基于Matlab-GUI界面的计算机控制系统设计及Simulink动态仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上第 24卷第 1期2002年 3月探测与控制学报Journa l of D etection & Con trolV o l. 24. N o. 1M ar. 2002专心-专注-专业设计及 S im u link动态仿真褚丹雷1,薛小龙2,胡国清1(1.厦门大学机电工程系,福建厦门;2.微软中国研究发展中心,北京)摘要:利用M a tlab软件进行计算机控制系统的设计,并通过 GU I界面 (图形用户界面)实现数字调节器的动态设计。用户可与计算机交互式地进行对象参数的设置、控制算法的选取、以及数字调节器的校正。并利用 M a tlab内嵌的 Sim u li

2、nk模块,实现系统的动态仿真所见即所得,满足不同用户的不同要求。文中便从理论算法实现 GU I界面设计以及 Sim u link仿真等几个方面进行详尽论述。关键词:系统;数字调节器;最小拍;大林算法; M a tlab; GU I; Sim u link中图分类号: TP 273文献标识码: A文章编号: 1008- 1194 (2002) 01- 0048- 050引言计算机控制系统是工业现代化的重要标志之一,而计算机控制系统的设计又往往涵概了信号与系统、自动控制、接口技术、数值分析等多方面的知识。因此要想设计出理想的数字调节器,能否选择了恰当的计算机设计语言便显的尤为重要。M a t la

3、b主要包括了主包、Sim u link模块和工具箱三大部分。它内嵌了大量的算法控制函数,是当前工程计算的标准之一。下面就如何利用该软件实现对带纯滞后环节的典型计算机控制系统的设计加以论述。1理论算法实现1. 1系统分析1. 1. 1控制系统建模在大多数工业过程控制中,带有纯滞后特性的控制对象是十分常见的。而对许多控制对象来说,都可以抽象为一个一阶或二阶惯性环节和一个纯滞后环节的串接。因而,由计算机进行直接数字控制(DDC )的典型反馈控制系统便可用以下框图加以表示,如图 1。图中: R (s)输入信号;R (z )经采样后的输入脉冲序列 (采样周期为 T );E (z )误差信号;D (z )

4、数字调节器 (计算机设计的软件模块) ;ZO H零阶保持器;图 1控制系统框图U (z )数字调节器的输出信号;G 0 (s)控制对象 (包括纯滞后环节和惯性环节 G (s) ) ;作者简介:褚丹雷 ( 1976) ,男,内蒙古包头市人,硕士研究生,主要从事计算机控制系统, PL C工业控制,自动控制理论,液压系统控制,以及M EM S方面的研究。已获国家发明专利一项,全国及省学术发明奖四项。一篇论文被IS I检索,现正从事立体停车库机器人的研究与开发。基于M a t lab 2GU I界面的计算机控制系统收稿日期: 49G 1 (s)ZO H与 G 0 (s)组成的广义对象 (输出为连续量)

5、 ;G 1 (z )广义对象的 Z变换 (输出为离散量) ;Y (s)、Y (z )输出信号,后者为前者的采样离散信号。1. 1. 2控制对象 G 0 (s)控制对象可抽象为一个一阶 (或二阶)惯性环节,串联一个纯滞后环节。其传递函数如下 (本文主要针对一阶的情况进行讨论) :K e K eT 0s + 1 T 1s + 1) (T 2s + 1)为了减少系统超调,实现系统的完全跟随,现设计一个数字调节D (z ) (软件模块) ,与广义传递函数G 1 (z )串联,组成典型的计算机反馈控制系统。考虑到调节器模拟化设计过程中,未考虑信号在采样与重构过程中受到的影响,故下文将用离散化设计方法 (

