基于Matlab-GUI界面的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及Simulink動態(tài)仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第 24卷第 1期2002年 3月探測與控制學(xué)報Journa l of D etection & Con trolV o l. 24. N o. 1M ar. 2002專心-專注-專業(yè)設(shè)計及 S im u link動態(tài)仿真褚丹雷1,薛小龍2,胡國清1(1.廈門大學(xué)機電工程系,福建廈門;2.微軟中國研究發(fā)展中心,北京)摘要:利用M a tlab軟件進行計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計,并通過 GU I界面 (圖形用戶界面)實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計。用戶可與計算機交互式地進行對象參數(shù)的設(shè)置、控制算法的選取、以及數(shù)字調(diào)節(jié)器的校正。并利用 M a tlab內(nèi)嵌的 Sim u li

2、nk模塊,實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)仿真所見即所得,滿足不同用戶的不同要求。文中便從理論算法實現(xiàn) GU I界面設(shè)計以及 Sim u link仿真等幾個方面進行詳盡論述。關(guān)鍵詞:系統(tǒng);數(shù)字調(diào)節(jié)器;最小拍;大林算法; M a tlab; GU I; Sim u link中圖分類號: TP 273文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 1008- 1194 (2002) 01- 0048- 050引言計算機控制系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一,而計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計又往往涵概了信號與系統(tǒng)、自動控制、接口技術(shù)、數(shù)值分析等多方面的知識。因此要想設(shè)計出理想的數(shù)字調(diào)節(jié)器,能否選擇了恰當(dāng)?shù)挠嬎銠C設(shè)計語言便顯的尤為重要。M a t la

3、b主要包括了主包、Sim u link模塊和工具箱三大部分。它內(nèi)嵌了大量的算法控制函數(shù),是當(dāng)前工程計算的標(biāo)準(zhǔn)之一。下面就如何利用該軟件實現(xiàn)對帶純滯后環(huán)節(jié)的典型計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計加以論述。1理論算法實現(xiàn)1. 1系統(tǒng)分析1. 1. 1控制系統(tǒng)建模在大多數(shù)工業(yè)過程控制中,帶有純滯后特性的控制對象是十分常見的。而對許多控制對象來說,都可以抽象為一個一階或二階慣性環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串接。因而,由計算機進行直接數(shù)字控制(DDC )的典型反饋控制系統(tǒng)便可用以下框圖加以表示,如圖 1。圖中: R (s)輸入信號;R (z )經(jīng)采樣后的輸入脈沖序列 (采樣周期為 T );E (z )誤差信號;D (z )

4、數(shù)字調(diào)節(jié)器 (計算機設(shè)計的軟件模塊) ;ZO H零階保持器;圖 1控制系統(tǒng)框圖U (z )數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出信號;G 0 (s)控制對象 (包括純滯后環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié) G (s) ) ;作者簡介:褚丹雷 ( 1976) ,男,內(nèi)蒙古包頭市人,碩士研究生,主要從事計算機控制系統(tǒng), PL C工業(yè)控制,自動控制理論,液壓系統(tǒng)控制,以及M EM S方面的研究。已獲國家發(fā)明專利一項,全國及省學(xué)術(shù)發(fā)明獎四項。一篇論文被IS I檢索,現(xiàn)正從事立體停車庫機器人的研究與開發(fā)?；贛 a t lab 2GU I界面的計算機控制系統(tǒng)收稿日期: 49G 1 (s)ZO H與 G 0 (s)組成的廣義對象 (輸出為連續(xù)量)

5、 ;G 1 (z )廣義對象的 Z變換 (輸出為離散量) ;Y (s)、Y (z )輸出信號,后者為前者的采樣離散信號。1. 1. 2控制對象 G 0 (s)控制對象可抽象為一個一階 (或二階)慣性環(huán)節(jié),串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)如下 (本文主要針對一階的情況進行討論) :K e K eT 0s + 1 T 1s + 1) (T 2s + 1)為了減少系統(tǒng)超調(diào),實現(xiàn)系統(tǒng)的完全跟隨,現(xiàn)設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)D (z ) (軟件模塊) ,與廣義傳遞函數(shù)G 1 (z )串聯(lián),組成典型的計算機反饋控制系統(tǒng)?？紤]到調(diào)節(jié)器模擬化設(shè)計過程中,未考慮信號在采樣與重構(gòu)過程中受到的影響,故下文將用離散化設(shè)計方法 (

