基于MATLAB的控制系统频率特性实验的开发祁文哲王莉莉孟建军(兰州交通大学机电工程学院兰州730070摘要设计了基于MATLAB的虚拟实验系统,通过验证和试运行,此虚拟实验系统很好地实现了在计算机平台上频率特性实验的演示和仿真功能。关键词自动控制原理;频率特性;虚拟实验系统;MATLAB中图分类号TP3DevelopingofFrequencyCharacteristiimBasedonM(CollegeofLanzhan730070,ChinaAbstractisonMATLAB.Thefunctionofshowingofthefrequencychar2acteristicandtheonolsystemisachievedperfectlybyuse.Keywordsprincipleofauto-control;frequencycharacteristic;virtualexperimentsystem;MATLAB1引言自动化是我国六大高新技术之一,而实验课是《自动控制原理》整个教学过程中不可缺少的重要组成部分,它可以将理论和实践紧密的联系起来,使学生加深对所学知识的理解。我院传统的自动控制原理实验由于系统本身如电子器件的老化,接触不良,功能不全等缺点以及由于接线相对复杂,使得实验,尤其是频率特性的实验很难得到预期的效果,实验效率低;随着各高校扩招,学生多、仪器少的问题更加突出,难以保证正常的实验教学。因此我们“”的改进措施从硬件系统的改进开发入手。教学设备从传统的物理实验台转化到计算机平台“”上的虚拟实验台是信息时代充分利用计算机技术和网络技术开展教学活动的一大特征。我们利用MATLAB强大的图形对象属性设置及GUI图形用户界面制作技术进行自动控制教学实验教学,开发实验系统。从而给学生提供一个友好灵活的交互式人机界面,使学生能够全方位地接受教学信息,从而起到良好的教学实验效果。2基于MATLAB的频率特性教学实验系统设计2.1实验平台概述此实验教学软件基于MATLAB平台,针对实验内容,演示自动控制原理中频域分析方法,并且通过系统仿真,获取准确的实验效果,辅助教师指导学生成功地完成实验教学,在实验中,学生可以更直观的观察实验结果,更深层次的理解其中的分析方法,掌握有关概念。此教学软件根据自动控制原理课程内容,辅助教学完成系统频率特性分析及绘图,为教师和学生提供了一个方便、灵活的系统分析与实验的软件操作平台。2.2软件设计2.2.1总体考虑此系统实验平台设计中,特性演示部分是通过MATLAB语言编程和用户交互式界面GUI共同完成界面设计,使学生可以更方便、直观的观察线性系统的频率特性情况,并可随意地修改参数,以得到不同系统的幅频曲线与相频曲线;同时计算任意点的频率特性,幅频特性,相频特性的值。实验的仿真部分则通过SIMULINK实现。2.2.2技术关键的具体解决方法在系统的实现过程中,需要对传递函数进行定义,函数为:G=tf(num,den其中num表示传递函数的分子,den表示传递函数的分母。・要计算某一特定点的特性值用以下函数:收稿日期:2006-01-13作者简介:祁文哲(1966-,副教授,研究方向:测控技术与仪器。04ModernScientificInstruments20072系统频率特性:Gw=polyval(num,j3w./poly2val(den,j3w幅频特性:mag=abs(Gw相频特性:pha=angle(Gw其中j为虚部变量。・Bode图功能:求连续系统的Bode(波特频率响应格式:[mag,phase,w]=bode(a,b,c,d[mag,phase,w]=bode(a.b,c.d,w[mag,Phase,w]=bode(num,den[mag,phase,w]=bode(num,den,w说明:bode相频响应曲线(即增益裕度、相位裕度、扰动抑制及其稳定性等特性。,bode函数可在当前图形窗口中直接绘制出LTI系统的Bode图。2.2.3基于SIMULINK系统仿真的实现・模型文件的创建:选中MATLAB指令窗或某模型窗中的菜单[File:New:Model]・在模型窗中打开SIMULINK模块库浏览器窗口。在上图的右侧子模块窗口中,“单击Souce”子模块库前的“+”。“・用鼠标单击所需要的输入信号源模块SineWave”(正弦信号,将其拖放到空白模型窗口“unti2tled”,则“SineWave”模块就被添加到untitled窗口.・用同样的方法寻找其它子模块库,选择其中的“Scope”模块(示波器和“TransferFcn”模块(传递函数拖放到“untitled”窗口中。・在“untitled”窗口中,建立模型。・开始仿真,“”“在窗口中单击开始仿真。双击Scope”模块出现示波器显示屏,可以看到黄色的正弦波形。・保存模型。2.3系统界面设计本系统包括欢迎界面、系统简介界面、系统主界面、一阶系统...