通用常規(guī)根軌跡動態(tài)繪制系統(tǒng)的設計

呂麗君，賈蘭芳，蘇曉慧

（長治學院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

通用常規(guī)根軌跡動態(tài)繪制系統(tǒng)的設計

呂麗君，賈蘭芳，蘇曉慧

（長治學院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

根軌跡法是自動控制原理課程中的一種重要分析方法。對于高階系統(tǒng)，課堂上難以根據繪制法則繪制精確的根軌跡圖形。利用matlab界面編程技術實現(xiàn)了各階系統(tǒng)根軌跡的動態(tài)繪制，有助于學生對根軌跡概念的理解。最后給出二階系統(tǒng)和三階系統(tǒng)的根軌跡圖形，驗證了系統(tǒng)結果的正確性。

自動控制；根軌跡；matlab；動態(tài)繪圖

根軌跡法作為經典控制理論中分析線性定常系統(tǒng)常用的三種基本方法之一[1]，具有簡便、物理概念清晰的特點。得到閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖形后，不僅可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，從而為改善系統(tǒng)提供依據[2]。在自動控制原理課程的傳統(tǒng)教學中，常依據繪制法則來繪制根軌跡。利用該方法可以快速得到根軌跡的大致形狀，但不精確，而且也不夠直觀，容易挫傷學生的學習興趣。近年來，國內許多高校[3～7]在課堂上直接調用Matlab rlocus函數實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡的靜態(tài)展示，收到了較好的效果。在此基礎上，通過編寫程序實現(xiàn)了根軌跡的動態(tài)繪制，相比于直接調用rlocus函數，動態(tài)繪制可以實現(xiàn)繪制過程暫停和繼續(xù)，更加有助于學生對根軌跡概念的理解和運用。

1 根軌跡及繪制規(guī)則

根據經典控制理論中的時域分析法，閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能與其特征方程的根在復平面（s平面）上所處的位置有關。但通常求解高階系統(tǒng)特征方程的根十分困難，從而限制了該方法在高階系統(tǒng)中的應用。此時，運用根軌跡法，可以方便確定s平面上閉環(huán)極點隨著開環(huán)增益變化的運動軌跡。進而可以分析對應于開環(huán)增益取某一個值時，閉環(huán)系統(tǒng)的性能。

常規(guī)根軌跡是根軌跡的一種，即當系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數的開環(huán)增益（k）由零到無窮大變化時閉環(huán)特征根在s平面上移動所畫出的軌跡[2]。

假定單位負反饋二階控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 單位負反饋二階控制系統(tǒng)框圖

將特征根隨k（0→∞）變化而變化的過程全部繪制在s平面上，就得到系統(tǒng)的常規(guī)根軌跡，如圖2所示。

對于高階系統(tǒng)，其特征方程是高階方程，通常難以直接通過解析法得到閉環(huán)系統(tǒng)的特征根。此時可以根據繪制規(guī)則，得到根軌跡圖形。根軌跡的繪制法則主要包含：根軌跡的起點和終點、根軌跡的分支數、根軌跡的對稱性、根軌跡的漸近線、實軸上的根軌跡、分離點和分離角、起始角和終止角、與虛軸交點、根的和等方面[8,9]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 軟件總體功能設計

系統(tǒng)功能如圖3所示，主要包含三個界面，分別是根軌跡顯示界面、參數輸入界面、幫助界面。其中根軌跡顯示界面可以實現(xiàn)根軌跡的顯示、動態(tài)繪制過程暫停、繼續(xù)以及清空繪圖區(qū)域等功能；參數輸入界面用來讀取開環(huán)傳遞函數的系數；幫助界面主要用來提示用戶輸入系數的格式和需要注意的問題。

2.2 各界面布局

2.2.1 根軌跡顯示界面

根軌跡繪制界面如圖4（a）所示，有繪圖區(qū)域和繪制、暫停、繼續(xù)、清除、關閉按鈕。其中，繪圖區(qū)域用來顯示系統(tǒng)的根軌跡，點擊繪制按鈕，彈出參數輸入對話框。繪圖過程中可以通過點擊暫停和繼續(xù)

