【正文】 有機地集成為一體。 MATLAB 簡介及其在控制系統(tǒng)中的運用 MATLAB 語言是當今國際上科學界（尤其是自動控制領域）最具影響力、也是最具有活力的軟件。而且實驗課是《自動控制原理》整個教學過程中不可缺少的重要組成部分，對于初學自動控制理論課的學生來說．由于時間和專業(yè)知識的限制，直接利用 MATLAB 語言編程進行控制系統(tǒng)分析是極不方便的。自從 MATLAB 與 1984 年誕生以來，這一切都發(fā)生了改變。每個子系統(tǒng)的具體任務包括：界面設計、實驗說明（幫助文件）、數(shù)學建模、系統(tǒng)性能分析、仿真實驗及結果分析、試驗報告生成等。結果證明 該軟件系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)模擬實驗，它不僅能提高實驗教學效率，改善實驗效果，而且方便易行，具有推廣應用價值。而實驗課是自動控制原理整個教學過程中不可缺少的重要組成部分。對于初學自動控制理論課的學生來說．由于時間和專業(yè)知識的限制，直接利用MATLAB 語言編程進行控制系統(tǒng)分析是極不方便的，需要在 MATLAB 基礎上為用戶開發(fā)出適用于使用的接口界面。同時 利用該軟件可以系統(tǒng)地讓學生掌握控制系統(tǒng)設計思想的演化過程以及自動控制學科專業(yè)知識，從而提高學生分析和解決實際問題的能力。然后利用該套實驗系統(tǒng)來對《自動控制原理》課程中的內容進行計算、仿真與研究。 我們知道自動控制原理與系統(tǒng)是自動化、機電一體化等專業(yè)教學中重要的專業(yè)課，特別是在信息時代，自動化技術是一個最為活躍的推動力，特別是控制理論目前已經發(fā)展到一個新階段：智能控制理論和大系統(tǒng)理論，使得控制理論貫穿與整個社會的各個領域，從自然科學領域到社會科學領域，都可見到控制的蹤跡。 現(xiàn)在，借助 MATALB 強大的科學運算功能、靈活的仿真功能（ SIMULINK）、便捷的編程功能和 高質量的繪圖功能，以及豐富詳盡的控制工具箱（ TOOLBOX），可以用圖形顯示和動畫顯示的方式使教師和學生具體地掌握控制理論中的抽象結論，并可以隨意改變系統(tǒng)參數(shù)，觀察系統(tǒng)的性能指標的變化，從而對控制理論有一個更深刻的理解，并激發(fā)學習者的開拓意識和創(chuàng)新精神。它起源于矩陣運算，并已經發(fā)展成一種高的度集成的計算機語言。用戶不僅可快速獲得特定問題的準確答案，而且能隨時對各類計算或測試數(shù)據進行可視化處理。在代碼的實現(xiàn)上，我們采用自下而上的編程思想，分別完成每個子系統(tǒng)，在進行分析和調試后通過確定的接口參數(shù)完成整個系統(tǒng)的拼裝。 3)分析功能： 根據各種分析需要求出系統(tǒng)的超調量、調節(jié)時間等各種時域性能指標或幅值裕度、相位裕 度等頻域性能指標 。 由于本課題是由我和陶睿 同學共同完成的，在本次設計中陶睿同學 主要負責的穩(wěn)定性分析、頻域分析、數(shù)字 PID 控制、實驗報告生成。 8 3 系統(tǒng)的部分模塊實現(xiàn)與主界面設計 建模設計思想及目標 研究控制系統(tǒng)我 們需要根據其中物理量的變化，把它們彼此之間相互作用的關系和各自的變化規(guī)律用數(shù)學形式描述出來，此即為建模。 建模的方法有很多種，其中應用最為廣泛的是：演繹法、歸納法 、混合模型三種方法。再次，用 SIMULINK 進行仿真，最后，將系統(tǒng)的階躍響應曲線畫出。（ 3）自動化系統(tǒng)模型，我們使用的是速度控制系統(tǒng)模型。彈簧系統(tǒng)圖如示： 根據建模方法和設計目的，我們設計出如下所示的框架圖 圖 彈簧小車模型框架圖 根據模型框架，首先新建一個 GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具 10 箱中的對象控 件拖至主界面，選擇的控件在按照統(tǒng)一的格式在界面上布置好，然后運行，得到相應的 M 文件。 圖 彈簧小車的界面 ： 我們彈簧模型界面上有七個按鈕，其中“退出”按鈕可以在 GUI 設計是設定它的屬性為 close，運行后就可以實現(xiàn)退出功能了，“系統(tǒng)微分方程 ”、“系統(tǒng)方塊圖”、“方塊圖化簡”、“實驗結果”、“ SIMULINK 仿真”、“階躍響應曲線”按鈕，都是由調用后臺程序，來實現(xiàn)按鈕的功能的。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應的參數(shù)，因此必須定義相應的全局變量，以便接收用戶在界面上輸入的參數(shù)。另外，通過 Simulink仿真和系統(tǒng)的階躍響應圖可以直觀的看到階躍輸入與輸出的關系以及判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定 。 