【正文】 圖 二階電路階躍響應(yīng)流程圖 （ 3）自動化系統(tǒng)模型 我們這里討論的自動化系統(tǒng)是其中的機電系統(tǒng)，而電機是機電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其類別很多，在這個模型中，我們用 K 表示放大器的放大系數(shù)，其他屬于電機的結(jié)構(gòu) ,在這里就不敘述了。階躍響應(yīng)按鈕對應(yīng) pushbutton6，其 程序流程圖 如圖 所示 : 11 二階電路模型主窗口 輸入相應(yīng)的參數(shù) 系統(tǒng)微分方程 系統(tǒng)方框圖及化簡 Simulink 仿真 階躍響應(yīng)圖 開 始從用戶區(qū)獲得參數(shù)求出與輸入?yún)?shù)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)將其表示成 n u m / d e n 的形式用留數(shù)定理將其展開并求出 r 、 p 、 k ，并給參數(shù)賦值M ! = 0i = 1s = s + r (i )* e x p ( p i )* ti = np l o t 繪制階躍響應(yīng)曲線結(jié) 束y e snoy e sno 圖 pushbutton6 下程序流程圖 （ 2） 電阻電容模型 電阻電容模型是電學系統(tǒng)模型中最典型的模型 ,也是我們在《電路》重點介紹的，所以在此就不介紹該模型的 結(jié)構(gòu)和組成了。質(zhì)量m，轉(zhuǎn)動慣量和彈簧 k 如同電路系統(tǒng)中的電容和電感一樣是貯能元件 ,而阻 圖 彈簧滑塊系統(tǒng)圖 尼器α如同電路中的電 阻 是耗能元件。首先我們需要對模型進行分析，通過物理規(guī)律來建立相應(yīng)的方程，并對所得方程進行拉普拉斯變換，從而求出傳遞函數(shù)。 我 負責系統(tǒng)的主界面設(shè)計、數(shù)學建模、根軌跡分析部分 、實驗報告生成及 系統(tǒng)的總體調(diào)試。 本軟件的功能是根據(jù)科研、教學、相關(guān)實驗和課程設(shè)計等的需要，輔助學習者完成控制系統(tǒng)分析與設(shè)計過程中所涉及到的各種計算和繪圖等，提供一個方便的系統(tǒng)分析和綜合的軟件操作平臺．本軟件具有如下的功能： 1）系統(tǒng)輸入形式多樣化： 輸入模型既可以是多項式形式，又可以是零、極點形式，或狀態(tài)空間表達式的形式，只需通過按鈕進行選擇 。 作為一個專業(yè)的科學計算軟件， MATLAB 的功能首先在應(yīng)用，即應(yīng)用現(xiàn)有函數(shù)和工具（箱）解決具體問題。比如：穩(wěn)定性分析、時域頻域分析、根軌跡圖、波特（ Bode）圖、乃氏（ Nyquist）圖、尼氏（ Nichols）圖等。 本課題就是 利用 MATLAB 的界面設(shè)計功能及其提供的控制系統(tǒng)工具箱可以開出一個用戶界面良好的《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng)，以每個實驗項目為本系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)。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。同時 利用該軟件可以系統(tǒng)地讓學生掌握控制系統(tǒng)設(shè)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。自從MATLAB 與 1984 年誕生以來，這一切都發(fā)生了改變。 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(lǐng)域）最具影響力、也是最具有活力的軟件。無論是離散的、連續(xù)的、條件執(zhí)行的、多采樣的或混雜的系統(tǒng)， SIMULINK 都是描述動態(tài)系統(tǒng)模型的最佳工具 總體設(shè)計原理 本虛擬實驗系統(tǒng)是在 版本的語言平臺上開發(fā)的， 在設(shè)計中我們采用自上而下的需求分析，首先確定整個系統(tǒng)的總體框架，然后將每個實驗項目作為本框架的各個子系統(tǒng)，確定統(tǒng)一的接口。 按照 上述設(shè)計思想和滿足 《自動控 制原理》的課程教學內(nèi)容 、 科研 、相關(guān) 實驗 和課程設(shè)計等 設(shè)計出本虛擬實驗系統(tǒng)的總體框架（見圖 ） 圖 虛擬實驗系統(tǒng)的總體框架 介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)架后，下面 來具體 對各模塊設(shè)計與實現(xiàn)進行介紹。建立數(shù)學模型就是要找到一種合適的手段，詳細描述被控對象的運動規(guī)律，從而為控制器和 反饋的設(shè)計提供可靠的依據(jù)。