基于matlab的虚拟实验系统的设计——主界面及部分模块的设计毕业论文

基于matlab的虚拟实验系统的设计——主界面及部分模块的设计毕业论文内容摘要：

sHsG ……… . ……… . ……… . ……… .幅值条件 0180)()(  sHsG （ 2l+1） (l=0,1,2 …… .)……… ...相角条件 对于满足幅值条件和相角条件的 S 值，就是给定参数的闭环极点，也即为根轨迹上的点。 对于开环系统中的增益 k，当 k 由 0 变化到无穷大时，在 S 平面上满足幅角条件的点所构成的图形就是根轨迹图。 在根轨迹上的每一点对应于一个闭环极点，每一个闭环极点对应一个参数 k， 并可以利用幅值条件确定该点对应的 k值。 设系统的开环传递函数为： G（ s） H（ s） =k(s+Z1)．．． (s+Zm)/(s+P1)．．． (s+Pn)， 由幅值和相角条件得出： MJ j1 _  Ni i ll1 0 ),2,1()12(180  NiijPs1M1jZsk ＝１ 其中， θ 角 是 S 平面上任一点到闭环零点与正实轴的夹角；  角 是 S 平面上任意点 到闭环零点的夹角。 18 (2) 设计思想及目标 在实际工程中，一个控制系统的被控对 象常常是已知的，其性能指标也是预先给定的，要求设计者选择合适的结构和参数，使控制器与被控对象能组成一个其性能指标能满足要求的系统，这类问题是控制系统的综合问题，而系统综合的目的是在原控制系统中引入合适的附加装置，使原有系统的性能缺点得到校正，从而满足工程要求的性能指标。 而引入的附加装置即为校正装置，所以对控制系统进行串连校正实质上是选择合适的校正装置对系统进行校正，使系统的性能附合设计的性能指标用 根轨迹法对控制 系统进行串连校正，即是根据已选定的串连校正方法，按照一定规律确定出校正装置的参数，进而绘制出校正后 系统的根轨迹图，并估计是否满足设计要求。 如果认为可以满足设计要求，再对系统进行分析检验，如果符合了系统规定的性能指标，则设计结束。 如果不符合，通过调整校正装置参数对系统进行再次校正，直到满足规定的性能指标为止。 或者从给定的性能指标出发，并结合系统的限制条件，应用现代控制理论 得 方法进行系统校正串连校正结构图如图 所示： 图 串连校正结构图 本模块系统的性能指标是以最 大过调量 Mp、 调整时间 Ts 和稳态误差系数 K的形式给出的，用根轨迹法对系统进行串联校正，首先是使瞬态性能指标满足设计 要求，确定出闭环主导极点在 S平面上的位置。 在设计系统时，如果未校正系统的开环增益为某一数值时，瞬态性能符合设计要求，则设计校正装置使系统稳态误差满足设计要求；如果未校正系统的开环增益为任何数值时， 瞬态性能都不能 符合设计要求，则需设计校正装置使系统的瞬态性能满足设计要求并检验系统的稳态性能 ，或先使系统的稳态性能满足设计要求，设计出校正 装置后， 再 检验闭环主导极点是否满足主导条件。 通过串联校正后，最终使系统的瞬态性能和稳态性能都能满足设计要求。 19 (3) 功能介绍及设计步骤 根据根轨迹模块的设计目标设计出如图所示 的总体框图： 图 模块设计总体框图 ① 绘 制根轨迹按钮的实现 在 MATLAB 中，提供了求系统根轨迹的函数 rlocus()，其函数命令调用格式为： rlocus(sys) 、 rlocus(sys,k) 、 [r,k]=rlocus(sys)。 rlocus(sys)函数命令用来绘制 SIOS 的 LIT 对象的根轨迹图。 给定前向通道传递函数 G(s)，反馈通道为 kH(s)的受控对象（其增益 k 取值为 0～∞）。 利用 MATLAB 提供的函数 rlocus()，可以通过系统 的开环传递函数绘制其闭环的根轨迹图。 其基本调用格式为： R=RLOCUS(SYS,K) 其中 SYS 是系统的开环传递函数描述， K 是系统增益向量，也可以缺省并使用 MATLAB 提供的向量； R 是返回的根轨迹数据。 