唐 柳，張雅嫻

(1.貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 551400)

0 引言

工程控制原理課程是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的必修課程，本課程理論性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)難于理解，需要配套相應(yīng)完善的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐知識(shí)。受實(shí)驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)地的限制，我系所開設(shè)的操作性實(shí)驗(yàn)尚不能滿足課程實(shí)驗(yàn)要求。從增強(qiáng)本課程理論認(rèn)識(shí)的角度，希望通過開發(fā)相應(yīng)的控制仿真實(shí)驗(yàn)交互系統(tǒng)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)識(shí)，并能提升教學(xué)效果。

1 交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 界面設(shè)計(jì)

MATLAB擁有圖形用戶編輯能力(GUI)，也就是MATLAB中的Visual Basic，可以使MATLAB程序的終端用戶輕易操作該程序，而這和本次的仿真實(shí)驗(yàn)的目的要求相吻合，可以利用GUI來實(shí)現(xiàn)工程控制系統(tǒng)建模的仿真。

拖動(dòng)GUI中的控件到方格主界面進(jìn)行編輯和布局，并能通過屬性查看器修改控件的屬性，最終完成本次仿真的主界面設(shè)計(jì)。

為了方便學(xué)生和用戶更好地應(yīng)用此系統(tǒng)，主界面的風(fēng)格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔實(shí)用，整個(gè)界面就是一個(gè)典型的工程控制反饋系統(tǒng)框圖(圖1)。

圖1 主界面

用戶可以手動(dòng)輸入系統(tǒng)傳函，不論是開環(huán)還是閉環(huán)，想用MATLAB實(shí)現(xiàn)這一功能，需要在GUI里建立幾個(gè)編輯文本框(Edit Text)，以及一個(gè)普通按鈕(Pushbutton)，在編輯文本框內(nèi)輸入系統(tǒng)傳函的系數(shù)或者零極點(diǎn)，然后點(diǎn)擊這個(gè)按鈕，系統(tǒng)就會(huì)提取編輯文本框里的東西，然后再通過一些命令把它變成傳遞函數(shù)，并將它顯示出來。

按照以上的構(gòu)思，需要在普通按鈕(Pushbutton)對(duì)應(yīng)的m文件里的Callback里輸入相應(yīng)的代碼。

1.2 生成數(shù)學(xué)模型

在“應(yīng)用”按鈕(Pushbutton)的Callback下鍵入如下的代碼，便可實(shí)現(xiàn)用戶想要實(shí)現(xiàn)的功能。

global num den sel；

num=str2num(get(handles.fenzi，'string'))；

den=str2num(get(handles.fenmu，'string'))；

sys=tf(num，den)；

set(handles.text6，'string'，evalc('sys'))；

sel=get(hObject，'Value')；

Value=1；

首先將num、den和sel定義為全球變量，方便在不同的子文件中提取應(yīng)用，num和den分別為編輯文本框里的字符串(傳函系數(shù))中輸入的分子和分母系數(shù)，sel是下拉菜單的一個(gè)變量。

.fenzi和.fenmu則是兩個(gè)編輯文本框的tag，提取各式為“string”，用MATLAB里自帶的函數(shù)語(yǔ)句“tf”，可以把提取出來的num和den轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)傳函，再用set語(yǔ)句配合evalc(‘sys’)，可以把傳函顯示在tag為text6的靜態(tài)文本框里，最后設(shè)置下拉菜單value值為1。

2 時(shí)域分析功能實(shí)現(xiàn)

2.1 階躍響應(yīng)

利用定位回調(diào)函數(shù)的方法找到階躍響應(yīng)的callback，開始編寫代碼：figure(‘NumberTitle’，‘off’，‘Name’，‘階躍響應(yīng)’)； 意思是點(diǎn)擊菜單欄里的階躍響應(yīng)后會(huì)跳出一個(gè)figure窗口，窗口名字叫階躍響應(yīng)。

然后再將要用到的變量用global喚出，方便接下來的使用，因?yàn)闀r(shí)域分析一般都是針對(duì)閉環(huán)傳函，所以還是要用feedback將sys轉(zhuǎn)換成閉環(huán)傳函，并賦值予G，再用MATLAB自帶的step函數(shù)便可在figure里畫出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，假設(shè)一控制系統(tǒng)，H(s)=1，運(yùn)行后得到的曲線圖像如圖2。

圖2 階躍響應(yīng)曲線

為了更完整的分析，要求顯示圖像的同時(shí)顯示出其性能指標(biāo)，所以要用GUI新建一個(gè)fig文件，在里面拖入一些靜態(tài)文本框，調(diào)整好位置，這些特征量包括超調(diào)量、延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間和調(diào)整時(shí)間。

在性能指標(biāo)的子編程文件里寫好相應(yīng)的代碼，保存名為“xnzb.m”。返回主編程文件，也就是“zhujiemian.m”的階躍響應(yīng)的callback里寫入：“run xnzb”。這樣，點(diǎn)擊階躍響應(yīng)按鈕后便會(huì)跳出除響應(yīng)曲線以外的第二個(gè)窗口，性能指標(biāo)分析如圖3所示。

圖3 性能指標(biāo)

2.2 脈沖響應(yīng)

和階躍響應(yīng)的編碼相仿，也是先建立一個(gè)figure，用global提取有用的變量，用feedback將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成閉環(huán)的，最后用impulse命令畫出脈沖響應(yīng)的曲線，仍采用前述系統(tǒng)模型，得到的曲線圖像如圖4。

圖4 脈沖響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

可以用兩種輸入方式建立起系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，一旦建立起數(shù)學(xué)模型，就可以采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其性能進(jìn)行全面的分析和計(jì)算，本次仿真實(shí)驗(yàn)從時(shí)域方面采用了包含階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)的分析方法，既能得到性能指標(biāo)的數(shù)值，也能生成相應(yīng)的圖像供讀者分析。