位 。单击 “ 相关内容 ” , 可以查看有关频率特性的知识 与操作方法 。在系统的各个部分 , 都为用户提供了 “ 相关内容 ” 窗口 , 以便用户查询相关知识与操作 。 单击 “ 返回主界面 ” , 则可进行下一步的操作 。二阶系统的特性演示同一阶系统 , 在此不赘述 。2. 4. 2系统仿真再回到系统主界面窗口 , 在系统仿真框图中 , 单 击 “ 系统仿真 ” , 则可进入系统仿真窗口 , 如图 4。此仿真窗口有三部分组成 , 系统方框图窗口 , 示 波器窗口和系统主界面窗口 。系统仿真这部

14、分主要是用于学生实验。 点击系统 方框图窗口中的 ! 按钮 , 则在示波器窗口中出现波形。在示波器窗口 , 学生可以测得其输入信号的幅 值 , 相位 , 频率 , 然后测量输出信号的幅值 , 相位 , 频 率 。 根据公式 , 计算其振幅和相移 , 得到系统的频率 特性 。 将计算出的结果与理论值比较 , 加深对系统频 率特性的理解。 4 系统仿真窗口, 双击“ SI N E WAVE ” , 用户 可以设置输入正弦波所要求的振幅 , 振幅偏移值 , 正弦频率 , 初始相角 , 采样时间 ; 双击 “ Transfer Fcn ” , 也可以 改变系统的传递函数形式 , 从而改变系统的频率特性

15、。3 结 论通过对现有的自动控制原理实验台的分析与研究 , 本文提出了从硬件角度与软件角度改进与开发频 率特性实验台的方案 。从硬件方面进行频率特性实验台的改进包括对 实验台的分析 , 实验器件的选择 , 各实验小模块的电 路设计以及整体频率特性实验模块的优化设计 。从软件方面实施频率特性教学实验系统的开发 , 它基于 MAT LAB G U I, 可以实现系统频率特性的分析 与演示 , 通过系统仿真进行频率特性的实验 。这样 , 可以使实验更方便 , 灵活 , 实验结果更精确 ; 将其运用 于课堂 , 则使课堂内容更丰富 。 更易于接受 。参考文献1程鹏 . 自动控制原理 . 北京 :高等教育出版社 , 2003年 8月 2胡寿松 . 自动控制原理 . 北京 :科学出版社 , 2001年3郑阿奇 . MAT LAB 实用教程 . 北京 :电子工业出版社 , 2004年 5月 4张志涌 . 精通 MAT LAB6. 5版 . 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2003年 3月5楼顺天 , 于卫 . 基于 MAT LAB 的系统分析与设计 控制系统 . 西安 :西安电子科技大学社 ,