（ 2）電學系統(tǒng)的模型，我們使用的是電阻電容模型。最后得出彈簧小車的界面，見圖 ，在主界面的左上角是用戶輸入?yún)?shù)框，右上角是模型圖，右下角為功能實現(xiàn)按鈕，用戶可在此處了解描述系統(tǒng)物理規(guī)律的微分方程、系統(tǒng)的方塊圖，并通過其得出與輸入?yún)?shù)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)。最后得到的界面見圖 ，在主界面的左上角是用戶輸入?yún)?shù)框，右上角是模型圖，右下角為功 能實現(xiàn)按鈕，用戶可在此處了解描述系統(tǒng)物理規(guī)律的微分方程、系統(tǒng)的方塊圖，并通過其得出與輸入?yún)?shù)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)。在添加完畢后，運行調(diào)試直到成功。對于圖 的閉環(huán)系統(tǒng)： 圖 閉環(huán)系統(tǒng)圖 其特征方程為： 1+G（ s） H（ s） =0， 對于滿足此方程的所有 S 的值都是閉環(huán)的極點 ,且滿足 )12(180)()( 0)()( ?? ? ljsHsGj eesHsG 的指數(shù)方程，可將此指數(shù)方程變換為： 1)()( ?sHsG ……… . ……… . ……… . ……… .幅值條件 0180)()( ??? sHsG （ 2l+1） (l=0,1,2 …… .)……… ...相角條件 對于滿足幅值條件和相角條件的 S 值，就是給定參數(shù)的閉環(huán)極點，也即為根軌跡上的點?；蛘邚慕o定的性能指標出發(fā)，并結(jié)合系統(tǒng)的限制條件，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論 得 方法進行系統(tǒng)校正串連校正結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 串連校正結(jié)構(gòu)圖 本模塊系統(tǒng)的性能指標是以最 大過調(diào)量 Mp、 調(diào)整時間 Ts 和穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù) K的形式給出的，用根軌跡法對系統(tǒng)進行串聯(lián)校正，首先是使瞬態(tài)性能指標滿足設(shè)計 要求，確定出閉環(huán)主導(dǎo)極點在 S 平面上的位置。如果不設(shè)返回值， MATLAB就自動繪制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡。 我們對上個模塊的進行 幾何法超前校正，得出： a. 校正前性 能指標 : ： 最大過 調(diào)量 Mp 為 ，調(diào)整 時間 Ts 為4s,? =,Sd = n?? =1? 。我們的目標是用戶就可以根據(jù)自己的需要，點擊本模塊上“實驗報告生成”這個按鈕，保存 實驗過程中的目的與原理、相關(guān)數(shù)據(jù)、分析步驟以及實驗結(jié)果等內(nèi)容。這樣在運行主程序的時候，該 m 文件會被自動調(diào)用，彈出“實驗步驟”界面，運用 GUI 界面編程，結(jié)果如圖。 圖形化用戶界面（ Graphical User Interfaces） ,簡稱 GUI，是一種圖形化的 溝通界面，通過此界面可以很方便地達到一些特定的控制的操作，而這些界面調(diào)用 MATLAB 來進行運算處理操作。每創(chuàng)Root 計算機屏幕 Figure 圖形窗口對象 Uicontextmenu 對象 Image 對象 Light 對象 Line 對象 Patch 對象 Rectangle 對象 Text 對象 Uimenu 對象 Axes 對象 Uicontrol 對象 29 建一個對象，就為它建立一個唯一的句柄，用來唯一地確定該對象。同時在摸索過程中不斷的改進我們的界面，使得程序最終可以達到我們預(yù)定的設(shè)計目，即設(shè)計出一個界面良好、操作簡便、功能強大并且具有豐富的在線幫助的圖形用戶。 主界面模塊框圖 主界面的具體設(shè)計 根據(jù)主界面的模塊框圖，我們就可以在圖形用戶界面（ GUI）里設(shè)計出我們的主界面，具體設(shè)計步驟如下： 菜單的建立，在 MATLAB 中可以通過命令行方式和 GUI 設(shè)計工具中的菜單編輯器 Menu Editor 兩種方式來建立菜單。F)39。,39。 uimenu(state,39。tanhuang39。Call39。J)39。,39。 uimenu(state,39。zidong39。重要的模型參數(shù)、輸人數(shù)據(jù)、設(shè)計與仿真結(jié)果可以保存下來。