基于matlab 的控制理论cai 软件的设计与应用

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1、基于MATLAB的控制理论CAI软件的设计与应用邱萌赵英凯(南京工业大学信息科学与工程学院南京210009)摘要本文介绍了一套自动控制原理计算机辅助教学软件给出了相应的设计思想和设计方法此软件是利用MATLAB语言开发的CAI软件它包括了经典控制理论现代控制理论控制系统仿真等内容是一套较为实用的计算机辅助教学软件关键词控制理论CAIMATLAB语言TheDesignandApplicationofControlTheoryCAISoftwareBasedonMATLABQiuMengZhaoYingkai(CollegeofInformationScienceandEngineering,

2、NanjingUniversityofTechnologyNanjing,210009)AbstractControltheorycomputeraidedinstructionsoftwarehasbeendesignedwithMatlablanguage.Itincludesclassicaltheory,moderntheoryandcontrolsystemsimulation.ItisapracticalCAIsoftware.KeywordsControlTheoryCAIMATLAB1引言随着近十年来微机技术网络技术多媒体技术以及相应的软件技术的飞速发展计算机辅助教学软件的

3、开发已成为计算机软件应用领域和教学改革的课题目前CAI作为计算机应用的一个重要领域已显示出强大的生命力计算机辅助教学已是现代化教学的重要手段了CAI改变了传统的教学模式更能发挥学生的学习积极性有助于学生智力的开发和能力的培养自动控制原理是自动化专业学生的重要课程它涉及到控制系统的分析设计参数的整定等多种问题这些问题使教师在课堂上需要花费很多时间和精力去作图计算效率极低而且学生也觉得教学内容抽象难以理解概念模糊影响学习效果和教学质量要解决这些弊端必须改变教学方法引入CAI技术对于自动控制理论的教学以CAI作为工具是非常方便和适用的我们基于WINDOWS下的MATLAB平台设计了这套控制理论C

4、AI软件旨在使这门内容抽象理论性较强的课程更加易为学生理解与掌握在很大程度上弥-92-92补了传统教学在直观性生动性上的不足该软件可供自动化专业控制理论控制工程系统仿真等课程教学使用是一套较为实用的计算机辅助教学软件具有良好的应用前景2CAI系统的总体设计本软件的基本设计思想是构造一套具有交互式人机接口界面友好的辅助教学系统采用MATLAB语言编程按照控制理论的教学内容设计出相应的CAI系统结构结构框图如图1所示该系统主界面程序为start.m通过单击主界面上相应的按钮即可启动相应的子模块各功能模块均为MATLAB系统的应用程序即M文件各软件的模块功能简介如下图软件结构框图一经典控制理论部

5、分该模块由模型输入时域分析频域分析三部分组成模型输入包含传递函数形式零极点形式典型二阶系统和状态空间表达式形式可任选其一进行操作完成系统模型的输入工作模型输入完成后就可以进行系统分析绘制系统的单位阶跃响应单位脉冲响应曲线根轨迹以及Bode图Nyquist曲线和Nichols曲线二现代控制理论部分该模块包含极点配置状态观测器最优控制和自适应控制四部分极点配置模块通过在对话框中输入系统的状态空间表达式模型和期望的极点位置即可得到系统的增益矩阵还可以得到系统的输出响应曲线状态响应曲线控制信号和零极点图同样的还可得到系统的全维状态观测器的反馈增益矩阵在最优控制模块中我们可以得到线性二次型的状态调节

6、器输出调节器和次优控制调节器并且绘制出系统的输出响应及状态响应曲线自适应控制部分对Kalman滤波器LQG控制系统最小方差控制系统最小方差自校正控制系统模型参考自适应系统M.I.T的局部参数最优化方法进行了仿真分析三多种控制算法仿真模块该模块包括常规PID控制模块和复杂PID控制仿真模块下面逐一进行说明1常规PID控制模块通过给常规PID回路加干扰加入非线性环节和纯滞后环节来观察系统响应曲线的变化复杂PID控制包括串级控制前馈控制Smith预估控制积-93-93分分离等模块操作者在对话框中输入系统的模型参数和PID参数后就可调用系统的方块图模型同时可得到系统的响应曲线并对系统控制效果进行分

7、析与调整在PID优化设计中操作者输入系统的模型参数和控制器参数后就可按IAEISEITAEITSE准则对控制器参数进行优化并可进行仿真分析2实际控制系统仿真模块主要针对一些实际的控制系统进行仿真分析给定控制系统包括温度控制系统热交换器控制系统变换炉控制系统压力控制系统液位控制系统将每个控制系统分别就普通PID控制加干扰方波输入控制对象时变四种情况加以仿真为便于学生对实际的工业过程控制有更加直观的认识我们在此模块中加入了在