【正文】 》虛擬實驗系統(tǒng) 。)。,39。,39。界面仿真方式 (amp。Label39。)。,39。,39。 模型三：自動化控制模型(amp。Label39。)。,39。,39。界面仿真方式 (amp。Label39。)。,39。,39。模型二：電路模型 (amp。Label39。)。,39。,39。界面仿真方式 (amp。Label39。)。,39。,39。 模 型 一 ： 彈 簧 小 車 模 型(amp。Label39。)。,39。,39。仿真模型 (amp。Label39。在得到的 M文件中，定義變量，進行各個模塊的調(diào)用。在本次設(shè)計中我采用了 GUI 設(shè)計工具中的菜單編輯器 Menu Editor。 6)完成 ： 是為了在用戶結(jié)束使用的時候退出 MATLAB 或退出實驗窗口所設(shè) 30 立的。 4)仿真模型： 這個部分包括了三個仿真實驗?zāi)Ｐ?，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。 2)模型元件庫： 這個部分包含有 5 個元件庫，是配合實驗操作窗口所設(shè)計的，是為了方便用戶的建模，使得用戶不需要再進入 MATLAB 的 SIMULINK 來調(diào)用相應(yīng)的模塊。 主界面模塊框圖 我們設(shè)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。 利用上述對象和 MATLAB 進行界面設(shè)計的方法，進行周密的組織、設(shè)計，來設(shè)計出一個界面良好、操作簡便、功能強大的圖形用戶界面。 ? gca 獲得當前圖形窗口內(nèi)當前坐標軸的句柄值。具體地講，可以通過下述 3 個函數(shù)來獲得對象句柄值。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。在 MATLB 中的 GUI 對象層次結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖 MATLAB中的 GUI對象層次結(jié)構(gòu)圖 在 MATLAB 中，每個圖形對象都是由一個 數(shù)字來標識，叫句柄 (Handle)。 圖形對象不僅包括界面控件對象，下拉式菜單對象和內(nèi)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。 2)下拉式菜單對象 (uimenu):能建立下拉式菜單和子菜單等圖形用戶界面對象。 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(shè)計出專屬某個主題的圖形化界面。 27 圖 校正前實驗結(jié)果 圖 校正后實驗結(jié)果 28 3． 3 主界面的設(shè)計 設(shè)計思想及目標 作為強大的科學計算軟件， MATLAB 也提供了圖形用戶界面的設(shè)計和開發(fā)功能。 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。根據(jù)用戶進行的不同系統(tǒng)分析，在主界面中調(diào)用相應(yīng)的 fig 文件，顯示不同的實驗分析結(jié)果。 “實驗步驟”界面 ③ 實驗結(jié)果顯示 同樣利用 GUI 界面生成 m 文件和 fig 文件。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?zāi)康呐c原理”界面，見圖 ： 圖 ‘“ 實驗 原理 與 目的”界面 26 ② 實 驗步驟的生成 利用 MATLAB 軟件的 GUI 界面編程，生成一個 m 文件，再將實驗的詳細步驟寫入 m 文件。 (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?zāi)康呐c原理、參數(shù)，分析的過程以及設(shè)計結(jié)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(diào)用 。實驗報告生成完成以后，由系統(tǒng)原先給定的參數(shù)及特性，再根據(jù)實驗過程中的四種不同的校正方法，用戶可以根據(jù)自己的需要，通過點擊“實驗報告生成”這個按鈕，隨心所欲地顯示校正前后系統(tǒng)的特性，如根軌跡圖以及傳遞函數(shù)等。即 當用戶做完實驗后系統(tǒng)可以自動生成相應(yīng)形式的實驗報告， 然后可以直接打印出實驗報告。最后得出根軌跡的窗口 : 圖 根軌跡分析窗口 24 實驗報告生成模塊的設(shè)計 (1)設(shè)計思想及目標 為了使實驗過程中的實驗?zāi)康呐c原理、實驗步驟、數(shù)據(jù) 、框圖以及分析和設(shè)計結(jié)果等能夠在實驗?zāi)K界面中顯示，我們做了實驗報告生成這個子系統(tǒng)。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應(yīng)的參數(shù)，在各個 pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。能夠非常方便快捷地建立起系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 模型。 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(nèi)部函數(shù)可以構(gòu)建和處理系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。相應(yīng)的幾何圖形如圖 ： 圖 幾何法超前校正零、極點確定幾何圖 獲得 K 值 繪制校 正前 根軌跡圖 繪制校正 后系統(tǒng)根軌跡圖 顯示校正前后性能指標 性能指標 結(jié) 束 顯示校正 傳遞函數(shù) 求得校正前系統(tǒng)模型 顯示校正前 性能指標 幾何法校正 接受校正參數(shù) 開 始 22 幾何法超前校正的設(shè)計步驟及其成果 根據(jù)幾何法超前校正的模塊框圖，按照以下步驟： a. 由給定的系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標確定閉環(huán)期望極點 S d 在 S 平面上的位置； b. 計算超前校正裝置應(yīng)提供的相角； c. 設(shè)計超前校正裝置； d. 計算校正后系統(tǒng)在閉環(huán)期望極點 S d 的增益值，檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)是否滿足設(shè)計要求； e. 