6、间接法)对系统进行设计,通过最小拍与大林算法两种途径,实现数字调节器 D (z )。1. 2最小拍设计K e,T 0s+ 1式中: K静态放大系数,T 0惯性环节时间常数。接零阶保持器 ZO H后的广义对象传递函数为:Ts- Tss s (T 0s + 1)- ( l+ 1)- 1所以,广义传递函数也存在纯滞后环节,滞后 ( l+ 1)拍。1. 2. 1基于单位阶跃输入的最小拍设计最小拍的设计思想是:使系统经过最小拍的时间滞后,实现完全跟随。即,经最小拍过渡,使系统静态误差为零。所以,对于阶跃输入应有:- ( l+ 1)- 1 1 2GB (z ) = 1 - G e (z )对由以上三式,可

7、得:a 1 = 1f 1 = f 2 = = f l = 1- 1- ( l+ 1)G 1 (z ) G e (z ) Kz (1- e - T T 0 ) (1- z - )- ( l+ 1)( ( l+ 2) ( l+ 3)1- z - 1所以,经 ( l+ 1)拍后,实现完全跟随。1. 2. 2输出波纹的消除波纹产生是由于D (z )的输出信号 U (k )存在波动变化而引起的,所以只要D (z ) G e (z )是 z - 1的有限项多项式,则可消除波纹。所以,只要在设计的软件模块中消除 G 1 (z )的全部零点,便可完全消除波纹。1. 3大林算法1. 3. 1大林算法的设计思路大

8、林算法是针对一些非数字随动系统而设计的。在这类系统中,并不严格要求系统在有限制拍内结褚丹雷等:基于M a t lab 2GU I界面的计算机控制系统设计及 Sim u link动态仿真- - 或G 0 (s) = (G 0 (s) =- S设已知控制对象的传递函数为: G 0 (s) =纯滞后时间,- S1 - e -K e (T为采样时间)G 1 (s) =G 0 (s) = (1 -)e(1- e -T T 0)Kz经 z变换后: G 1 (z ) =式中, l=- T T 01- eTzGB (z ) = a 1z+ + f lz - l) (1 + f 1z -+ f 2z -G e

9、(z ) = (1 -z所以, GB (z ) = z (实现了完全跟随)(1- e - T T 0z - 1)1- GB (z )z所以, D (z ) = = - ( l+ 1) ( l+ 1) ;z即, Y (z ) = GB (z ) R (z ) =;= z - l+ 1) + z -+ z -50探测与控制学报束过渡过程,而是要求系统能够无超调或超调尽量小的进行过渡。所以,大林算法是通过设计一个数字调节器 D (z ) ,使整个系统的闭环传递函数为一个带纯滞后环节的惯性系统,且静态放大系数为 1。即:e -GB (s) =T bs + 1GB (z )G 1 (z ) 1- GB

10、(z ) (1 - e - T T 0 ) (1 - e - T T 0z - 1)- T T 0 T b- ( l+ 1) - ( l+ 1) z1所以,实现了大林算法数字调节器的设计。1. 3. 2振铃现象的消除经分析可得 (详见 2 ,对于具有纯滞后环节的一阶惯性系统的对象来说,振铃幅度:- T T 0 T T b所以,只要 T bT 0R A0则无振铃现象产生。与此同时,一阶惯性系统的动态响应速度又取决于时间常数 T 0,且 T 0越大,响应速度越慢。为了兼顾稳定性和快速性,则此处选取:T b = T 02GU I界面实现及动态数字调节器软模块的设计在M a t lab环境下,要设计一

11、个界面友好的计算机仿真软件,设计过程主要包括两大部分: (1) GU I界面设计; (2)回调程序的设计。下面便分别从这两方面加以讨论。2. 1GU I界面设计实现动态数字调节器设计与仿真软件的界面见图 2。它共包含 5个区域:( 1)菜单区:位于整个界面的最上端。隐含了M a t lab自带的所有基本菜单 (将 figu re对象的“M enuB a r”属性设置为“N one”) ,添加了 file、too l、system、最小拍、大林算法、图 2系统设计界面两项的具体内容如图 3;(2)图形区:用于显示各计算机控制系统的动态仿真曲线,以及各系统的比较曲线;( 3)对象模型区:动态的显示

