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基于MATLAB的自动控制仿真实验平台设计研究

作者:润色论文网  来源:www.runselw.com  发布时间:2017/9/9 9:31:51  

摘要:为了解决《自动控制原理》理论教学过程中学生在概念理解方面遇到的困难, 减少复杂的计算和曲线绘制,借助MATLAB软件设计了自动控制虚拟仿真实验平台。该平台针对《自动控制原理》课程所涉及的内容进行设计, 借助友好的人机交互界面,学生可以按需求改变实验内容和相应参数, 不被固定的实验框架所限制,改变了传统的教学实验模式。这种方式有利于激发学生的主动性和创新性, 显著改善了学习效果, 提高了教学质量。

关键词: MATLAB; CAI教学; 《自动控制原理》; 仿真实验平台;

目前, 《自动控制原理》课程的教学基本分为理论教学和实验教学两部分。理论教学通过课堂讲解传授有关理论知识, 通常会出现学生对一些概念理解不清, 过程计算浪费时间比较长, 上课难以跟上进度等问题。另一项内容就是实验教学, 即在学生掌握一定理论知识之后开设, 采取学生课前预习, 课中实验, 课后总结书写实验报告的形式。

实验教学由电子实验台和示波器搭配进行, 随着学生人数的不断增加,需要提供大量的硬件实验设备, 所以, 学校要不断加大对硬件的投入力度。

随着计算机技术的进步和虚拟仿真技术的出现, CAI教学方式[1]为我们指明了解决《自动控制原理》课堂问题的新方向。MATLAB被视为《自动控制原理》所需的重要仿真工具, 而以MATLAB为中心的仿真实验平台应运而生。利用该平台, 学生可以将理论与实践相结合, 模拟和仿真常见的控制环节。这样做, 有利于激发学生的主动性和创新性, 显著改善学习效果。

1 仿真平台设计

1.1 仿真平台设计现状

国内外有许多高校利用仿真平台改变传统《自动控制原理》的教学过程, 它们分别利用VB、WEB等与MATLAB软件相结合[2], 或者直接利用MATLAB GUI功能创建虚拟实验平台, 使原本需要复杂编程才能实现的功能简单化、网络化, 从而改变了传统的教学实验模式,使学习更加方便, 知识更容易理解, 大大提高了学生学习的积极性。

1.2 软件介绍

MATLAB在《自动控制原理》方面应用得非常广泛, 它可以利用simulink直接创建系统框图, 并可以输入和输出相关数据, 同时, 通过创建“.m”文件实现对系统的各种分析。自从MATLAB的图形用户界面(GUI) 功能出现[3], 可以直接通过“guide”命令创建实验平台。

在空白的GUI中, 可以通过添加按钮和文本设计自己的GUI。空白的GUI可以创建按钮、滑块、单选按钮、复选框、可编辑文本、静态文本、弹出式菜单、列表框、切换按钮、表、轴、面板、按钮组和Active X控件等。所需的按钮添加到空白的GUI中会形成一个包含所有内容的“.m”文件。在该文件中, 可以利用MATLAB语言设计各个模块和按键的功能, 建立它们之间的联系[4]。同时, 菜单栏在制作GUI时也会给予很大的帮助, 可以简化设计。

1.3 平台总体框架

本文介绍的自动控制仿真实验平台是在MATLAB2014b版本中开发的, 主要利用了其图形用户界面功能[5]。该自动控制仿真实验平台具有友好的人机交互界面, 具有绘制图形曲线的绘图功能以及多样化的操作方式, 可以有效分析控制系统的相关参数, 具有控制系统校正设计功能。仿真平台用户界面如图1所示。

2 仿真平台功能介绍

为了增强平台的实用性, 为用户提供便捷的操作, 特将平台设计为3个大的模块, 分别是数字函数计算器、自动控制实验平台和软件使用说明。

2.1 数字函数计算器

数字函数计算器是自动控制实验平台的辅助计算工具, 它包括普通数字计算, 以及进行复杂一元函数和二元函数图形绘制功能, 如图2所示。

2.2 自动控制实验平台

自动控制实验平台模块是该仿真软件的主体部分, 绝大多数仿真功能都在该模块进行。结合《自动控制原理》课程所涉及的内容, 经过系统设计, 将该模块分为控制系统建模、时域分析、根轨迹分析、频域分析、控制系统的校正、离散系统的分析和校正以及非线性控制系统分析等7个部分, 它们可以实现各自不同的功能。其子程序界面如图3所示。