是 否 Plot(t,s)繪制階躍響應曲線 否 是 從用戶區(qū)獲得數(shù)據 開 始 結 束 14 圖 速度控制系統(tǒng)模型主窗口 根據模型框架，首先新建一個 GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對象控 件拖至主界面，選擇的控件在按照統(tǒng)一的 格式在界面上布置好，然后運行，得到相應的 M 文件。最后得速度控制系統(tǒng)模型的窗口如下 圖 所示 : 圖 速度控制系統(tǒng)模型主界面（閉環(huán)） 速度控制系統(tǒng)模型界面的左上角是用戶輸入參數(shù)框，在這個參數(shù)框中包括 退出 實驗結果 SIMULINK仿真 階躍響應曲線 方框圖化簡 系統(tǒng)方塊圖 系統(tǒng)微分方程 速度模型窗口 系統(tǒng)輸入參數(shù) 開 /閉環(huán) ? 15 供用戶選擇的按鈕，這是由于該系統(tǒng)既可在開環(huán)下運行，又可在閉環(huán)下運行。由于此模型既可在開環(huán) (圖 )下運行，又可以在閉環(huán) (圖 )下運行，所以用戶在使用時，必須對其進行選擇，否則，將會顯示“請在參數(shù)框中選擇參數(shù)”的提示語 !見圖 : 圖 速度控制系統(tǒng)模型主界面（開環(huán)） 圖 速度控制系統(tǒng)模型主界面（沒有選擇） 16 在上述兩個模型中，在 SIMULINK 仿真的模塊實現(xiàn)中，我們將與系統(tǒng)方塊圖中相對應的 SIMULINK 中的模塊組合起來，并以創(chuàng)建子模塊的形式將其中的主體模塊封裝到一個子模塊當中，用戶可以通過雙擊子模塊的方式來獲取內部模塊的具體信息。對于開環(huán)系統(tǒng)中的增益 k，當 k 由 0 變化到無窮大時，在 S 平面上滿足幅角條件的點所構成的圖形就是根軌跡圖。而引入的附加裝置即為校正裝置，所以對控制系統(tǒng)進行串連校正實質上是選擇合適的校正裝置對系統(tǒng)進行校正，使系統(tǒng)的性能附合設計的性能指標用 根軌跡法對控制 系統(tǒng)進行串連校正，即是根據已選定的串連校正方法，按照一定規(guī)律確定出校正裝置的參數(shù)，進而繪制出校正后系統(tǒng)的根軌跡圖，并估計是否滿足設計要求。在設計系統(tǒng)時，如果未校正系統(tǒng)的開環(huán)增益為某 一數(shù)值時，瞬態(tài)性能符合設計要求，則設計校正裝置使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差滿足設計要求；如果未校正系統(tǒng)的開環(huán)增益為任何數(shù)值時， 瞬態(tài)性能都不能 符合設計要求，則需設計校正裝置使系統(tǒng)的瞬態(tài)性能滿足設計要求并檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 ，或先使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滿足設計要求，設計出校正 裝置后， 再 檢驗閉環(huán)主導極點是否滿足主導條件。給定前向通道傳遞函數(shù) G(s)，反饋通道為 kH(s)的受控對象（其增益 k 取值為 0～∞）。 例如，本模 塊 中提供的參數(shù)如下： 被控對象 Gp （ s）： num= [1],den= [1 5 4 0], 所以 Gp （ s） = 0451 123 ??? sss 反饋通道 H（ s）： num= [1] ， den= [1]， 所以 H（ s） =1 控制器 Gc （ s） ： num= [1] ， den= [1]， 所以 Gc （ s） =1 點擊繪制根軌跡按鈕，繪制出如圖 所示的根軌跡： 根軌跡分析 繪制根軌跡圖 根軌跡法 進行串聯(lián)校正 求系統(tǒng)傳遞函數(shù) 幾何法超前校正 最大法超 前校正 滯后校正 解析法超前校正 20 圖 系統(tǒng)生產得 根軌跡 ② 根軌跡法對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正的實現(xiàn)： 本模塊采用了幾何法超前校正、 ? 最大法超前校正、滯后校正以及解析法超前校正對系統(tǒng)進行校 正。再計算使根軌跡通過主導極點ds 所需的補償角 c? ， c? =1800 ? 。 Gc (s)= s+1／ s+4 Gp （ s） Gc （ s） H（ s） =k/s(s+4)(s+4) ： 圖 幾何法校正后根軌跡圖 23 ③ 求系統(tǒng)傳遞函數(shù) MATALB 提供了許多功能 強大的內部函數(shù)可以構建和處理系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應的參數(shù)，在各個 pushbutton 按鈕下添加完成相應功能的代碼。