【正文】 es is an area of often very advanced system. One Classification of control systems Is the following: 1. Process control or regulator systems: The controlled variable, or output, must be held as close as possible to a usually constant desired value, or input, despite any disturbances. 2. Servomechanisms: The input varies and the output must be made to follow it as closely as possible. Power steering is One example of the second class, equivalent to systems for positioning control surfaces on aircraft. Automated manufacturing machinery, such as numerically controlled machine tools, uses servos extensively for the control of positions or speeds. This last example brings to mind the distinction between continuous and discrete systems. The latter are inherent in the use of digital puters for control. The classification into linear nonlinear control systems should also be mentioned at this point. Analysis and design are in general much simpler for the former, to which most of this book is devoted. Yet most systems bee nonlinear if the variables more over wide enough ranges. The importance in practice of linear techniques relies on linearization based on the assumption that the variables stay close enough to a given operating point. OPENLOOP CONTROL AND CLOSEDLOOP CONTROL To introduce the subject, it is useful to consider an example. In , let it be desired to maintain the actual water level in the tank as close as possible to a desired level. The desired level will be called the system input, and the actual level the controlled or system output. Water flows from the tank via valve Vo and enters the 39 tank a supply via a control valve Vc. The control valve is adjustable, either manually or by some type of actuator. This may be an electric motor or a hydraulic or pneumatic cylinder. Very often it would be pneumatic diaphragm actuator, indicated in Fig 2. Increasing the pneumatic pressure above the diaphra gm pushes it down against a spring and increases valve opening. In this form of Control, the valve is adjusted t0 make output c equal to input r, but not, readjusted continually to keep the two equal. Open loop control, with certain safeguards added is very mon, for example, in the context of sequence control, that is, guiding a process through a sequence of predetermined steps. However, for systems such as the one at hand, this form of control will normally not yield high performance. A difference between input and output, a system error e = rc would be expected to develop, due to two major effect: 1. Disturbances acting on the system 2. Parameter variation of the system These are prime motivations for the use of feedback control. For the example, pressure variations upstream of V can be important disturbances affecting inflow and outflow, and hence level. In a steel rolling mill, very large disturbance torques in the drive motor of the rolls when steel slabs enter or leave affect speeds. For the water Level example, a sudden or gradual change of flow resistance of the valves due to foreign matter or valve deposits represents a system parameter values are different at 20% and 100% of full power. In a valve, the relation, between pressure drop and flow rate is often nonlinear, and as a res。同時(shí)可以降低對(duì)運(yùn)行的硬件平臺(tái)的要求，降低軟件的投入，減少軟件運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，降低客戶機(jī)的配置要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，根軌跡法是有效的，因?yàn)樗赋隽讼到y(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)和零點(diǎn)應(yīng)該怎樣變化，才能使系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。 MATLAB 語(yǔ)言的數(shù)值計(jì)算和繪圖功能非常強(qiáng)大，而且精度可以滿足要求，這就直接省去了我們的繪圖時(shí)間。下面我們具體舉根軌跡實(shí)驗(yàn)說(shuō)明。 其中，‘ tanhuang’ 、‘ dianlu’ 、‘ zidong’分別是彈簧小車模型、電路模型、自動(dòng)化控制模型的 M 文件。,39。Z)39。Call39。clear all39。 