基于MATLAB的控制系统频率特性实验的开发图文精.docx

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基于MATLAB的控制系统频率特性实验的开发图文精

基于MATLAB的控制系统频率特性实验的开发

祁文哲　王莉莉　孟建军

（兰州交通大学机电工程学院　兰州　730070

摘　要　设计了基于MATLAB的虚拟实验系统,通过验证和试运行,此虚拟实验系统很好地实现了在计算机平台上频率特性实验的演示和仿真功能。

关键词　自动控制原理;频率特性;虚拟实验系统;MATLAB

中图分类号　TP3

DevelopingofFrequencyCharacteristiim

BasedonM

（CollegeofLanzhan730070,China

Abstract　isonMATLAB.Thefunctionofshowingofthefrequencychar2acteristicandtheonolsystemisachievedperfectlybyuse.

Keywords　principleofauto-control;frequencycharacteristic;virtualexperimentsystem;MATLAB

1　引　言

自动化是我国六大高新技术之一,而实验课是《自动控制原理》整个教学过程中不可缺少的重要组成部分,它可以将理论和实践紧密的联系起来,使学生加深对所学知识的理解。

我院传统的自动控制原理实验由于系统本身如电子器件的老化,接触不良,功能不全等缺点以及由于接线相对复杂,使得实验,尤其是频率特性的实验很难得到预期的效果,实验效率低;随着各高校扩招,学生多、仪器少的问题更加突出,难以保证正常的实验教学。

因此我们的改进措施从硬件系统的改进开发入手。

教学设备从传统的“物理实验台”转化到计算机平台上的“虚拟实验台”是信息时代充分利用计算机技术和网络技术开展教学活动的一大特征。

我们利用MATLAB强大的图形对象属性设置及GUI图形用户界面制作技术进行自动控制教学实验教学,开发实验系统。

从而给学生提供一个友好灵活的交互式人机界面,使学生能够全方位地接受教学信息,从而起到良好的教学实验效果。

2　基于MATLAB的频率特性教学实验系统设计

2.1实验平台概述

此实验教学软件基于MATLAB平台,针对实验内容,演示自动控制原理中频域分析方法,并且通过系统仿真,获取准确的实验效果,辅助教师指导学生成功地完成实验教学,在实验中,学生可以更直观的观察实验结果,更深层次的理解其中的分析方法,掌握有关概念。

此教学软件根据自动控制原理课程内容,辅助教学完成系统频率特性分析及绘图,为教师和学生提供了一个方便、灵活的系统分析与实验的软件操作平台。

2.2软件设计

2.2.1总体考虑

此系统实验平台设计中,特性演示部分是通过MATLAB语言编程和用户交互式界面GUI共同完成界面设计,使学生可以更方便、直观的观察线性系统的频率特性情况,并可随意地修改参数,以得到不同系统的幅频曲线与相频曲线;同时计算任意点的频率特性,幅频特性,相频特性的值。

实验的仿真部分则通过SIMULINK实现。

2.2.2技术关键的具体解决方法

・在系统的实现过程中,需要对传递函数进行定义,函数为:

G=tf（num,den

其中num表示传递函数的分子,den表示传递函数的分母。

・要计算某一特定点的特性值用以下函数:

收稿日期:

2006-01-13

作者简介:

祁文哲（1966-,副教授,研究方向:

测控技术与仪器。

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　　系统频率特性:

Gw=polyval（num,j3w./poly2val（den,j3w

幅频特性:

mag=abs（Gw

相频特性:

pha=angle（Gw

其中j为虚部变量。

・Bode图

功能:

求连续系统的Bode（波特频率响应

格式:

[mag,phase,w]=bode（a,b,c,d

[mag,phase,w]=bode（a.b,c.d,w

[mag,Phase,w]=bode（num,den

[mag,phase,w]=bode（num,den,w

说明:

bode

相频响应曲线（即

增益裕度、相位裕度、扰动抑制及其稳定性等特性。

bode函数可在当前图形窗口中直接绘制出LTI系统的Bode图。

2.2.3基于SIMULINK系统仿真的实现

・模型文件的创建:

选中MATLAB指令窗或某模型窗中的菜单[File:

New:

Model]

・在模型窗中打开SIMULINK模块库浏览器窗口。

・在上图的右侧子模块窗口中,单击“Souce”子模块库前的“+”。

・用鼠标单击所需要的输入信号源模块“SineWave”（正弦信号,将其拖放到空白模型窗口“unti2tled”,则“SineWave”模块就被添加到untitled窗口.・用同样的方法寻找其它子模块库,选择其中的“Scope”模块（示波器和“TransferFcn”模块（传递函数拖放到“untitled”窗口中。

