基于matlab自动控制原理虚拟实验平台设计

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1、基于MATLAB自动控制原理虚拟实验平台设计【摘要】基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台主要是用利用MATLAB的GUI图形界面功能结合MATLAB自身强大的控制系统仿真能力，构建一个虚拟的实验平台。该实验平台能够实现典型线性环节、二阶阶跃系统的模拟以及线性系统稳定性的研究。本文以二阶阶跃系统作为范例介绍该虚拟实验平台。【关键词】MATLAB语言；GUI；虚拟实验平台1.研究意义本文以典型线性实验系统为研究对象，基于MATLAB设计出实时控制统一的实验平台。该实验平台依托MATLAB数值计算以及数字仿真功能，可以完成

2、控制系统模型分析、综合设计、仿真研究和在线分析的整个过程，实现验证性、开放性、设计性等不同层次实验的要求，为设计开发实验平台打下基础。GUI的设计是基于MATLAB的GUIDE开发环境，利用面向对象的编程技术，达到使实验者可以通过简单的鼠标拖放以及参数的修改完成仿真实验。以二阶系统的阶跃响应输入为例，有效验证虚拟实验平台的运行效果。通过实验设计可靠的控制策略并根据实验现象和实验数据修改控制参数等来控制试验系统的稳定性。2.二阶系统的阶跃响应简介分析二阶系统的动态特性对于研究自动控制系统的动态特性有重要意义。因为在实际工作中

3、，在一定条件下，忽略一些次要因素，常常可以把一个高阶系统降为二级系统来处理，仍不失其运动过程的基本性质。二阶系统的实验电路如图1所示。图1二阶系统的实验电路已知典型的单位反馈系统来分析二阶系统的单位阶跃响应及其动态指标。假设初始条件为零，输出量的拉氏变换为：系统的特征方程为s2+2eWn+W2n=0；由特征方程可以解出特征方程式的根，这些根与阻尼比e有关。可以分几种情况来分析二阶系统的动态特性。2.1过阻尼的情况。系统的特征根为由于阻尼比大于1(£>1),所以-P1及-P2均位于根平面(即s平面)虚轴的左侧，并且均在是实轴

4、上。动态响应曲线由稳态分量和暂态分量组成。暂态分量又包含两项衰减指数项，一项衰减指数项为-Pl=-(e-e2~1)Wn,另一项为-P2=-(e+e2-1)。当£1时，后一项的衰减指数比前一项的衰减指数衰减得快，因此后一项暂态分量只是在响应的前期对系统有所影响，而在后期影响甚小。可以看出这种情况下系统是为无震荡无超调的单调递增的暂态响应，如图2所示。由实验的阶跃响应图可以得出在过阻尼情况下,动态特性为单调变化曲线，没有超调和振荡，但调节时间较长，系统反应迟缓。2.2欠阻尼的情况。当00时，系统的极点均位于s左半平面，系统的动

5、态过程呈现指数衰减或衰减振荡，系统是稳定的；£0时，系统的极点位于虚轴或s右半平面，系统的动态过程呈现等幅振荡或发散振荡，系统是不稳定的。4.GUI简介(1)图形用户界面(GraphicalUserInterface,简称为GUI)是用户与计算机进行信息交流的窗口，它的设计是虚拟实验仿真平台的主要工作之一。用户可以通过某种方式来选择或者激活用户界面上菜单、对话框以及控件等图形对象，来运行一些特定的M文件。(2)利用MATLAB7.0版中的图形用户界面设计向导编辑器GUIDE进行可视化编程，即可完成软件界面的创建。在图形的设

6、计过程中，GUIDE提供了下面一些工具：菜单编辑器、对象浏览器、属性编辑器、控件布置编辑器、网格标尺设置编辑器和GUIDE应用属性设置编辑器等。用户将它提供的工具与编程经验结合起来，可以方便地创建友好的图形用户界面。各级界面主要利用向导编辑器GUIDE中提供的控件(如按钮、文本框等)来设计友好的交互式界面。使用PropertyInspector修改控件属性，如背景色、前景色、字体及大小、位置、标志、类型等，控件不同属性也不相同。借助GUI设计面板提供的控件布置编辑器/AlignObjectsO,可以很容易的对所选对象进行水

7、平、垂直和间隔排列布置。(1)通过图形界面中的控件的操作来完成图形界面的功能，这些操作是通过函数代码的执行来完成的。函数代码的编制可以通过编写回调函数实现，在编写时可以把该控件的函数代码直接书写在/CallbackO属性中，也可以把函数代码放在一个自定义的M文件中，而在/CallbackO中只写上其文件名。当操作该控件时，系统会自动执行/CallbackO中所要求执行的内容，完成相应的功能。图6虚拟实验平台的四个模块图7二阶系统的阶跃相响应界面图8系统稳定性分析界面4.平台的设计与实验界面(1)本实验平台针对的经典控制理论

8、是建立在频率响应法和根轨迹法基础上的一个分支。经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。平台是以输入输出特性(主要是传递函数)为系统数学模型,进行建模并采用时域响应法、频率响