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面 實(shí)驗(yàn)操作窗口 模型元件庫(kù) 仿真模型 幫助 仿真試驗(yàn)項(xiàng)目 輸入元件庫(kù) 輸出元件庫(kù) 連續(xù)線性環(huán)節(jié)元件庫(kù) 非線性元件庫(kù) 離散線性環(huán)節(jié)元件庫(kù) 彈簧小車模型 電路模型 自動(dòng)化模型 自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 根軌跡實(shí)驗(yàn)窗口 頻域分析窗口 自控系統(tǒng)靜態(tài)誤差 線性二階系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 退出實(shí)驗(yàn) 數(shù)字PID控制 退出MATLAB 完成 31 state=uimenu(fzsyxm,39。,39。T)39。Call39。首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），根據(jù)主界面的模型框架，在菜單編輯器建立菜單，然后運(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。主界面模塊框圖如圖 : 在我們得主界面上有六個(gè)窗口組成： 1)實(shí)驗(yàn)操作窗口： 通過(guò)該連接可 以將用戶導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)操作的子窗口，該窗口的設(shè)計(jì)目的是為了讓用戶有個(gè)可以實(shí)現(xiàn)自己模型的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是為了那些不滿足于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的用戶，結(jié)合模型元件庫(kù)就可以設(shè)計(jì)出適合不同用戶的平臺(tái)。 MATLAB可以獲得圖形，坐標(biāo)軸， uicontrol， uicontextmenu， uimenu 和其他對(duì)象的句柄。 MATLAB 中的基本圖形用戶界面對(duì)象分為 3 類： 1)界面控件對(duì)象 (uicontrol)：能建立按鈕、列表框、編輯框等圖形用戶界面對(duì)象。然后將用戶在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及到的校正前后相關(guān)參數(shù)、公式設(shè)置成全局變量，然后將其導(dǎo)入該 m 文件。 (2)實(shí)驗(yàn)報(bào)告框圖 在根軌跡實(shí)驗(yàn)中 ,我們將實(shí)驗(yàn)報(bào)告分成三頁(yè)顯示，在 根軌跡的 主界面上，通過(guò)點(diǎn)擊 “ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成 ” 按鈕，得到 三個(gè)下拉菜單：（ 1）實(shí)驗(yàn) 原理與目的 ，（ 2）實(shí)驗(yàn) 步驟 ,（ 3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ,實(shí)驗(yàn)報(bào)告框圖如圖 所示： 圖 實(shí)驗(yàn)報(bào)告框圖 其中實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑑?nèi)容以及思考題；實(shí)驗(yàn)步驟則闡述了根軌跡圖的繪制、根軌跡設(shè)計(jì)校正裝置的四種不同方法以及校正前后系統(tǒng)零、極點(diǎn)和開、閉環(huán)傳遞函數(shù)的求法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果則描繪了校正前系統(tǒng)的特性，主要以根根軌跡界面 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成 實(shí)驗(yàn)原理和目的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn) 步驟 校正后特性 校正前特性 幾何校正 滯后校正 解析法超前校正 最大法超前校正 25 軌跡圖的形式顯示出來(lái)；校正后系統(tǒng)的特性是按照四種不同方法 的校正，分別對(duì)校正后實(shí)驗(yàn)結(jié)果以根軌跡圖的形式顯示出來(lái)。包括多項(xiàng)式求根， 傳遞 函數(shù)的零極點(diǎn)和增益，傳遞函數(shù)部分分式展開等等。其模塊框圖見圖 圖 串聯(lián)校正的模塊框圖 21 下面我以幾何法超前校正對(duì)系統(tǒng)的校正為例，具體說(shuō)明這個(gè)校正方法及其實(shí)現(xiàn)步驟。通過(guò)串聯(lián)校正后，最終使系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都能滿足設(shè)計(jì)要求。在根軌跡上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)，每一個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)參數(shù) k， 并可以利用幅值條件確定該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 k值。右 上角是模型圖，右下角為功能實(shí)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，并能得出與輸入?yún)?shù)相對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。 圖 電阻電容模型 界面 2．電阻電容模型主要按鈕程序的流程圖： 同理，在本模型中的按鈕與彈簧模型中的七個(gè)按鈕所要實(shí)現(xiàn)的功能相同，其中在本模型中“躍響應(yīng)曲線”按鈕的程序流程圖，由所變化。在這就不一一畫出每一個(gè)按鈕后臺(tái)程序的程序流程圖了，以“階躍響應(yīng)曲線”按鈕后臺(tái)程序流程圖為例（本系統(tǒng)中最難的）。 （ 1） 機(jī)械系統(tǒng)模型（彈簧小車模型） 典型的機(jī)械系統(tǒng)是由阻尼器α、彈簧 k、和質(zhì)量m 或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 組成。本設(shè)計(jì)中用的是演繹法 ,即通過(guò)定理、定義、公理等已經(jīng)驗(yàn)證了的理論來(lái)推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型。 所以這三部分的具體實(shí)現(xiàn)原理及方法， 詳見陶睿 同學(xué)的論文，在此不在累述。完成后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析、調(diào)試和測(cè)試。其開發(fā)的環(huán)境、功能極強(qiáng)的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、各種工具 6 箱、以及象“草稿紙”一樣的工作空間等許多優(yōu)點(diǎn)，使其提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其 它程序和語(yǔ)言接口功能。 但是，由于《自動(dòng)控制原理》又是一門理論性極強(qiáng)的課程，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底（特別是積分變換理論和矩陣?yán)碚摚┮蠛?，課程中的很多結(jié)論非常抽象。 附錄一 科技文獻(xiàn)翻譯 ..................................... 38 附錄二 所用函數(shù)表 ....................................... 44 附錄三 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 ................................... 45 4 基于 MATLAB 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械與電氣工程系 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 03 電氣一班 后麗萍 指導(dǎo)老師 *** 1 緒