即 當用戶做完實驗后系統(tǒng)可以自動生成相應形式的實驗報告， 然后可以直接打印出實驗報告。 (3)實驗報告的生成 用戶界面上建立 一個 FIGURE 文件， 并生成 M 文件，再將自己在實驗過程中用到的實驗目的與原理、參數(shù)，分析的過程以及設計結果等導入 到實驗報告中，最后編譯 M 文件程序后 ，完成整個子系統(tǒng)的實驗 的調用 。 “實驗步驟”界面 ③ 實驗結果顯示 同樣利用 GUI 界面生成 m 文件和 fig 文件。 我們從四種校正方法中選取一中來說明 ,就選最大法超前校正。 GUI 是未來的趨勢，因為人類對于圖形辨識的能力遠遠超過其他表達方式，因此借助 GUI 程序能夠設計出專屬某個主題的圖形化界面。 圖形對象不僅包括界面控件對象，下拉式菜單對象和內容式菜單對象，而且還 包括圖形、坐標軸、線條、曲面、文本和它們的子對象。計算機屏幕作為根對象，其對象句柄通常為零；其他的圖形對象句柄是浮點值。 ? gca 獲得當前圖形窗口內當前坐標軸的句柄值。 主界面模塊框圖 我們設計得主界面是讓用戶可以很快的了解該軟件的功能并可以很簡單的通過圖形用戶界面來對該程序進行操作。 4)仿真模型： 這個部分包括了三個仿真實驗模型，其分別是機械，電路和自動化模 型，在其各自的窗口中我們可以通過圖形用戶界面很方便的了解自動化控制中幾個比較典型的模型，對于學習自動化理論的用戶來說是相當方便的。在本次設計中我采用了 GUI 設計工具中的菜單編輯器 Menu Editor。Label39。,39。)。 模 型 一 ： 彈 簧 小 車 模 型(amp。,39。Label39。,39。)。模型二：電路模型 (amp。,39。Label39。,39。)。 模型三：自動化控制模型(amp。,39。Label39。,39。)。該系統(tǒng)是中文界面， 具有人機界面友好、結果可視化的優(yōu)點。保存下來的 模型 參數(shù)可用于重復進行系統(tǒng)分析、設計與仿真 ；保存下來的輸人數(shù)據、設計與仿真結果可以作為撰寫實驗報告的素材。 我們由實驗報告生成模塊中知道：實驗報告包括實驗原 理與目的（圖 ）、實驗步驟（圖 ）、和實驗結果（圖 和圖 ）。 通過這次畢業(yè)設計機會我強化了自己的自動控制理論，學會了用 MATLAB進行控 制理論和控制工程研究的基本思路和方法。此次畢業(yè)設計建模這一塊我們重在介紹如何 通過 MATLAB 工具求取系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，然后通過一定的算法得到總傳遞函數(shù)。 可以用于分析系統(tǒng)，而且指出了改善系統(tǒng)性能的有效途徑。 當然在這次畢業(yè)設計中我們也有許多不足之處：由于在畢業(yè)設計初期全局考慮不夠周全，把實驗報告的生成考慮的不夠細致，導致在最后生成實驗報告時，不得不把實驗 報告部分安排在每個分析實驗的界面之下；本來打算把編寫的軟件 36 進行打包生成可執(zhí)行文件，由于時間倉促也沒有實現(xiàn)；關于 MATLAB 與 C 語言等其他高級語言的接口問題也沒有涉及，總之本實驗系統(tǒng)也還有較多的需要完善的地方。這將使更多的學生可以進行必要的實驗，彌補了實驗設備、仿真軟件的缺乏，改善了學校的實驗狀況，提高實驗的開出率。 要真正實現(xiàn)基于網絡的遠程實驗、仿真、數(shù)據分析等，非常困難。 首先，我要向我的指導老師致以由衷的感謝和誠摯的敬意，他的指導為我們提供了設計的主題思想，在編程過程中，他在自己的繁忙工作之余指導我們，檢查并排除了我們設計過程中的諸多漏洞。 其次，我要感謝的是我的同伴 —— 陶睿同學，本系統(tǒng)的設計由我們共同完成。同時 也給與我們很多幫助。 39 附錄 一 英文科技文獻翻譯 英文原文 ： Linearized Dynamic Models EXAMPLES AND CLASSIFICATIONS OF CONTROL SYSTEMS Control systems exist in a virtually infinite, both in type of application and level of sophistication. The heating system and the water heater in a house are systems in which only the sign of the difference between desired and actual temperatures is used for control. If the temperature drops below a set value, a constant heat is switched on, to be switched off again when the temperature rises above a