繪制校正后系統(tǒng)的根軌跡圖，確定除 閉環(huán)期望極點外的其他閉環(huán)極點的位置，并估算這些閉環(huán)極點和零點對系統(tǒng)瞬態(tài)性能的影響。再計算使根軌跡通過主導極點ds 所需的補償角 c? ， c? =1800 ? 。其它三種校正方法與幾何法超前校正方法類似，在此就不具體介紹了。 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(chǎn)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。其基本調(diào)用格式為： R=RLOCUS(SYS,K) 其中 SYS 是系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)描述， K 是系統(tǒng)增益向量，也可以缺省并使用 MATLAB 提供的向量； R 是返回的根軌跡數(shù)據(jù)。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～∞）。 19 (3) 功能介紹及設(shè)計步驟 根據(jù)根軌跡模塊的設(shè)計目標設(shè)計出如圖所示的總體框圖： 圖 模塊設(shè) 計總體框圖 ① 繪 制根軌跡按鈕的實現(xiàn) 在 MATLAB 中，提供了求系統(tǒng)根軌跡的函數(shù) rlocus()，其函數(shù)命令調(diào)用格式為： rlocus(sys) 、 rlocus(sys,k) 、 [r,k]=rlocus(sys)。在設(shè)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(shè)計要求，則設(shè)計校正裝置使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差滿足設(shè)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(shè)計要求，則需設(shè)計校正裝置使系統(tǒng)的瞬態(tài)性能滿足設(shè)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(shè)計要求，設(shè)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。如果不符合，通過調(diào)整校正裝置參數(shù)對系統(tǒng)進行再次校正，直到滿足規(guī)定的性能指標為止。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(zhì)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(shè)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(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)，進而繪制出校正后系統(tǒng)的根軌跡圖，并估計是否滿足設(shè)計要求。設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： G（ s） H（ s） =k(s+Z1)．．． (s+Zm)/(s+P1)．．． (s+Pn)， 由幅值和相角條件得出： ??MJ j1 _? ?? ????Ni i ll1 0 ),2,1()12(180 ?? ??????NiijPs1M1jZsk ＝１ 其中， θ 角 是 S 平面上任一點到閉環(huán)零點與正實軸的夾角； ? 角 是 S 平面上任意點 到閉環(huán)零點的夾角。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(gòu)成的圖形就是根軌跡圖。） 圖 pushbutton 按鈕下的流程圖 17 根軌跡模塊實現(xiàn)及實驗報告生成模 塊的設(shè)計 根軌跡模塊的實現(xiàn) (1) 根軌跡設(shè)計原理 根軌跡法是一種求系統(tǒng)閉環(huán)極點的圖解方法，即根椐系統(tǒng)開環(huán)極點和零點，研究系統(tǒng)某一個或某幾個參數(shù)的變化時，系統(tǒng)閉環(huán)極點分布變化的趨勢，可用于分析系統(tǒng)，而且是改善系統(tǒng)性能的有效途徑。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(yīng)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(nèi)部模塊的具體信息。另外，通過SIMLINK 仿真和系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖（本模型由于未對電動機里的系數(shù)進行合理的設(shè)值，所以不能確定傳遞函數(shù)的具體形式，從而未畫相應(yīng)的階躍相應(yīng)圖。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，在這個參數(shù)框中包括 退出 實驗結(jié)果 SIMULINK仿真 階躍響應(yīng)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?yún)?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。在各個pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。 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 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 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(yīng)的 M 文件。其流程圖見圖 : 13 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。另外，通過 Simulink仿真和系統(tǒng)的階躍響應(yīng)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 。在添加完畢后，運行調(diào)試直到成功。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應(yīng)的參數(shù)，因此必須定義相應(yīng)的全局變量，以便接收用戶在界面上輸入的參數(shù)。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