【正文】 現(xiàn)真正的實驗設(shè)備的共享方式。 我們所設(shè)計的虛擬實驗系統(tǒng) 軟件只是一個單機(jī)的仿真軟件，對于用戶而言，必須每臺客戶機(jī)都裝有一套軟件，軟件投入資金大，同時，對客戶機(jī)的要求又高，以運(yùn)行很龐大的仿真軟件。在設(shè)計過程中，根據(jù)設(shè)計中瞬態(tài)性能指標(biāo)的要求的不同，用根軌跡法對系統(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。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，根軌跡法是有效的，因為它指出了系統(tǒng)開環(huán)極點和零點應(yīng)該怎樣變化，才能使系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計指標(biāo)。 在控制系統(tǒng)的分析中，根軌跡法是 — 種很適用的工程方法 。 除建模外，我對系統(tǒng)根軌跡有了較深刻的理解。從分析系統(tǒng)的角度來講，我掌握了簡單控制系統(tǒng)的建模方法，例如列寫系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的微分方程，從微分方程經(jīng)過拉氏變換繪制系統(tǒng)方框圖，然后對于具體系統(tǒng)通過一定的算法得到系統(tǒng)的總傳 遞函數(shù)，基于所得到的傳遞函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。 MATLAB 語言的數(shù)值計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間。學(xué)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(xué)生將主要精力放在對控制理論概念的 理解上。等三部分都生成好后，就可以打印出實驗報告，本次實驗結(jié)束。 從 WINDOWS 中進(jìn)入自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng) ，單擊系統(tǒng)主界面上的仿真實驗項目下拉菜單中的“根軌跡實驗窗口”按鈕，進(jìn)入根軌跡實驗窗口，如圖所示 圖 根軌跡分析窗口 ? 在輸入?yún)?shù)區(qū)輸入實驗數(shù)據(jù) ，如 : 被控對象 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] ? 點擊求傳遞函數(shù)按鈕 ,在顯示區(qū)得出： 開環(huán)零點：無；開環(huán)極點： 0， 1， 4； Gp （ s） Gc （ s） H（ s） = 0451 123 ??? sss=)4)(1( 1 ?? sss ? 點擊繪制根軌跡，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 ? 最后我們點擊 試驗報告生成菜單，自動生成試驗報告。下面我們具體舉根軌跡實驗說明。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?？蓪崿F(xiàn)資源共享和多任務(wù)并行的要求。該系統(tǒng)主界面見下圖 圖 系統(tǒng)主界面效果圖 在這個系統(tǒng)中 實驗全部用軟件來實現(xiàn)，只需利用現(xiàn)有的計算機(jī)就可完成“自動控制原理 課程的實驗，它 太大減少購置儀 器的經(jīng)費，不愧為一種“價廉物美”的替代實驗手段。 其中，‘ tanhuang’ 、‘ dianlu’ 、‘ zidong’分別是彈簧小車模型、電路模型、自動化控制模型的 M 文件。zidong39。Call39。J)39。,39。 uimenu(state,39。clear all39。Call39。Z)39。,39。 state=uimenu(fzsyxm,39。dianlu39。Call39。J)39。,39。 uimenu(state,39。clear all39。Call39。D)39。,39。 虛擬實驗系統(tǒng)主界面 實驗操作窗口 模型元件庫 仿真模型 幫助 仿真試驗項目 輸入元件庫 輸出元件庫 連續(xù)線性環(huán)節(jié)元件庫 非線性元件庫 離散線性環(huán)節(jié)元件庫 彈簧小車模型 電路模型 自動化模型 自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 根軌跡實驗窗口 頻域分析窗口 自控系統(tǒng)靜態(tài)誤差 線性二階系統(tǒng) 實驗指導(dǎo) 關(guān)于虛擬實驗系統(tǒng) 退出實驗 數(shù)字PID控制 退出MATLAB 完成 31 state=uimenu(fzsyxm,39。