12、系统各相应环节的数学模型 (传递函数或脉冲传递函数)。由 4个单选按钮 (rad iobu t ton )和 4个编辑框 (ed it)组成。当用户的输入参数发生变化时,可通过单击响应的单选按钮,实现显示结果的实时图 3菜单内容刷新与显示;(4)控制按钮区:由 4个按钮组成 (p u shbu t ton ) ,实时的进行系统参数的设定,输出图像智能切换,并具有曲线刷新等功能。在使用该软件时,第一步便是按下“参数输入”按钮,进行系统设置,否则将给出出错信息;( 5)图形效果区:由一个滑动条组成 ( slider)。用于控制输出图形的明暗程度。其实在该区域还可根据用户要求加入其他图形控件,如色彩

13、选择器、线形控制器等等,但就实现方式来讲是完全一致的。故本窗口只设置了一个,以示说明。S ( = lT , T b为闭环传递函数的时间常数) (3 )由最小拍设计分析可知:D (z ) =将 (3 )式代入 D (z )得:D (z ) = ( l+ 1) 1 - e - T T 0z - 1 -(1 - e- T) z -K (1 -e- T T b(1- e)1ez因为, GB (z ) =Y (z ) = GB (z ) =1- e - T T bz -1- z - 1(1- z - 1) (T bs+ 1)- e -RA = eSim u link、help 7个菜单。每个菜单下又有各

14、级子菜单。其中512. 2回调程序设计该仿真软件之所以可以实现动态系统设计,正是由于笔者利用M a t lab编制了 43个大小不等的回(1)主控程序 m a in. m :软件的核心部分。包括了 GU I界面的初始化,相关文件的调用,控件的描绘,输入输出控制等等。可以说,只要在 GU I界面上存在事件触发,就会对该M文件进行调用。( 2)系统建模文件:主要包括 zxp. m与 d l. m ,前者负责最小拍数字调节器的动态建模,设计;后者负责大林算法数字调节器,并且包括相应的校正内容。主要通过“最小拍”和“大林算法”菜单下的一些子菜单进行回调。(3)输入输出文件:主要有 system 1.

15、m、system 2. m、system 3. m和 system 4. m 4个文件。分别控制在界面模型输出区输出“对象、广义对象、数字调节器、闭环系统”的传递函数。由于在M a t lab内建函数库中,不存在窗口动态文本输出函数,所以这 4个文件的编写较为繁杂。这 4个文件主要通过 4个单选框选取进行回调。(4)绘图文件:主要包括 fig1. m与 fig2. m。前者用于绘制各系统的单独仿真曲线,后者用于绘制两种计算机控制系统的输出比较曲线。主要通过控件按钮进行回调。其中 fig1. m可以自动识别所要求绘制的输出曲线。( 5)选项制约文件:主要由 togg1e1. m、togg1e2.

16、 m、togg1e3. m和 togg1e4. m 4个文件组成。用来控制 4个菜单选项。它们是:“too l”菜单下的“ax is on,与“ax is off”和“最小拍”菜单下的“系统”与“大林算法”下的“系统”分别由四个菜单标记 (checked)实现文件回调。总之,以上是一些主要的M文件,还有一些M文件 (如 file菜单下的回调文件) ,由于在其他编程中十分普遍,这里就不一一列出了。3Sim u link系统仿真Sim u link是M a t lab内嵌的仿真模块,其丰富的函数库可以对各处连续、离散、以及连续离散混合系统进行动态仿真。Sim u link对M a t lab来说具

17、有一定的独立性,其 GU I界面不能用句柄图的概念加以解释。与此同时, Sim u link与M a t lab主工作窗口、M a t lab工具箱又有着密不可分的关系。它们之间通图 4Sim u link仿真模型Sim u link以及二者间的软接口进行实时动态仿真。3. 1Sim u link仿真实现当用户按如下顺序单击菜单 Sim u link Sim u link模块最小拍 (或大林算法 )时,将弹出Sim u link仿真窗口。由于编制了 sim u5. m、sim u6. m两个回调程序,系统将自动对相应的模型进行仿真,并将系统参数传递给 Sim u link窗口。但如果用户想在该