學生只要在相應(yīng)實驗的界面上指定位置輸入數(shù)值（如傳遞函數(shù)的分子、分母），再點擊相應(yīng)按鈕便可得到結(jié)果，讓學生將主要精力放在對控制理論概念的 理解上。 在控制系統(tǒng)的分析中，根軌跡法是 — 種很適用的工程方法 。該系統(tǒng)可以使實驗的方式有一個本質(zhì)的改進，通過網(wǎng)絡(luò)，可以使多個人同時共享一臺設(shè)備，使以前一人一臺的實驗方式變?yōu)榱硕嗳艘慌_實驗設(shè)備的遠程實驗方式，實現(xiàn)真正的實驗設(shè)備的共享方式。 37 參 考 文 獻 [1] 張志涌編著 . 精通 版 . 北京 :北京航空航天大學出版社 . 2020 [2] 魏克新等編著 . MATLAB 語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計 . 北京 :機械工業(yè)出版社 .1997 [3] 施陽等編著 MATLAB 語言精要及動態(tài)仿真工具 SIMULINK 西安 西北工業(yè)大學出版社 1997 [4] 胡壽松 自動控制原理 北京 國防工業(yè)出版社 1980 [5] 龐國仲 編著 自動控制原理（修訂版） 合肥 中國科學技術(shù)大學出版社 1998 [6] 薛定宇 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與分析 MATLAB 語言應(yīng)用 北京 清華大學出版社 1998 [7] 鄭君里 信號與系統(tǒng) 北京 高等教育出版社 2000 [8] 施曉紅等編著 精通 GUI 圖形界面編程 北京 北京大學出版社 2020 [9] 魏巍 編著 控制工程工具箱技術(shù) 北京 國防工業(yè)出版社 2020 [9] 陳懷琛等 編著 MATLAB 及在電子信息課程中的應(yīng)用 北京 電子工業(yè)出版社 2000 [10] 樓順天等 基于 MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計 工程師軟件應(yīng)用系列 西安 西安電子科技大學出版社 1998 [11] 吳大正 信號與線形系統(tǒng)分析 西安 西安電子科技大學出版社 1998 [12] MATLAB User′ s Mathworks Inc,1998 [13] C L Phillips,R D control Cliffs,:Prentice 38 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 set maximum. Variations of such relay or onoff control systems, sometimes quite sophisticated, are very mon in practice because of their relatively low cost. In the nature of such control systems, the controlled variable will oscillate continuously between maximum and minimum limits. For many applications the control is not sufficiently smooth or accurate. In the Power steering of a car, the controlled variable or system output is the angle of the front wheels, it must follow the system input, the angle of the steering wheel, as closely as possible but at a much higher Power level. In the Process industries, including refineries and chemical plants, there are many temperatures and level to be held to usually constant values in the presence of various disturbance. of an electric power generation Plant, controlled values of voltage and frequency are outputs, but inside such a plant there are again many temperatures, levels, pressures, and, other variables to be controlled. In aerospace, the control of aircraft, missiles, and satellit