・在“untitled”窗口中,建立模型。

・开始仿真,在窗口中单击“开始仿真”。

双击“Scope”模块出现示波器显示屏,可以看到黄色的正弦波形。

・保存模型。

2.3系统界面设计

本系统包括欢迎界面、系统简介界面、系统主界面、一阶系统、二阶系统、相关内容、系统仿真、操作说明、相关信息、退出系统等十个界面。

在进入MATLABGUI之后,对要求的界面进行必要的属性设置,激活界面,产生回调函数,其中回调函数包括系统自动生成的GUI初始化和组件界面布局控制代码,以及要求编程者编写的功能实现代码。

其中以一阶系统为例,yjjm.m文件中,主要程序代码如下:

clf

closeall

hf=figure（’position’,[313,79,250,443];num=str2num（get（handles.fenzi,’string’;den=str2num（get（handles.fenmu,’string’;w=str2num（get（handles.ww,’string’;

GW=polyval（num,j3w./polyval（den,j3wAW=abs（GW

phy=angle（GW

set（handles.tx,’,GW

set（,

.’,phy

（,den;

bode（G;

2.4软件系统的功能模块使用与操作方法

打开MATLAB软件图标,等待软件稳定后,将系统存储位置设置为当前目录,方法为:

在命令窗口中输入cdc:

\mydesign\pltxsyxt。

输入hyjm,进入频率特性教学实验系统。

如图1

。

图1　欢迎界面

点击“进入系统”,则进入系统主界面,用户可以根据实验内容演示其系统结构的频率特性,以及进行仿真实验。

如图2

。

图2　系统主界面

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2.4.1特性演示

我们以一阶系统特性演示为例,介绍一个具体的操作方法。

单击特性演示框图中的“一阶系统”按钮,系统会弹出一阶系统频率特性演示窗口,在此窗口,用户可以进行特性演示。

如图3

。

图3在此窗口中,系统给出一阶系统的传递函数形式为一般式as+b/cs+d,用户在分子和分母编辑框内填入合适的参数,即可构成一个一阶系统的传递函数,点击“运行”按钮,在左边的图形框内就会出现此

系统的BODE图,改变参数,则可得到不同的传递函数,同样可以得到不同的BODE图。

在“系统频率特性”框图中输入ω的值,就可以计算出特定频率点的系统特性值,幅频特性值和相频特性值。

用鼠标在图上单击取点,即可显示该点的频率,幅值,相位。

单击“相关内容”,可以查看有关频率特性的知识与操作方法。

在系统的各个部分,都为用户提供了“相关内容”窗口,以便用户查询相关知识与操作。

单击“返回主界面”,则可进行下一步的操作。

二阶系统的特性演示同一阶系统,在此不赘述。

2.4.2系统仿真

再回到系统主界面窗口,在系统仿真框图中,单击“系统仿真”,则可进入系统仿真窗口,如图4。

此仿真窗口有三部分组成,系统方框图窗口,示波器窗口和系统主界面窗口。

系统仿真这部分主要是用于学生实验。

点击系统方框图窗口中的!

按钮,则在示波器窗口中出现波形。

在示波器窗口,学生可以测得其输入信号的幅值,相位,频率,然后测量输出信号的幅值,相位,频率。

根据公式,计算其振幅和相移,得到系统的频率特性。

将计算出的结果与理论值比较,加深对系统频率特性的理解

。

4　系统仿真窗口

双击“SINEWAVE”,用户可以设置输入正弦波所要求的振幅,振幅偏移值,正弦

频率,初始相角,采样时间;双击“TransferFcn”,也可以改变系统的传递函数形式,从而改变系统的频率特性。

3　结　论

通过对现有的自动控制原理实验台的分析与研

究,本文提出了从硬件角度与软件角度改进与开发频率特性实验台的方案。

从硬件方面进行频率特性实验台的改进包括对实验台的分析,实验器件的选择,各实验小模块的电路设计以及整体频率特性实验模块的优化设计。

从软件方面实施频率特性教学实验系统的开发,它基于MATLABGUI,可以实现系统频率特性的分析与演示,通过系统仿真进行频率特性的实验。

这样,可以使实验更方便,灵活,实验结果更精确;将其运用于课堂,则使课堂内容更丰富。

更易于接受。

参考文献

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