如果不设返回值， MATLAB就自动绘制系统的闭环传递函数的根轨迹。 例如，本模 块 中提供的参数如下： 被控对象 Gp （ s）： num= [1],den= [1 5 4 0], 所以 Gp （ s） = 0451 123  sss 反馈通道 H（ s）： num= [1] ， den= [1]， 所以 H（ s） =1 控制器 Gc （ s） ： num= [1] ， den= [1]， 所以 Gc （ s） =1 点击绘制根轨迹按钮，绘制出如图 所示的根轨迹： 根轨迹分析 绘制根轨迹图 根轨迹法 进行串联校正 求系统传递函数 几何法超前校正 最大法超前校正 滞后校正 解析法超前校正 20 图 系统生产得 根轨迹 ② 根轨迹法对系统进行串联校正的实现： 本模块采用了几何法超前校正、  最大法超前校正、滞后校正以及解析法超前校正对系统进行校正。 其模块框图见图 图 串联校正的模块框图 21 下面我以几何法超前校正对系统的校正为例，具体说明这个校正方法及其实现步骤。 其它三种校正方法与几何法超前校正方法类似，在此就不具体介绍了。 几何法超前校正按钮的模块框图 图 几何超前校正 模块框图 几何法超前校正是根据要求的动态品质指标，确定闭环主导极点 ds 的位置，ds 的位置确定后，计算该点在复平面的相角为 。 再计算使根轨迹通过主导极点ds 所需的补偿角 c ， c =1800 。 作  的角平分线，在角平分线的 两侧作 c /2分别与坐标轴交于两点，右侧为零点，左侧为极点，由此可得出校正装置的零、极点。 相应的几何图形如图 ： 图 几何法超前校正零、极点确定几何图 获得 K 值 绘制校 正前 根轨迹图 绘制校正 后系统根轨迹图 显示校正前后性能指标 性能指标 结 束 显示校正 传递函数 求得校正前系统模型 显示校正前 性能指标 几何法校正 接受校正参数 开 始 22 几何法超前校正的设计步骤及其成果 根据几何法超前校正的模块框图，按照以下步骤： a. 由给定的系统瞬态性能指标确定闭环期望极点 S d 在 S 平面上的位置； b. 计算超前校正装置应提供的相角； c. 设计超前校正装置； d. 计算校正后系统在闭环期望极点 S d 的增益 值，检验系统的稳态误差系数是否满足设计要求； e. 绘制校正后系统的根轨迹图，确定除闭环期望极点外的其他闭环极点的位置，并估算这些闭环极点和零点对系统瞬态性能的影响。 我们对上个模块的进行 几何法超前校正，得出： a. 校正前性 能指标 : ： 最大过 调量 Mp 为 ，调整 时间 Ts 为4s, =,Sd = n =1。 的传递函数 Gc (s)= s+1／ s+4 Gp （ s） Gc （ s） H（ s） =k/s(s+4)(s+4) ： 图 几何法校正后根轨迹图 23 ③ 求系统传递函数 MATALB 提供了许多功能 强大的内部函数可以构建和处理系统的传递函数。 包括多项式求根， 传递 函数的零极点和增益，传递函数部分分式展开等等。 能够非常方便快捷地建立起系统的传递函数模型。 在 MATLAB 环境下对控制系统进行仿真是，用 mun 和 den 来命名，即num=[bm,bm1，．．．， b1， b0] den=[am， am1，．．． a1， a0]，然后用 MATLAB 中提供的 tf2zp()函数 ,来求取 其传递函数 ,零极点和增益 .其基本调用格式如下 :[Z,p,k]=TF2ZP(NUM,den),所以在本求传递函数按钮中调用该函数 ,当我们在输入模块中输入 num= [„„ ], den= [„„ ],点击求传递函 数按钮 ,就可以求出传递函数 , 零极点和增益 （ 4） 根轨迹设计成果 在分别实现根轨迹模块图中的每个按钮的功能后 , 根据模型框架，首先新建一个 GUI（图形用户界面），将模块涉及到的工具箱中的对象控 件拖至主界面，选择的控件在按照统一的格式在界面上布置好，然后运行，得到相应的 M 文件。 