信号发生器的时域分析及球杆定位控制实验.docx

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信号发生器的时域分析及球杆定位控制实验

工程控制综合实验

部分一：

测试部分-----------------------2

部分二：

控制部分-----------------------22

综合实验总结---------------------------37

小组成员：

分工情况：

实验过程：

报告部分：

实验最终总结：

页面排版及目录：

部分一：

信号发生器的时域分析

一、时域分析的概念

时域分析是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。

　　由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。

　　系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。

　　在初值为零时，一般都利用传递函数进行研究，用传递函数间接的评价系统的性能指标。

　　具体是根据闭环系统传递函数的极点和零点来分析系统的性能。

此时也称为复频域分析。

二、什么是Simulink？

Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包.它让用户把精力从编程转向模型的构造.Simulink一个很大的优点是为用户省去了许多重复的代码编写工作.

Simulink的启动。

首先须确定MATLAB已安装了Simulink工具箱.在工具栏点击Simulink图标:

或在CommandWindow中输入

>>Simulink

即出现SimulinkLibraryBrowser窗口:

Simulink从中可看到Simulink基本模块库及其子库,如Continuous,Discrete,…,Sinks,Sources等等.子库Sources（信源）中存放了各种信号源,如Clock（输出时间t）,Constant（输出常数）,SineWave（输出正弦波）,Step（输出阶梯波）等等.

子库Sinks（信宿）中存放对数据的处理装置,如Display（显示数据）,Scope（示波器）,XYGraph（用图形显示两变量的函数关系）,ToFile（存储到文件）,ToWorkspace（存储到Workspace）,StopSimulation（停止模拟）等等.

子库Continuous和Discrete分别存放连续离散的函数,如连续函数有Derivative（求导）,Integrator（积分器）,State-Space（状态空间）,TransferFcn（传递函数）等等,离散的DiscreteTransferFcn（离散传递函数）,DiscreteFilter（离散滤波器）,DiscreteState-Space（离散状态空间）等等.在SimulinkLibraryBrowser窗口中,建立一个新模型（newmodel）,即打开一个新的空白模型窗口,用鼠标左键点取所需要的模块拖到模型窗口中,用鼠标左键在模块间建立连接线（若在已有连接线上分叉则用右键）即可。

三、数据采集程序设计

S-Function

概念：

S-Function（Systemfunction）是simulink模块的计算机语言描述。

可以用M、C/C++、Ada、Fortan语言以MEX（可执行文件，再windows系统中就是其为dll文件）的形式编写。

S-Function以特殊的方式与simulink方程求解互交。

这种互交和simulink内建模块的做法非常相似。

S-Function模块可以是连续、离散或者混合系统。

通过S-Function，用户可以将自己的模块加入simulink模型中。

从而可以实现用户定义的算法或者与硬件设备交互等。

S-Function的工作机制

m文件s-function可用的子函数说明如下：

mdlInitializeSizes：

定义s-function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。

mdlDerivatives：

计算连续状态变量的微分方程。

mdlUpdate：

更新离散状态、采样时间和主时间步的要求。

mdlOutputs：

计算s-function的输出。

mdlGetTimeOfNextVarHit：

计算下一个采样点的绝对时间，这个方法仅仅是在用户在mdlInitializeSizes里说明了一个可变的离散采样时间。

mdlTerminate：

实现仿真任务必须的结束。

概括说来，建立s-function可以分成两个分离的任务：

初始化模块特性包括输入输出信号的宽度，离散连续状态的初始条件和采样时间。

将算法放到合适的s-function子函数中去。

为了让Simulink识别出一个m文件s-function，用户必须在s-函数里提供有关s-函数的说明信息，包括采样时间、连续或者离散状态个数等初始条件。

这一部分主要是在mdlInitializeSizes子函数里完成。

Sizes数组是s-function函数信息的载体，它内部的字段意义为：

NumContStates：

连续状态的个数（状态向量连续部分的宽度）

NumDiscStates：

离散状态的个数（状态向量离散部分的宽度）

NumOutputs：

输出变量的个数（输出向量的宽度）

NumInputs：

输入变量的个数（输入向量的宽度）

DirFeedthrough：

有无直接馈入

NumSampleTimes：

采样时间的个数

S-function默认的4个输入参数为t、x、u和flag，它们的次序不能变动，代表的意义分别为：

t：

代表当前的仿真时间，这个输入参数通常用于决定下一个采样时刻，或者在多采样速率系统中，用来区分不同的采样时刻点，并据此进行不同的处理。

x：

表示状态向量，这个参数是必须的，甚至在系统中不存在状态时也是如此。

它具有很灵活的运用。

u：

表示输入向量。

flag：

是一个控制在每一个仿真阶段调用哪一个子函数的参数，由Simulink在调用时自动取值。

S-function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，它们的次序不能变动，代表的意义分别为：

