【正文】 he 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 diaphragm 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。 要真正實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、仿真、數(shù)據(jù)分析等，非常困難。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)建模這一塊我們重在介紹如何 通過(guò) MATLAB 工具求取系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，然后通過(guò)一定的算法得到總傳遞函數(shù)。該系統(tǒng)是中文界面， 具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。,39。Label39。,39。)。 4)仿真模型： 這個(gè)部分包括了三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其分別是機(jī)械，電路和自動(dòng)化模 型，在其各自的窗口中我們可以通過(guò)圖形用戶界面很方便的了解自動(dòng)化控制中幾個(gè)比較典型的模型，對(duì)于學(xué)習(xí)自動(dòng)化理論的用戶來(lái)說(shuō)是相當(dāng)方便的。 圖形對(duì)象不僅包括界面控件對(duì)象，下拉式菜單對(duì)象和內(nèi)容式菜單對(duì)象，而且還 包括圖形、坐標(biāo)軸、線條、曲面、文本和它們的子對(duì)象。 (3)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成 用戶界面上建立 一個(gè) FIGURE 文件， 并生成 M 文件，再將自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、參數(shù)，分析的過(guò)程以及設(shè)計(jì)結(jié)果等導(dǎo)入 到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，最后編譯 M 文件程序后 ，完成整個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn) 的調(diào)用 。再計(jì)算使根軌跡通過(guò)主導(dǎo)極點(diǎn)ds 所需的補(bǔ)償角 c? ， c? =1800 ? 。而引入的附加裝置即為校正裝置，所以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行串連校正實(shí)質(zhì)上是選擇合適的校正裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使系統(tǒng)的性能附合設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)用 根軌跡法對(duì)控制 系統(tǒng)進(jìn)行串連校正，即是根據(jù)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(jìn)而繪制出校正后系統(tǒng)的根軌跡圖，并估計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。 是 否 Plot(t,s)繪制階躍響應(yīng)曲線 否 是 從用戶區(qū)獲得數(shù)據(jù) 開(kāi) 始 結(jié) 束 14 圖 速度控制系統(tǒng)模型主窗口 根據(jù)模型框架，首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對(duì)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(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。彈簧系統(tǒng)圖如示： 根據(jù)建模方法和設(shè)計(jì)目的，我們?cè)O(shè)計(jì)出如下所示的框架圖 圖 彈簧小車模型框架圖 根據(jù)模型框架，首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具 10 箱中的對(duì)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(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。 8 3 系統(tǒng)的部分模塊實(shí)現(xiàn)與主界面設(shè)計(jì) 建模設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) 研究控制系統(tǒng)我 們需要根據(jù)其中物理量的變化，把它們彼此之間相互作用的關(guān)系和各自的變化規(guī)律用數(shù)學(xué)形式描述出來(lái)，此即為建模。用戶不僅可快速獲得特定問(wèn)題的準(zhǔn)確答案，而且能隨時(shí)對(duì)各類計(jì)算或測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。然后利用該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程中的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算、仿真與研究。結(jié)果證明 該軟件系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，它不僅能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，改善實(shí)驗(yàn)效果，而且方便易行，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。 MATLAB 簡(jiǎn)介及其在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用 MATLAB 語(yǔ)言是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)界（尤其是自動(dòng)控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最具有活力的軟件。 