维普资讯 http://www.cqvip.com 中国观代赫装备 ２００８年第７期（总第６５期） 《自动控制原理 仿真实验平台的开发 解茜草 仵杰 西安石油大学 陕西西安 ７１００６５ 摘要：实验教学是自动控制原理课程教学中的重要环节，本文从传统实验入手，简要介绍了开发仿真实验平台的必要性， 详细介绍了仿真实验平台的结构及功能。通过仿真实验，学生能够加深对自动控制原理课程的理解和掌握。 关键词：仿真实验平台自动控制原理 《自动控制原理》课程是目前高校中自动化、测控 文献［３］中都对ＭＡＴＬＡＢ软件在课程实验中的应用做了介 绍，本文中根据我校《自动控制原理》课程及实验的要 求和实验的条件，利用ＭＡＴＬＡＢ中的具有可视化编程能 力的图形用户界面编程工具、Ｓ ＩＭＵＬＩＮＫ仿真功能和控 制系统工具箱中丰富的库函数等，开发了“自动控制原 理”仿真实验平台。 该平台充分考虑了本课程的特点，基本上覆盖了所 要求的实验内容，用户界面良好，具有一定的交互功能 和仿真运行功能。通过人机对话，用户可以设置系统的 及电子类专业都要开设的专业基础课，通过本课程的学 习，学生可以建立控制系统及控制理论的基本概念，能 够对自动控制系统进行基本的分析和设计，为以后从事 科研和教学奠定基础。该课程理论性强，有大量的计算 和绘图Ｅ１］，需要结合实验加深对理论知识的理解，因此 实验教学在该课程教学中占有十分重要的作用，而当前 很多高校该课程的实验教学仍处于传统模拟实验阶段， 实验时首先把系统分解成典型环节，利用实验箱，将相应 的有源Ｒ Ｃ网络模块连接，最后通过示波器观察实验结 果。 模型，根据要求该软件可进行图形分析和系统性能指标 分析。该实验仿真平台作为课后实验和验证的虚拟仿真 环境，可以辅助教学，用于课堂演示，与电子线路模拟 实验互相补充，有效地提高了该课程的教学质量。 一这样的实验方式存在一些弊端： １．实验设备高度集成学生在开始进行实验的时候， 只是依据给定的电路来连接：对于控制系统的参数，只是 盲目调节电位器值和电容值，更不知调整的参数对应系 、《自动控制原理》实验仿真平台 统的哪些具体参数，不能对课堂学习的内容加深理解。 ２．实验设备可扩展性差可改变参数有限，使得综 合性实验难以开展。 ３．实验分组过大学生参与性差，自动控制原理实 １．仿真实验平台的设计原则 仿真实验平台整体设计采用Ｗｉｎｄｏｗｓ风格、面向对 象的软件开发技术。为了操作简单易懂，使软件具有可 扩展性，平台的设计过程中遵循了以下原则： （１）简单性和一致性设计中保证用户界面使用简 单，易于掌握，界面元素保持一致性，这样学生可以很 验学时有限，要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容，是 很困难的。 ４．自动控制原理课程中有大量繁琐的计算与曲线 快的掌握实验操作。 （２）灵活性和可靠性用户能够根据需要进行扩展 绘制任务，实验室里应用示波器，如频率特性等实验效果 不好。 目前高校仿真实验的开发日益增多，如文献［２］和 和补充课件的内容，保证用户能够正确、可靠地使用并 保证有关程序和数据的安全性。 ２．《自动控制原理》仿真实验平台的内容 根据《自动控制原理》课程的内容及特点，结合本 收稿日期：２００８－０３－１２ 人在该课程授课过程中的经验，如图１所示，本实验平 作者简介：解茜草，讲师。仵杰，教授。 台所包括的实验分为五大实验模块。 ＾ ６８’ ｛ 《 Ｉ ： ｚ ＥＥ‘ 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００８年第７期（总第６５期） 中困现代欺甫装备 实验系统的五个实验模块，可以通过两种方式来进 入各个实验窗口：单击主界面上相应的按钮和通过菜单 栏相应的命令，我们将重点介绍其中的两个实验。 ２．线性系统的时域分析实验 线性系统的时域分析实验过程如下：建立系统的数 学模型后，给定系统输入，分析系统响应曲线从而了解 系统的稳定性、动态特性及稳态特性，具有直观、物理 概念清晰、比较准确以及能提供系统时间响应的全部信 息的特点。 以二阶系统的单位阶跃响应为例，典型二阶系统的 传递函数为 图１ 《自动控制原理》实验系统 中（ ） ２ ， 二、实验平台的设计 ｆ， ＝ 图形用户界面（Ｇｒａｐｈｉ ｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，简 称为６ＵＩ）是用户与计算机进行信息交流的窗口，本文中 利用ＧＵＩＤＥ创建图形用户界面。