sys：

是一个通用的返回参数，它所返回值的意义取决于flag的值。

x0：

是初始的状态值（没有状态时是一个空矩阵[]），这个返回参数只在flag值为0时才有效，其他时候都会被忽略。

str：

这个参数没有什么意义，是MathWorks公司为将来的应用保留的，m文件s-function必须把它设为空矩阵。

ts：

是一个m×2的矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。

利用S-Function模版创建dll

1、新建一个文件夹——设置工作目录

2、打开matlab

3、生成S-function源文件

#defineS_FUNCTION_NAMElxy

4、生成动态链接库

5、在simulink窗口下，新建一个mdl文件，向其中添加一个S-function模块，双击模块将其中的S-function的name改为dll文件的名字。

6、添加常数项和toworkspace项

输入输出设置及采集编程

Lxy.cpp文件重要解释：

#defineS_FUNCTION_NAMElxy

#defineS_FUNCTION_LEVEL2

%将S_FUNCTION的名字和FUNCTION名字改为一致，这样生成一个基本的S_FUNCTIO的文件。

#include"simstruc.h"

#include"abc.h"

doublebuffer[5000];

doublebuffer1[5000];

intpnum;

charch[8];

%定义全局变量：

建立两个通道的数据缓存buffer，读取指数指针数和8通道2进制表示值

if（!

ssSetNumInputPorts（S,3））return;

ssSetInputPortWidth（S,0,1）;

ssSetInputPortRequiredContiguous（S,0,true）;

ssSetInputPortWidth（S,1,1）;

ssSetInputPortRequiredContiguous（S,1,true）;

ssSetInputPortWidth（S,2,1）;

ssSetInputPortRequiredContiguous（S,2,true）;ssSetInputPortDirectFeedThrough（S,0,1）;

ssSetInputPortDirectFeedThrough（S,1,1）;

ssSetInputPortDirectFeedThrough（S,2,1）;

%设置3个输入通道，函数解释

VoidssSetNumInputPorts（）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s），第二个参数为设置有几个输入通道

VoidssSetInputPortWidth（）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s），第二个为接口的编号（从0开始，有几个端口就到几，比如3个输入端口就只能用0、1、2），第三个参数是第二个所指定的借口的宽度

VoidssSetInputPortDirectFeedThrough（）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s）第二个参数是借口的编号，第三个参数是用于指定借口的输入数据是否能在mdlOutputs或者mdlgettimeofnextvarhit中调用，0不是不能调用，1不是能调用，1表示能调用。

若两个输出的调整可按输入的调整方式进行

if（!

ssSetNumOutputPorts（S,1））return;

ssSetOutputPortWidth（S,0,1）;

ssSetNumSampleTimes（S,1）;

ssSetNumRWork（S,0）;

ssSetNumIWork（S,0）;

ssSetNumPWork（S,0）;

ssSetNumModes（S,0）;

ssSetNumNonsampledZCs（S,0）;

%设置一个输出端口，函数说明

VoidssSetNumOutputPorts（S,1）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s），第二个参数设置输出端口数。

doubleFs=u[0];//采样频率

if（ADCardInit（）!

=1）//采集卡初始化

{

ssSetErrorStatus（S,"Can'tfindtheDAQCard!

"）;

}

DAQ1（0x10,Fs,1024*4,buffer）;//开启采集Fs=5000

pnum=0;//初始化buf指针位置

}

函数解释：

ADCardInit（）是采集卡dll函数，作用是初始化采集卡，作用是初始化采集卡。

如果初始化成功则返回1，用于判断是否连上采集卡。

DAQ1（）函数为采集卡dll单通道采样函数，作用是采集卡进行单通道数据采集。

参数1为采样通道，是以8为2进制数表示各个通道是否打开。

我们选择的是通道5对应关系为0*10.

staticvoidmdlOutputs（SimStruct*S,int_Ttid）

{

intLength=1024*4;//读取的buffer长度

ReadDaq（5,Length,buffer）;//从采集卡读取buffer

real_T*y=ssGetOutputPortRealSignal（S,0）;//获取输出指针

if（pnum>=Length）pnum=0;//判断指针是否已满

*y=buffer[pnum];//输出第pnum个点的值

pnum++;//指针加1

}

%函数ReadDaq（）作用事故读取下位机buf里的采样数据

参数1为通道号，分别为1~8

参数2为buffer长度；

参数3为保存的buffer指针。

GUI设计实验内容：

两个m文件

1、UI.m%负责设计界面的m文件

clfreset

set（gcf,'menubar','none'）

set（gcf,'unit','normalized','position',[0.2,0.2,0.5,0.35]）;

set（gcf,'defaultuicontrolunits','normalized'）;%设置用户缺省控件单位属性值

h_axes1=axes（'position',[0.05,0.2,0.6,0.6]）;

hpush1=uicontrol（gcf,'Style','push',...%制作“采集”按钮

'position',[0.8,0.25,0.18,0.15],'string','采集'）;

hpush2=uicontrol（gcf,'Style','push',...%制作“停止”按钮

'position',[0.8,0.05,0.18,0.15],'string','停止'）;

max_data=uicontrol（gcf,'Style','text',...

'position',[0.8,0.9,0.1,0.05],'string',maxa）;%设置最大值数值的位置