按鈕實現(xiàn)動態(tài)繪圖的暫停和繼續(xù)。清除按鈕可以清空繪圖區(qū)域，為再次繪圖做準備。關閉按鈕實現(xiàn)軟件的關閉。

圖3 通用常規(guī)根軌跡動態(tài)繪制系統(tǒng)功能結構圖

圖4 通用常規(guī)根軌跡動態(tài)繪制系統(tǒng)各界面圖

2.2.2 參數輸入界面

參數輸入界面如圖4（b）所示，用戶可在兩個可編輯文本框中輸入開環(huán)傳遞函數的系數，默認參數為，分子系數[2 5 1]，分母系數[1 2 3]。點擊確定，即開始繪圖。如果用戶不清楚輸入格式，可以點擊幫助按鈕彈出幫助提示框。

2.2.3 幫助界面

幫助界面如圖4（c）所示，主要用來提示用戶輸入系數的格式和需要注意的問題。點擊，我知道了按鈕，該窗口關閉。

2.3 主要程序段

程序中使用自定義函數draw_gen(num,den)實現(xiàn)根軌跡的動態(tài)繪制，其基本流程為：將用戶輸入兩個可編輯文本框的參數分別賦值給num變量和den變量，利用tf函數將其生成傳遞函數。調用matlab內部rlocus函數繪制根軌跡，以便獲取根軌跡數據和坐標軸范圍。將獲取的數據使用for循環(huán)中的plot命令依次繪制各數據點，結合暫停（pause）命令，實現(xiàn)動態(tài)繪制。自定義函數draw_gen(num, den)程序如下：

3 結果分析

3.1 二階系統(tǒng)

圖5 二階系統(tǒng)根軌跡動態(tài)繪制過程

3.2 三階系統(tǒng)

圖6 三階系統(tǒng)根軌跡圖形

4 結論

該系統(tǒng)操作簡便，學只需在文本框中輸入參數即可實現(xiàn)各階控制系統(tǒng)根軌跡的動態(tài)繪制，而不需要面對繁雜的程序段。有助于提升學生學習自動控制原理課程的興趣，同時也能使學生認識到學習matlab語言的重要性。另外，通過對比其他文獻的例子，證明了該系統(tǒng)繪圖結果的正確性。

［1］［8］張晉格.自動控制原理（第2版）［M］.哈爾濱工業(yè)大學出版社,2007.

［2］［9］孟慶明.自動控制原理（非自動化類）（第二版）［M］.高等教育出版社,2008.

［3］［10］畢效輝,陳少昌,姚瓊薈.對Matlab根軌跡繪制法的一種補充［J］.海軍工程大學學報,2006, (01):47-50+62.

［4］楊艷麗,郭一鋒,張國良,王蜂.MATLAB仿真在自動控制理論教學中的應用［J］.教育教學論壇, 2016,(21):266-267.

［5］張琦.根軌跡圖繪制方法對比分析［J］.機電技術, 2012,(05):22-23.

［6］張春慧,宗哲英,王蒙,任寶鵬.基于MATLAB GUI的自動控制原理虛擬實驗平臺的開發(fā)與研究［J］.內蒙古農業(yè)大學學報(自然科學版),2015, (03):101-105.

［7］王彥良.基于MATLAB繪制各種根軌跡的圖形用戶接口設計［J］.教育教學論壇,2010,(20): 100-101.

Design of the General Root Locus Rynamic Rendering System

Lv Li-jun，Jia Lan-fang，Su Xiao-hui
（Department of Electronic Information and Physics,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

The root locus method is a kind of important analysis method in the course of automatic control principle.For high order system,it is difficult to draw precise root locus figure according to the mapping rule.In this paper,matlab GUI technology hasbeen used to achieve the root locus’dynamic drawing.This is beneficial to the students’understanding of the root locus’concept.Finally,the root locus of second order and third order system are given,which verifies the correctness of the system results.

autocontrol;root locus;matlab;animation

TB114.2

A

1673-2014（2017）05-0038-04

2017年山西省高等學校教學改革創(chuàng)新項目（J2017119）

2017—04—19

呂麗君（1988— ），男，山西屯留人，碩士，主要從事數據可視化研究。

（責任編輯 郝瑞宇）