tanhuang39。Call39。J)39。,39。 uimenu(state,39。clear all39。Call39。T)39。,39。 state=uimenu(fzsyxm,39。clear all39。Call39。F)39。,39。下面舉一個“仿真模型”菜單的調(diào)用 %仿 真模型 fzsyxm=uimenu(gmain,39。首先新建一個 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 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。 5)幫助： 這個部分是為了讓用戶在使用該軟件的時候盡快的了解軟件的使用方法和為了用戶在使用軟件時遇到的一些問題進(jìn)行解答。 3)仿真實驗項目： 這是我們該程序的主體，其包括了 我們所完成的六 個實驗項目的鏈接，通過相應(yīng)的鏈接我們可以進(jìn)入不同的實驗子窗口，在各個實驗的窗口中我們就可以完成各個實驗 項目。主界面模塊框圖如圖 : 在我們得主界面上有六個窗口組成： 1)實驗操作窗口： 通過該連接可 以將用戶導(dǎo)入實驗操作的子窗口，該窗口的設(shè)計目的是為了讓用戶有個可以實現(xiàn)自己模型的平臺，這個平臺是為了那些不滿足于現(xiàn)有的實驗項目的用戶，結(jié)合模型元件庫就可以設(shè)計出適合不同用戶的平臺。同時在摸索過程中不斷的改進(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)計目，即設(shè)計出一個界面良好、操作簡便、功能強(qiáng)大并且具有豐富的在線幫助的圖形用戶。 ? gco 獲得當(dāng)前圖形窗口內(nèi)當(dāng)前對 象的句柄值。 ? gcf 獲得當(dāng)前圖形窗口的句柄值。 MATLAB可以獲得圖形，坐標(biāo)軸， uicontrol， uicontextmenu， uimenu 和其他對象的句柄。每創(chuàng)Root 計算機(jī)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。其中，計 算機(jī)屏幕是根對象，它是 其他對象的父對象；圖形窗口是計算機(jī)屏幕的子對象；坐標(biāo)軸，界面控件對象，下拉式菜單對象和內(nèi)容式菜單對象是圖形窗口的子對象；圖像、線條、曲面、等是坐標(biāo)軸的子對象。 3)內(nèi)容式菜單對象 (uicontextmenu) ：建立內(nèi)容式菜單 用戶界面對象。 MATLAB 中的基本圖形用戶界面對象分為 3 類： 1)界面控件對象 (uicontrol)：能建立按鈕、列表框、編輯框等圖形用戶界面對象。 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(dá)到一些特定的控制的操作，而這些界面調(diào)用 MATLAB 來進(jìn)行運(yùn)算處理操作。校正前系統(tǒng)根軌跡和性能指標(biāo)見圖 ，選用最大法超前校正對系統(tǒng)進(jìn)行校正，校正后的根軌跡和系統(tǒng)性能指標(biāo)見圖 。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)。然后將用戶在實驗過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。這樣在運(yùn)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(yùn)用 GUI 界面編程，結(jié)果如圖。 在主函數(shù)（主界面）中對生成實驗報告各函數(shù)的調(diào)用相類似，下面是調(diào)用函數(shù) chaoqianfa()即：用超前校正法生成實驗報告時主函數(shù)中的主要代碼： function Untitled_21_Callback(hObject, eventdata, handles) global nump denp numh denh l14 l27 l24 l26 figure(chaoqianfa) ① 實驗?zāi)康暮蛯嶒炘淼纳? 利 用 MATLAB 軟件的 GUI 界面編程，生成一個 m 文件，再將該實驗的目的、內(nèi)容和相關(guān)的原理寫入 m 文件。用戶也可以改變實驗系統(tǒng)中的參數(shù)，動態(tài)地在“實驗報告生成”這個按鈕下顯示校正前后系統(tǒng)的特性。 (2)實驗報告框圖 在根軌跡實驗中 ,我們將實驗報告分成三頁顯示，在 根軌跡的 主界面上，通過點擊 “ 實驗報告生成 ” 按鈕，得到 三個下拉菜單：（ 1）實驗 原理與目的 ，（ 2）實驗 步驟 ,（ 3） 實驗結(jié)果 ,實驗報告框圖如圖 所示： 圖 實驗報告框圖 其中實驗?zāi)康呐c原理包括實驗?zāi)康?