6、間接法)對系統(tǒng)進行設(shè)計,通過最小拍與大林算法兩種途徑,實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器 D (z )。1. 2最小拍設(shè)計K e,T 0s+ 1式中: K靜態(tài)放大系數(shù),T 0慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。接零階保持器 ZO H后的廣義對象傳遞函數(shù)為:Ts- Tss s (T 0s + 1)- ( l+ 1)- 1所以,廣義傳遞函數(shù)也存在純滯后環(huán)節(jié),滯后 ( l+ 1)拍。1. 2. 1基于單位階躍輸入的最小拍設(shè)計最小拍的設(shè)計思想是:使系統(tǒng)經(jīng)過最小拍的時間滯后,實現(xiàn)完全跟隨。即,經(jīng)最小拍過渡,使系統(tǒng)靜態(tài)誤差為零。所以,對于階躍輸入應(yīng)有:- ( l+ 1)- 1 1 2GB (z ) = 1 - G e (z )對由以上三式,可

7、得:a 1 = 1f 1 = f 2 = = f l = 1- 1- ( l+ 1)G 1 (z ) G e (z ) Kz (1- e - T T 0 ) (1- z - )- ( l+ 1)( ( l+ 2) ( l+ 3)1- z - 1所以,經(jīng) ( l+ 1)拍后,實現(xiàn)完全跟隨。1. 2. 2輸出波紋的消除波紋產(chǎn)生是由于D (z )的輸出信號 U (k )存在波動變化而引起的,所以只要D (z ) G e (z )是 z - 1的有限項多項式,則可消除波紋。所以,只要在設(shè)計的軟件模塊中消除 G 1 (z )的全部零點,便可完全消除波紋。1. 3大林算法1. 3. 1大林算法的設(shè)計思路大

8、林算法是針對一些非數(shù)字隨動系統(tǒng)而設(shè)計的。在這類系統(tǒng)中,并不嚴(yán)格要求系統(tǒng)在有限制拍內(nèi)結(jié)褚丹雷等:基于M a t lab 2GU I界面的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及 Sim u link動態(tài)仿真- - 或G 0 (s) = (G 0 (s) =- S設(shè)已知控制對象的傳遞函數(shù)為: G 0 (s) =純滯后時間,- S1 - e -K e (T為采樣時間)G 1 (s) =G 0 (s) = (1 -)e(1- e -T T 0)Kz經(jīng) z變換后: G 1 (z ) =式中, l=- T T 01- eTzGB (z ) = a 1z+ + f lz - l) (1 + f 1z -+ f 2z -G e

9、(z ) = (1 -z所以, GB (z ) = z (實現(xiàn)了完全跟隨)(1- e - T T 0z - 1)1- GB (z )z所以, D (z ) = = - ( l+ 1) ( l+ 1) ;z即, Y (z ) = GB (z ) R (z ) =;= z - l+ 1) + z -+ z -50探測與控制學(xué)報束過渡過程,而是要求系統(tǒng)能夠無超調(diào)或超調(diào)盡量小的進行過渡。所以,大林算法是通過設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器 D (z ) ,使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為一個帶純滯后環(huán)節(jié)的慣性系統(tǒng),且靜態(tài)放大系數(shù)為 1。即:e -GB (s) =T bs + 1GB (z )G 1 (z ) 1- GB

10、(z ) (1 - e - T T 0 ) (1 - e - T T 0z - 1)- T T 0 T b- ( l+ 1) - ( l+ 1) z1所以,實現(xiàn)了大林算法數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計。1. 3. 2振鈴現(xiàn)象的消除經(jīng)分析可得 (詳見 2 ,對于具有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)的對象來說,振鈴幅度:- T T 0 T T b所以,只要 T bT 0R A0則無振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生。與此同時,一階慣性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度又取決于時間常數(shù) T 0,且 T 0越大,響應(yīng)速度越慢。為了兼顧穩(wěn)定性和快速性,則此處選取:T b = T 02GU I界面實現(xiàn)及動態(tài)數(shù)字調(diào)節(jié)器軟模塊的設(shè)計在M a t lab環(huán)境下,要設(shè)計一

11、個界面友好的計算機仿真軟件,設(shè)計過程主要包括兩大部分: (1) GU I界面設(shè)計; (2)回調(diào)程序的設(shè)計。下面便分別從這兩方面加以討論。2. 1GU I界面設(shè)計實現(xiàn)動態(tài)數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計與仿真軟件的界面見圖 2。它共包含 5個區(qū)域:( 1)菜單區(qū):位于整個界面的最上端。隱含了M a t lab自帶的所有基本菜單 (將 figu re對象的“M enuB a r”屬性設(shè)置為“N one”) ,添加了 file、too l、system、最小拍、大林算法、圖 2系統(tǒng)設(shè)計界面兩項的具體內(nèi)容如圖 3;(2)圖形區(qū):用于顯示各計算機控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真曲線,以及各系統(tǒng)的比較曲線;( 3)對象模型區(qū):動態(tài)的顯示

