駱巖紅　郭婷

摘要：自動(dòng)控制原理是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，為了幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，常常配套了一定課時(shí)的實(shí)驗(yàn)。但是由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境常常局限于實(shí)驗(yàn)臺(tái)，而實(shí)驗(yàn)臺(tái)陳舊不堪，并缺乏一定的靈活性，所以文章根據(jù)需要設(shè)計(jì)了一套基于Matlab GUI和Simulink的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照學(xué)習(xí)內(nèi)容，安排了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并提供了直觀(guān)的圖形操作界面。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、直觀(guān)，便于學(xué)生觀(guān)察和對(duì)知識(shí)的理解和領(lǐng)會(huì)，達(dá)到了教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課外研究的要求。

關(guān)鍵詞：Matlab;自動(dòng)控制原理;GUI;Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）16-0372-02

一、引言

自動(dòng)控制原理是通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中要求開(kāi)設(shè)的一門(mén)課程。該課程的特點(diǎn)是：理論性較強(qiáng)，涉及的公式多、概念抽象，所以在課程講授過(guò)程中，教師應(yīng)幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí)，做到理論聯(lián)系實(shí)際，才能達(dá)到課程最終的學(xué)習(xí)目的。

根據(jù)需要，大綱中設(shè)置了一定課時(shí)的實(shí)驗(yàn)，但是所采用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，常常是配套的實(shí)驗(yàn)臺(tái)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在幾個(gè)問(wèn)題：（1）設(shè)備陳舊，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確;（2）實(shí)驗(yàn)箱上電路基本固定，所安排的大多是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn);（3）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺乏一定的靈活性，很難滿(mǎn)足實(shí)際需求的設(shè)計(jì)。

鑒于此，根據(jù)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，本文基于Matlab的圖形界面GUI功能和Simulink，設(shè)計(jì)了一款“基于Matlab的自動(dòng)控制原理的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)”，它不僅可以完成大綱的實(shí)驗(yàn)要求，而且也可以滿(mǎn)足一定的課程設(shè)計(jì)，為我們拓展思路、拓寬視野帶來(lái)了很大的好處。它所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、直觀(guān)，便于學(xué)生觀(guān)察和對(duì)知識(shí)的理解和領(lǐng)會(huì)。實(shí)驗(yàn)表明，它所設(shè)計(jì)系統(tǒng)較好地滿(mǎn)足了教學(xué)和研究的需求。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)介紹。利用Matlab GUI所開(kāi)發(fā)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，采用熟悉的Windows風(fēng)格，以較直觀(guān)的圖形界面展現(xiàn)出來(lái)。鑒于課程所學(xué)理論知識(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了五個(gè)方面的功能實(shí)驗(yàn)：系統(tǒng)時(shí)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(shí)域性能分析。在該模塊中涉及典型環(huán)節(jié)響應(yīng)、一階系統(tǒng)性能分析、二階系統(tǒng)性能分析。下面針對(duì)二階系統(tǒng)性能分析的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明。該模塊中二階系統(tǒng)使用Simulink完成模擬電路的設(shè)計(jì)，并由系統(tǒng)獲取其重要的兩個(gè)參數(shù)：自然振蕩頻率ω■和阻尼比kosi。根據(jù)典型輸入的選擇，獲取系統(tǒng)相應(yīng)的響應(yīng)曲線(xiàn)，并以此計(jì)算出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。該部分的功能界面如圖1所示。

其中，二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)主要包括：上升時(shí)間T■、峰值時(shí)間T■、響應(yīng)時(shí)間T■、超調(diào)量σ%。由Simulink建立二階系統(tǒng)的模型，通過(guò)示波器觀(guān)察其輸出波形，其結(jié)果與GUI界面波形可進(jìn)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(nèi)應(yīng)用圖解分析法評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的一種方法。該部分具有四個(gè)方面功能：（1）根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)求出系統(tǒng)的頻率特性;（2）根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)繪制系統(tǒng)的奈奎斯特圖和伯德圖;（3）運(yùn)用頻域穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并掌握裕度的含義及計(jì)算方法;（4）學(xué)會(huì)看圖，掌握利用伯德圖低、中、高頻段與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。該部分功能如圖2所示。

4.系統(tǒng)校正性能分析。實(shí)際中常常存在系統(tǒng)性能不能達(dá)到所要求的指標(biāo)的情況，這時(shí)可以通過(guò)增添一些裝置來(lái)校正系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)以串聯(lián)校正為研究對(duì)象。根據(jù)所給的系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù)和校正后的裕度，計(jì)算出開(kāi)環(huán)K值和校正函數(shù)，通過(guò)校正前后響應(yīng)曲線(xiàn)、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(shí)現(xiàn)如圖3所示。

三、總結(jié)

自動(dòng)控制原理是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是幫助學(xué)生理解和掌握理論知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。基于Matlab的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一方面避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生的弊端;另一方面通過(guò)軟件平臺(tái)較靈活地進(jìn)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(guān)地觀(guān)察出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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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(xiàng)目：本文系西北民族大學(xué)2019年專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目“自動(dòng)控制原理模擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)”項(xiàng)目編號(hào)SYSKF-2019037的階段性成果

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