按照 上述設(shè)計(jì)思想和滿足 《自動(dòng)控制原理》的課程教學(xué)內(nèi)容 、 科研 、相關(guān) 實(shí)驗(yàn) 和課程設(shè)計(jì)等 設(shè)計(jì)出本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體框架（ 見(jiàn)圖 ） 圖 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體框架 介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)架后，下面 來(lái)具體 對(duì)各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。（ 2）電學(xué)系統(tǒng)的模型，我們使用的是電阻電容模型。最后得到的界面見(jiàn)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(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，并通過(guò)其得出與 輸入?yún)?shù)相對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。對(duì)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(duì)于滿足此方程的所有 S 的值都是閉環(huán)的極點(diǎn) ,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(duì)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(diǎn)，也即為根軌跡上的點(diǎn)。如果不設(shè)返回值， MATLAB就自動(dòng)繪制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡。我們的目標(biāo)是用戶就可以根據(jù)自己的需要，點(diǎn)擊本模塊上“實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成”這個(gè)按鈕，保存 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的目的與原理、相關(guān)數(shù)據(jù)、分析步驟以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容。 圖形化用戶界面（ Graphical User Interfaces） ,簡(jiǎn)稱 GUI，是一種圖形化的溝通界面，通過(guò)此界面可以很方便地達(dá)到一些特定的控制的操作，而這些界面調(diào)用 MATLAB 來(lái)進(jìn)行運(yùn)算處理操作。同時(shí)在摸索過(guò)程中不斷的改進(jìn)我們的界面，使得程序最終可以達(dá)到我們預(yù)定的設(shè)計(jì)目，即設(shè)計(jì)出一個(gè)界面良好、操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大并且具有豐富的在線幫助的圖形用戶。F)39。 uimenu(state,39。Call39。,39。zidong39。學(xué)生只要在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)擊相應(yīng)按鈕便可得到結(jié)果，讓學(xué)生將主要精力放在對(duì)控制理論概念的理解上。該系統(tǒng)可以使實(shí)驗(yàn)的方式有一個(gè)本質(zhì)的改進(jìn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以使多個(gè)人同時(shí)共享一臺(tái) 設(shè)備，使以前一人一臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方式變?yōu)榱硕嗳艘慌_(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享方式。 同時(shí)我要感謝機(jī)房的李老師，他每天按時(shí)地為我們開(kāi)機(jī)房的門，為我們提供了很好的上機(jī)環(huán)境。最重要的是指導(dǎo)老師 教會(huì)我們?cè)S多分析 、解決問(wèn)題的方法，這在書(shū)本中無(wú)法學(xué)到的，他的 教誨培養(yǎng)了我科學(xué)的思維方法和一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)更使我受益匪淺。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)中瞬態(tài)性能指標(biāo)的要求的不同，用根軌跡法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正，本模塊中用到的校正方法有幾何法超前校正， ? 最大法超 前校正，滯后校正以及解析法校正。 從 WINDOWS 中進(jìn)入自動(dòng)控制原理虛擬實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng) ，單擊系統(tǒng)主界面上的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉菜單中的“根軌跡實(shí)驗(yàn)窗口”按鈕，進(jìn)入根軌跡實(shí)驗(yàn)窗口，如圖所示 圖 根軌跡分析窗口 ? 在輸入?yún)?shù)區(qū)輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ，如 : 被控對(duì)象 Gp （ s）： num= [1],den= [1 5 4 0], 反饋通道 H（ s）： num= [1] ， den= [1]， 控制器 Gc （ s） ： num= [1] ， den= [1] ? 點(diǎn)擊求傳遞函數(shù)按鈕 ,在顯示區(qū)得出： 開(kāi)環(huán)零點(diǎn)：無(wú)；開(kāi)環(huán)極點(diǎn)： 0， 1， 4； Gp （ s） Gc （ s） H（ s） = 0451 123 ??? sss=)4)(1( 1 ?? sss ? 點(diǎn)擊繪制根軌跡，在坐標(biāo)區(qū)顯示出該系統(tǒng)的根軌跡圖 34 圖 系統(tǒng)繪制出的根軌跡圖 ? 點(diǎn)擊滯后超前校正按鈕，在坐標(biāo)區(qū)顯示出校正后的系統(tǒng)根軌跡圖 圖 校正后的根軌跡圖 ? 最后我們點(diǎn)擊試驗(yàn)報(bào)告生成菜單，自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。J)39。dianlu39。,39。Call39。下面舉一個(gè)“仿真模型”菜單的調(diào)用 %仿真模型 fzsyxm=uimenu(gmain,39。 ? gcf 獲得當(dāng)前圖形窗口的句柄值。