18、窗口下重新输入系统参数,也是相当方便的。只要双击相应模块即可。如双击“对象”便可跳出一个对话框。该对话框便是在子系统封装过程中便开始了动态仿真。随后可以通过双击示波器,实时观察仿真结果。3. 2工具箱与 Sim u link软接口当用户按如下顺序单击菜单 Sim u link根轨迹最小拍 (或大林算法 )时,将弹出M a t lab工具箱根轨迹窗口,并将系统参数导入。通过对根轨迹的分析,将得到系统的稳定性信息。另外,在根轨迹file菜单下有一个 d raw Sim u link d iag ram子菜单,可实现工具箱与 Sim u link的软接口。即自动将根轨迹上的系统转化为 Sim u l

19、ink仿真模块,这样便省去了自建模块的繁杂工作。但笔者并未使用此方法。因为特定的系统通过特定的自建子系统可大大增强仿真的准确性和可移植性。褚丹雷等:基于M a t lab 2GU I界面的计算机控制系统设计及 Sim u link动态仿真调程序,通过对这些3 . m文件的调用实现了界面友好及各个功能,现将几个主要文件介绍如下:过一定的软接口互通信息。下面便对以上系统应用工具箱、所设置的,键入相关参数,并按下 O K。此时,只要在 Sim u link窗口中按下 #。52探测与控制学报4总结该软件提供了一个较为系统、直观地进行计算机数字调节器的设计与仿真的 GU I界面。正因为它的界面是友好的,

20、用户可以自由地进行系统的构架,使软件具有一定的通用性;由于M a t lab编程语言属于解释型语言,每次运行时都要重新进行编程、链接,因而运行速度较源代码,可大大提高软件的速度与通用性。如:m cc - t - L cpp m a in. m (将 m a in. m文件转化为 m a in. cpp ) ;对M a t lab文件可进行伪代码编译,封装源代码。一来,可以防止源代码由于不必要的读写而破损;二来,可以防止源代码被盗用。如:p code m a in. m (将 m a in. m转化为 m a in. p ) ; M a t lab功能强大,但要想使其充分发挥出来,必须将主模块、

21、工具箱、Sim u link三者有机地结合起来。如本软件,在系统仿真阶段充分利用了三者的关系,收到了预期的效果。参考文献: 1 胡国清.机电控制工程理论与应用基础 M .北京:机械工业出版社, 1997. 2 苗秀敏,朱金钧.计算机控制系统及应用 M .北京:北京科技技术出版社计算机, 1995. 3 程卫国. M A TLAB 5. 3精要编程及高级应用 M .北京:机械工业出版社, 2000. 4 崔怡. M A TLAB 5. 3实例详解 M .北京:航空工业出版社, 2000. 5 陈桂明.应用M A TLAB建模与仿真 M .北京:科学出版社, 2001. 6 谢锡祺,杨位钦.自动控

22、制理论基础 (下册) M .北京:北京理工大学出版社, 1992.The D es ign of the Com puter Com pen sa tor and D ynam icS im ula tion Ba sed on M a tlab- GU I In terface1 2 1(1. D ep t. of M echan ic and E lectrica l Engineering X iam en U n ivercity, X iam en , Ch ina;2. M icro soft R &D Cen ter, B eijing , Ch ina)try tech

23、no logies. T h is p ap er offers p rop er softw a re, p rogramm ed by M a tlab 5. 3, fo r it. T he softw a re no t on ly ha s theGU I in terface, bu t can be u sed to ana lysis the com p u ter con tro l system , dynam ica lly. T he u sers can inp u t p a ram eters ofm o re, the softw a re takes advan tage of the Sim u link m