，?nèi)容以及思考題；實驗步驟則闡述了根軌跡圖的繪制、根軌跡設(shè)計校正裝置的四種不同方法以及校正前后系統(tǒng)零、極點和開、閉環(huán)傳遞函數(shù)的求法；實驗結(jié)果則描繪了校正前系統(tǒng)的特性，主要以根根軌跡界面 實驗報告生成 實驗原理和目的 實驗結(jié)果 實驗 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；校正后系統(tǒng)的特性是按照四種不同方法 的校正，分別對校正后實驗結(jié)果以根軌跡圖的形式顯示出來。我們的目標(biāo)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。在添加完畢后，運(yùn)行調(diào)試直到成功。 在 MATLAB 環(huán)境下對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真是，用 mun 和 den 來命名，即num=[bm,bm1，．．．， b1， b0] den=[am， am1，．．． a1， a0]，然后用 MATLAB 中提供的 tf2zp()函數(shù) ,來求取 其傳遞函數(shù) ,零極點和增益 .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)我們在輸入模塊中輸入 num= [?? ], den= [?? ],點擊求傳遞函 數(shù)按鈕 ,就可以求出傳遞函數(shù) , 零極點和增益 （ 4） 根軌跡設(shè)計成果 在分別實現(xiàn)根軌跡模塊圖中的每個按鈕的功能后 , 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(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。包括多項式求根， 傳遞 函數(shù)的零極點和增益，傳遞函數(shù)部分分式展開等等。 我們對上個模塊的進(jìn)行 幾何法超前校正，得出： a. 校正前性 能指標(biāo) : ： 最大過 調(diào)量 Mp 為 ，調(diào)整 時間 Ts 為4s,? =,Sd = n?? =1? 。作 ? 的角平分線，在角平分線的 兩側(cè)作 c? /2分別與坐標(biāo)軸交于兩點，右側(cè)為零點，左側(cè)為極點，由此可得出校正裝置的零、極點。 幾何法超前校正按鈕的模塊框圖 圖 幾何超前校正 模塊框圖 幾何法超前校正是根據(jù)要求的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，確定閉環(huán)主導(dǎo)極點 ds 的位置，ds 的位置確定后，計算該點在復(fù)平面的相角為 ? 。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系統(tǒng)的校正為例，具體說明這個校正方法及其實現(xiàn)步驟。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。 利用 MATLAB 提供的函數(shù) rlocus()，可以通過系統(tǒng) 的開環(huán)傳遞函數(shù)繪制其閉環(huán)的根軌跡圖。 rlocus(sys)函數(shù)命令用來繪制 SIOS 的 LIT 對象的根軌跡圖。通過串聯(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)計要求。或者從給定的性能指標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(jìn)行串聯(lián)校正，首先是使瞬態(tài)性能指標(biāo)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。如果認(rèn)為可以滿足設(shè)計要求，再對系統(tǒng)進(jìn)行分析檢驗，如果符合了系統(tǒng)規(guī)定的性能指標(biāo)，則設(shè)計結(jié)束。 18 (2) 設(shè)計思想及目標(biāo) 在實際工程中，一個控制系統(tǒng)的被控對 象常常是已知的，其性能指標(biāo)也是預(yù)先給定的，要求設(shè)計者選擇合適的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使控制器與被控對象能組成一個其性能指標(biāo)能滿足要求的系統(tǒng)，這類問題是控制系統(tǒng)的綜合問題，而系統(tǒng)綜合的目的是在原控制系統(tǒng)中引入合適的附加裝置，使原有系統(tǒng)的性能缺點得到校正，從而滿足工程要求的性能指標(biāo)。在根軌跡上的每一點對應(yīng)于一個閉環(huán)極點，每一個閉環(huán)極點對應(yīng)一個參數(shù) k， 并可以利用幅值條件確定該點對應(yīng)的