控制系统建模的主要功能有传递函数模型的构建, 零极点模型的描述和2种模型之间的模型转换, 以及控制系统的串联、并联、正反馈和负反馈连接等。

线性系统时域分析功能有2种控制系统建模方式和3种基本输入。在单位阶跃、单位脉冲、单位斜坡下, 输出输入函数的特征根、阻尼比、闭环根、无阻尼振荡频率的数据;在闭环阶跃输入信号下, 输出位置误差、上升时间、峰值时间、超调量、调节时间和衰减比, 并最终显示响应曲线。

线性系统根轨迹分析功能是输出根轨迹图和零极点分布图, 同时, 在绘制出根轨迹图形后, 可以在图中选取自己所需的点, 求出它的增益和闭环极点,以及做根轨迹滞后校正。线性系统频域分析的功能是绘制系统的波德图、奈奎斯特图和尼科尔斯图, 并输出频域分析的幅值裕度、相角裕度、截止频率和穿越频率等性能, 分析输入函数。

控制系统的校正分析主要是对输入系统串联校正, 输入不同的校正系统的截止频率,输出校正前后系统的频域分析数据, 绘制对应的校正前后的波德图,实现对输入系统的分析和校正。离散系统的分析校正研究的是, 输入连续系统离散化后, 在固定采样周期条件下, 实现输入系统在“最小拍控制”条件下的系统设计, 并输出相对应的图形和数字脉冲传递函数。

对于非线性控制系统分析, 运用描述函数法分析线性环节和非线性环节的负倒描述函数, 输出奈奎斯特曲线, 判定非线性系统的稳定性。

2.3 使用说明

该自动控制原理仿真实验平台设计了软件使用说明模块, 分别对各个模块进行了详细说明。这样可以帮助用户详细了解该平台的功能, 教会他们如何正确应用该仿真软件。

3 仿真平台应用实例

如果利用该仿真实验平台进行操作, 其操作步骤是:以零极点增益方式2建立传递函数 (在无极点或零点等其他数据出现时请填写“[]”) , 单击校正前频率分析数据区域的“单机求解”按钮, 便可求解校正前的幅值裕度、相角裕度及其对应的截止频率、穿越频率, 然后选取合适的值, 输入校正系统的截止频率ωm, 单击“绘制校正前后波德图输出校正后频率分析数据”按钮即可。如图4所示, 虚线为校正前的函数图像, 实线为校正后的函数图像。

4 结束语

通过对《自动控制原理》课程教学内容和教学方法的分析, 基于MATLAB软件开发设计了自动控制仿真实验平台。结合虚拟仿真平台教学, 不仅可以激发学生的学习兴趣,提高他们的学习效率, 还能获得比纯理论教学更好的教学效果。自动控制仿真实验平台的应用和不断完善势在必行。

为了使仿真软件更加方便、高效、实用, 对仿真平台的研究将会更加网络化, 以不断强化其基础计算方面的功能, 不断完善其数据拟合、概率统计和图形图像处理能力。

在接下来的发展过程中, 还需要不断完善实验内容,让操作更灵活, 表达更直观, 为学生或相关学习者提供更有力的支持。

参考文献

[1]宗晓萍, 王霞, 唐予军.基于MATLAB的“自动控制原理”CAI教学设计[J].信息化教学, 2009, 30 (11) .

[2]彭道刚, 杨平, 金光远.基于VB和MATLAB的“自动控制原理”CAI软件设计[J].上海电力学院学报, 2006 (02) .

[3]张采芳, 余愿, 鲁艳旻.MATLAB编程及仿真应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2014.

[4]张春慧, 宋哲英, 王蒙.基于MATLAB GUI的自动控制原理虚拟实验平台的开发与研究[J].内蒙古农业大学学报, 2015, 36 (3) .

[5]师黎, 王治忠, 费敏锐.基于VRML与MATLAB的智能控制虚拟实验室设计与实现[J].仪器仪表学报, 2008, 29 (12) .

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