在算法上， 充分利用 ＭＡＴＬＡＢ控制系统工具箱［ ［５ ３，调用各种控制系统的Ｍ函 数，配合编制的用户界面，用户可以通过某种方式来选 择或者激活用户界面上的菜单、对话框以及控件等图形 １ 为固有频率， 为阻尼比 －－１时，系统的输出为 ｆ， ，即 ｍ ２ ｙ（ ）＝ （ ） （ ） 考 进行拉氏反变换就可以得到系统输出随时间变化的 表达式Ｙｆ， ，当阻尼比 取不同的值时，输出Ｙｆ， ／）不 同，系统的特性也不同，可以分为无阻尼、欠阻尼、临 界阻尼及过阻尼。 对象来运行一些特定的Ｍ文件，方便地对实现各个实 验，得到期望的实验结果和图形。 软件设计上主要包括界面的创建、数学模型的输 入、实验结果的实时显示等。根据实验内容安排，将实 验分为若干小部分，使得整个软件的层次分明、界面友 好。 根据上述分析，所设计的实验平台要求能实现下面 两个功能： （１）可以随时改变 值，得到对应的Ｙｆ， ／）曲线并显 示，所完成的实验操作界面如图３所示，可以在界面上 输入阻尼比 的值，如图３中给定 ＝０．５，要求绘出系统 在欠阻尼情况时的阶跃响应曲线。按下窗体上的“绘 图”按钮，然后按下“确定”按钮，系统的阶跃响应曲 线就会显示在窗口中的坐标系上。 １．仿真实验平台的主界面 利用ＭＡＴＬＡＢ６．５版中的图形用户界面设计向导编辑 器ＧＵＩＤＥ完全进行可视化编程，即可完成实验操作主界 面的创建。在图形的设计过程中，ＧＵＩＤＥ提供了下面一 些工具：菜单编辑器、对象浏览器、属性编辑器、控件 布置编辑器、网格标尺设置编辑器和ＧＵＩＤＥ应用属性设 置编辑器等。用户将它提供的工具与编程经验结合起 来，可以方便地创建友好的图形用户界面。 实验仿真平台的主界面如图２所示。 图３二阶系统的阶跃响应实验界面 按下窗口中的“ｇｒｉｄ Ｏｉｌ”按钮可以在坐标轴上添 加网格，按下“ｇｒｉｄ ｏｆｆ”按钮，取消网格显示。实 验完成后按下“退出”按钮，关闭该窗口，返回主菜 单，再次选择要完成的实验。 （２）可以将几组不同阻尼比 时的输出曲线显示于 一个坐标系下，这样学生可以很方便的比较不同阻尼值 在输入阻尼比 值时输入多个 值，即阻尼比数 时系统的阶跃响应特性有什么变化。 图２ 《自动控制原理》实验仿真平台主界面 ｌ ： 绍 ， ＠２６Ｊ． ６９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 中围现代款唷装备 组，就将不同阻尼比对应的一组阶跃响应曲线显示于一 个坐标系上，便于比较分析，如图４，在输入阻尼比 的窗口中输入一组阻尼比 值：０，０．５，１．０，２．０，则 将系统分别在四个阻尼比 时对应的单位阶跃响应曲线 绘制于一个坐标系内，四条响应曲线分别代表无阻尼、 欠阻尼、临界阻尼及过阻尼的情况，学生可以很清楚地 了解到四种情况时的系统输出情况。 ２００８年第７期（总第６５期） 图６线性系统的Ｂ ０ ｄ ｅ图实验操作界面 图７线性系统的Ｎ Ｙ ｑ ｕ ｉ ｓ ｔ实验操作界面 图４一组阶跃响应曲线 ３．线性系统的根轨迹实验 线性系统的根轨迹实验过程如下：建立系统的开环 传递函数数学模型，绘出系统的根轨迹图，了解系统某 个参数变化时闭环极点的变化过程，从而分析系统的性 能。 给定系统的开环传递函数为Ｇ（ ）： Ｓ十ｊＳ十斗 ，系 统有两个开环极点，两个开环零点，根据根轨迹的绘制 法则，系统有两条根轨迹分支。 图８离散系统的脉冲响应实验操作界面 所完成的实验操作界面如图５所示，首先在界面上 “输入分子系数”和“输入分母系数”窗口内输入建立 三、结论 《自动控制原理》实验仿真平台的开发对学生学好 系统的开环传递函数数学模型，按下“加载示例”按钮 及“确定”按钮，就可以在窗口上的坐标系内绘出系统 的根轨迹图，两条根轨迹分支以不同的颜色显示。同样 可以根据需要选择给根轨迹图加上网格显示或者去掉网 格显示。 该课程具有很好的辅助作用。与硬件实验相比，该实验 平台不仅具有显示的直观性、实时性与逼真性，而且操 作灵活，节省了大量的人力、物力和时间，提高了教学 效率。该实验仿真平台通过在我校《自动控制原理》课 程教学过程中使用，效果良好。 参考文献 ［１】胡寿松．自动控制原理（第５版）［Ｍ］．北京：科学出版 社，２００７ ［２］李文磊，柳士荣．ＭＡＴＬＡＢ在自动控制原理实验中的应 用［Ｊ］．实验技术与管理，２Ｏ０６，２ ［３］袁晓梅Ｍａｔ ｌａｂ环境下《信号与系统 虚拟实验的开 发［Ｊ］．高等职业教育天津职业学报，２００５，２ ［４］魏克新，王云亮，陈志敏，等．ＭＡＴＬＡＢ语言与自动 控制系统设计（第２版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４ ［５］楼顺天，于卫．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计—— 控制系统［Ｍ］．陕西：西安电子科技大学出版社，１ ９９８ ６ｏ 一 拿 ．． ｆ§ ＼／／
