基于Matlab的自動控制原理仿真實驗平臺的設計與實現(xiàn)

駱巖紅　郭婷

摘要：自動控制原理是一門理論性較強的課程，為了幫助學生掌握學習內容，常常配套了一定課時的實驗。但是由于現(xiàn)有的實驗環(huán)境常常局限于實驗臺，而實驗臺陳舊不堪，并缺乏一定的靈活性，所以文章根據需要設計了一套基于Matlab GUI和Simulink的自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照學習內容，安排了相應的實驗，并提供了直觀的圖形操作界面。結果表明，所設計的系統(tǒng)操作簡單、直觀，便于學生觀察和對知識的理解和領會，達到了教學、實驗和課外研究的要求。

關鍵詞：Matlab;自動控制原理;GUI;Simulink

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0372-02

一、引言

自動控制原理是通信工程、物聯(lián)網工程專業(yè)培養(yǎng)方案中要求開設的一門課程。該課程的特點是：理論性較強，涉及的公式多、概念抽象，所以在課程講授過程中，教師應幫助學生更好地理解和掌握知識，做到理論聯(lián)系實際，才能達到課程最終的學習目的。

根據需要，大綱中設置了一定課時的實驗，但是所采用的實驗環(huán)境，常常是配套的實驗臺。現(xiàn)有的實驗平臺存在幾個問題：（1）設備陳舊，使得實驗結果存在一定的誤差，導致實驗結果不準確;（2）實驗箱上電路基本固定，所安排的大多是驗證性的實驗;（3）傳統(tǒng)實驗缺乏一定的靈活性，很難滿足實際需求的設計。

鑒于此，根據教學的經驗，本文基于Matlab的圖形界面GUI功能和Simulink，設計了一款“基于Matlab的自動控制原理的仿真實驗平臺系統(tǒng)”，它不僅可以完成大綱的實驗要求，而且也可以滿足一定的課程設計，為我們拓展思路、拓寬視野帶來了很大的好處。它所設計的系統(tǒng)操作過程簡單、直觀，便于學生觀察和對知識的理解和領會。實驗表明，它所設計系統(tǒng)較好地滿足了教學和研究的需求。

二、系統(tǒng)總體設計

1.系統(tǒng)功能結構介紹。利用Matlab GUI所開發(fā)的自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)，采用熟悉的Windows風格，以較直觀的圖形界面展現(xiàn)出來。鑒于課程所學理論知識，系統(tǒng)設置了五個方面的功能實驗：系統(tǒng)時域性能分析、系統(tǒng)根軌跡繪制、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻域性能分析、串聯(lián)系統(tǒng)校正方法分析。

2.系統(tǒng)時域性能分析。在該模塊中涉及典型環(huán)節(jié)響應、一階系統(tǒng)性能分析、二階系統(tǒng)性能分析。下面針對二階系統(tǒng)性能分析的實現(xiàn)進行說明。該模塊中二階系統(tǒng)使用Simulink完成模擬電路的設計，并由系統(tǒng)獲取其重要的兩個參數(shù)：自然振蕩頻率ω■和阻尼比kosi。根據典型輸入的選擇，獲取系統(tǒng)相應的響應曲線，并以此計算出系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。該部分的功能界面如圖1所示。

其中，二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標主要包括：上升時間T■、峰值時間T■、響應時間T■、超調量σ%。由Simulink建立二階系統(tǒng)的模型，通過示波器觀察其輸出波形，其結果與GUI界面波形可進行比較。

3.系統(tǒng)頻域性能分析。頻域分析法是在頻域范圍內應用圖解分析法評價系統(tǒng)性能的一種方法。該部分具有四個方面功能：（1）根據開環(huán)傳遞函數(shù)求出系統(tǒng)的頻率特性;（2）根據開環(huán)傳遞函數(shù)繪制系統(tǒng)的奈奎斯特圖和伯德圖;（3）運用頻域穩(wěn)定判據判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并掌握裕度的含義及計算方法;（4）學會看圖，掌握利用伯德圖低、中、高頻段與系統(tǒng)性能之間的關系。該部分功能如圖2所示。

4.系統(tǒng)校正性能分析。實際中常常存在系統(tǒng)性能不能達到所要求的指標的情況，這時可以通過增添一些裝置來校正系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)以串聯(lián)校正為研究對象。根據所給的系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù)和校正后的裕度，計算出開環(huán)K值和校正函數(shù)，通過校正前后響應曲線、根軌跡、伯德圖和奈奎斯特圖的變化，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度、快速性和抗干擾能力等方面，分析系統(tǒng)校正后的效果。部分功能實現(xiàn)如圖3所示。

三、總結

自動控制原理是一門理論性較強的課程，實驗教學的目的是幫助學生理解和掌握理論知識，同時也培養(yǎng)學生的動手能力。基于Matlab的仿真實驗平臺，一方面避免了傳統(tǒng)實驗環(huán)境產生的弊端;另一方面通過軟件平臺較靈活地進行系統(tǒng)的模擬電路的搭建和系統(tǒng)性能的分析，而且較直觀地觀察出實驗結果，為培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力打下了扎實的基礎。

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Designing and Development of Simulation Experiment Platform for Automatic Control Principle Based on Matlab

LUO Yan-hong，GUO Ting

（Electrical Engineering College of? Northwest University for Nationalities，Lanzhou，Gansu 730030，china）

Abstract：The principle of automatic control is a strong theoretical course.In order to help students further understand the course learning，some lessons of the experimentoften arearranged.Because of existing experimental environment usually confined to the test bench，the test bench often outdated，andfixed circuit being lack of flexibility，this articleintroduces and designsa set of the experiment simulationsystembased on Matlab GUI programming and Simulink，which it arranges experiments based on the course content and provides an intuitive graphical user interface.The results show that the designed system operation process is simple and intuitive，and it can effectively improve the student's ability to understand knowledge and stimulate students' learning interest.The system satisfies the requirements of teaching and researching.

Key words：Matlab;the principle of automatic control;GUI;Simulink

收稿日期：2019-09-27

基金項目：本文系西北民族大學2019年專業(yè)綜合改革試點項目“自動控制原理模擬仿真實驗系統(tǒng)的研究與設計”項目編號SYSKF-2019037的階段性成果

作者簡介：駱巖紅（1973-），女，副教授，碩士，主要從事計算機圖像處理研究;郭婷，女，本科生。