定义变量，在模型中，由用户来输入相应的参数，在各个 pushbutton 按钮下添加完成相应功能的代码。 在添加完毕后，运行调试直到成功。 最后得出根轨迹的窗口 : 图 根轨迹分析窗口 24 实验报告生成 模块的设计 (1)设计思想及目标 为了使实验过程中的实验目的与原理、实验步骤、数据、框图以及分析和设计结果等能够在实验模块界面中显示，我们做了实验报告生成这个子系统。 我们的目标是用户就可以根据自己的需要，点击本模块上“实验报告生成”这个按钮，保存 实验过程中的目的与原理、相关数据、分析步骤以及实验结果等内容。 即 当用户做完实验后系统可以自动生成相应形式的实验报告， 然后可以直接打印出实验报告。 (2)实验报告框图 在根轨迹实验中 ,我们将实验报告分成三页显示，在 根轨迹的 主界面上，通过点击 “ 实验报告生成 ” 按钮，得到 三个下拉菜单：（ 1）实验 原理与目的 ，（ 2）实验 步骤 ,（ 3） 实验结果 ,实验报告框图如图 所示： 图 实验报告框图 其中实验目的与原理包括实验目的，内容以及思考题；实验步骤则阐述了根轨迹图的绘制、根轨迹设计校正装置的四种不同方法以及校正前后系统零、极点和开、闭环传递函数的求法；实验结果则描绘了校正前系统的特性，主要以根根轨迹界面 实验报告生成 实验原理和目的 实验结果 实验 步骤 校正后特性 校正前特性 几何校正 滞后校正 解析法超前校正 最大法超前校正 25 轨迹图的形式显示出来；校正后系统的特性是按照四种不同方法 的校正，分别对校正后实验结果以根轨迹图的形式显示出来。 实验报告生成完成以后，由系统原先给定的参数及特性，再根据实验过程中的四种不同的校正方法，用户可以根据自己的需要，通过点击“实验报告生成”这个按钮，随心所欲地显示校正前后系统的特性，如根轨迹图以及传递函数等。 用户也可以改变实验系统中的参数，动态地在“实验报告生成”这个按钮下显示校正前后系统的特性。 (3)实验报告的生成 用户界面上建立 一个 FIGURE 文件， 并生成 M 文件，再将自己在实验过程中用到的实验目的与原理、参数，分析的过程以及设计结果等导入 到实验报告中 ，最后编译 M 文件程序后 ，完成整个子系统的实验 的调用。 在主函数（主界面）中对生成实验报告各函数的调用相类似，下面是调用函数 chaoqianfa()即：用超前校正法生成实验报告时主函数中的主要代码： function Untitled_21_Callback(hObject, eventdata, handles) global nump denp numh denh l14 l27 l24 l26 figure(chaoqianfa) ① 实验目的和实验原理的生成 利 用 MATLAB 软件的 GUI 界面编程，生成一个 m 文件，再将该实验的目的、内容和相关的原理写入 m 文件。 这样在运行主程序的时候，该 m 文件会被自动调用，弹出“实验目的与原理”界面，见图 ： 图 ‘“ 实验 原理 与 目的”界面 26 ② 实 验步骤的生成 利用 MATLAB 软件的 GUI 界面编程，生成一个 m 文件，再将实验的详细步骤写入 m 文件。 这样在运行主程序的时候，该 m 文件会被自动调用，弹出“实验步骤”界面，运用 GUI 界面编程，结果如图。 “实验步骤”界面 ③ 实验结果显示 同样利用 GUI 界面生 成 m 文件和 fig 文件。 然后将用户在实验过程中涉及到的校正前后相关参数、公式设置成全局变量，然后将其导入该 m 文件。 根据用户进行的不同系统分析，在主界面中调用相应的 fig 文件，显示不同的实验分析结果。 包括校正前系统的 根轨迹和系统的性能指标 ，以及在选用校正方法校正后系统的相应的校正环节传递函数、校正后根轨迹和系统的性能指标。 我们从四种校正方法中选取一中来说明 ,就选最大法超前校正。 校正前系统根轨迹和性能指标见图 ，选用最大法超前校正对系统进行校正，校正后的根轨迹和系统性能指标见图。 27 图 校正前实验结果。