包括校正前系統(tǒng)的 根軌跡和系統(tǒng)的性能指標(biāo) ，以及在選用校正方法校正后系統(tǒng)的相應(yīng)的校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、校正后根軌跡和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 在 MATLAB 環(huán)境下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真是，用 mun 和 den 來(lái)命名，即num=[bm,bm1，．．．， b1， b0] den=[am， am1，．．． a1， a0]，然后用 MATLAB 中提供的 tf2zp()函數(shù) ,來(lái)求取 其傳遞函數(shù) ,零極點(diǎn)和增益 .其基本調(diào)用格式如下 :[Z,p,k]=TF2ZP(NUM,den),所以在本求傳遞函數(shù)按鈕中調(diào)用該函數(shù) ,當(dāng)我們?cè)谳斎肽K中輸入 num= [?? ], den= [?? ],點(diǎn)擊求傳遞函數(shù)按鈕 ,就可以求出傳遞函數(shù) , 零極點(diǎn)和增益 （ 4） 根軌跡設(shè)計(jì)成果 在分別實(shí)現(xiàn)根軌跡模 塊圖中的每個(gè)按鈕的功能后 , 根據(jù)模型框架，首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對(duì)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(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。 rlocus(sys)函數(shù)命令用來(lái)繪制 SIOS 的 LIT 對(duì)象的根軌跡圖。）可以直觀的看到階躍輸入與輸出的關(guān)系以及判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。 根據(jù)建模方法和設(shè)計(jì)目的，我們?cè)O(shè)計(jì)出如下所示的框架圖 圖 二階電路模型框圖 12 根據(jù)模型框架， 首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對(duì)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(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。其次，用繪制系統(tǒng)方塊圖的方法來(lái)求出傳遞函數(shù)，這包括系統(tǒng)方塊圖的繪制，方塊圖的化簡(jiǎn)以及最后的結(jié)果。 2)繪圖功能： 能準(zhǔn)確地繪制出系統(tǒng)的 Bode 圖、 Nyquist 圖、根軌跡圖及系統(tǒng)任意輸入下的響應(yīng)曲線。而且實(shí)驗(yàn)課是《自動(dòng)控制原理》整個(gè)教學(xué)過(guò)程中不可缺少的重要組成部分，對(duì)于初學(xué)自動(dòng)控制理論課的學(xué)生來(lái)說(shuō)．由于時(shí)間和專業(yè)知識(shí)的限制，直接利用 MATLAB 語(yǔ)言編程進(jìn)行控制系統(tǒng)分析是極不方便的。而實(shí)驗(yàn)課是自動(dòng)控制原理整個(gè)教學(xué)過(guò)程中不可缺少的重要組成部分。 我們知道自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)是自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)教學(xué)中重要的專業(yè)課，特別是在信息時(shí)代，自動(dòng)化技術(shù)是一個(gè)最為活躍的推動(dòng)力，特別是控制理論目前已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)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(gè)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，從自然科學(xué)領(lǐng)域到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，都可見(jiàn)到控制的蹤跡。在代碼的實(shí)現(xiàn)上，我們采用自下而上的編程思想，分別完成每個(gè)子系統(tǒng)，在進(jìn)行分析和調(diào)試后通過(guò)確定的接口參數(shù)完成整個(gè)系統(tǒng)的拼裝。 建模的方法有很多種，其中應(yīng)用最為廣泛的是：演繹法、歸納法 、混合模型三種方法。 圖 彈簧小車的界面 ： 我們彈簧模型界面上有七個(gè)按鈕，其中“退出”按鈕可以在 GUI 設(shè)計(jì)是設(shè)定它的屬性為 close，運(yùn)行后就可以實(shí)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(jiǎn)”、“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”、“ SIMULINK 仿真”、“階躍響應(yīng)曲線”按鈕，都是由調(diào)用后臺(tái)程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)按鈕的功能的。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?yún)?shù)框，在這個(gè)參數(shù)框中包括 退出 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 SIMULINK仿真 階躍響應(yīng)曲線 方框圖化簡(jiǎn) 系統(tǒng)方塊圖 系統(tǒng)微分方程 速度模型窗口 系統(tǒng)輸入?yún)?shù) 開(kāi) /閉環(huán) ? 15 供用戶選擇的按鈕，這是由于該系統(tǒng)既可在開(kāi)環(huán)下運(yùn)行，又可在閉環(huán)下運(yùn)行。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，如果未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為某 一數(shù)值時(shí)，瞬態(tài)性能符合設(shè)計(jì)要求，則設(shè)計(jì)校正裝置使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差滿足設(shè)計(jì)要求；如果未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)