12、系統(tǒng)各相應(yīng)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型 (傳遞函數(shù)或脈沖傳遞函數(shù))。由 4個單選按鈕 (rad iobu t ton )和 4個編輯框 (ed it)組成。當(dāng)用戶的輸入?yún)?shù)發(fā)生變化時,可通過單擊響應(yīng)的單選按鈕,實現(xiàn)顯示結(jié)果的實時圖 3菜單內(nèi)容刷新與顯示;(4)控制按鈕區(qū):由 4個按鈕組成 (p u shbu t ton ) ,實時的進行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定,輸出圖像智能切換,并具有曲線刷新等功能。在使用該軟件時,第一步便是按下“參數(shù)輸入”按鈕,進行系統(tǒng)設(shè)置,否則將給出出錯信息;( 5)圖形效果區(qū):由一個滑動條組成 ( slider)。用于控制輸出圖形的明暗程度。其實在該區(qū)域還可根據(jù)用戶要求加入其他圖形控件,如色彩

13、選擇器、線形控制器等等,但就實現(xiàn)方式來講是完全一致的。故本窗口只設(shè)置了一個,以示說明。S ( = lT , T b為閉環(huán)傳遞函數(shù)的時間常數(shù)) (3 )由最小拍設(shè)計分析可知:D (z ) =將 (3 )式代入 D (z )得:D (z ) = ( l+ 1) 1 - e - T T 0z - 1 -(1 - e- T) z -K (1 -e- T T b(1- e)1ez因為, GB (z ) =Y (z ) = GB (z ) =1- e - T T bz -1- z - 1(1- z - 1) (T bs+ 1)- e -RA = eSim u link、help 7個菜單。每個菜單下又有各

14、級子菜單。其中512. 2回調(diào)程序設(shè)計該仿真軟件之所以可以實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計,正是由于筆者利用M a t lab編制了 43個大小不等的回(1)主控程序 m a in. m :軟件的核心部分。包括了 GU I界面的初始化,相關(guān)文件的調(diào)用,控件的描繪,輸入輸出控制等等?？梢哉f,只要在 GU I界面上存在事件觸發(fā),就會對該M文件進行調(diào)用。( 2)系統(tǒng)建模文件:主要包括 zxp. m與 d l. m ,前者負責(zé)最小拍數(shù)字調(diào)節(jié)器的動態(tài)建模,設(shè)計;后者負責(zé)大林算法數(shù)字調(diào)節(jié)器,并且包括相應(yīng)的校正內(nèi)容。主要通過“最小拍”和“大林算法”菜單下的一些子菜單進行回調(diào)。(3)輸入輸出文件:主要有 system 1.

15、m、system 2. m、system 3. m和 system 4. m 4個文件。分別控制在界面模型輸出區(qū)輸出“對象、廣義對象、數(shù)字調(diào)節(jié)器、閉環(huán)系統(tǒng)”的傳遞函數(shù)。由于在M a t lab內(nèi)建函數(shù)庫中,不存在窗口動態(tài)文本輸出函數(shù),所以這 4個文件的編寫較為繁雜。這 4個文件主要通過 4個單選框選取進行回調(diào)。(4)繪圖文件:主要包括 fig1. m與 fig2. m。前者用于繪制各系統(tǒng)的單獨仿真曲線,后者用于繪制兩種計算機控制系統(tǒng)的輸出比較曲線。主要通過控件按鈕進行回調(diào)。其中 fig1. m可以自動識別所要求繪制的輸出曲線。( 5)選項制約文件:主要由 togg1e1. m、togg1e2.

16、 m、togg1e3. m和 togg1e4. m 4個文件組成。用來控制 4個菜單選項。它們是:“too l”菜單下的“ax is on,與“ax is off”和“最小拍”菜單下的“系統(tǒng)”與“大林算法”下的“系統(tǒng)”分別由四個菜單標(biāo)記 (checked)實現(xiàn)文件回調(diào)?？傊?以上是一些主要的M文件,還有一些M文件 (如 file菜單下的回調(diào)文件) ,由于在其他編程中十分普遍,這里就不一一列出了。3Sim u link系統(tǒng)仿真Sim u link是M a t lab內(nèi)嵌的仿真模塊,其豐富的函數(shù)庫可以對各處連續(xù)、離散、以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)進行動態(tài)仿真。Sim u link對M a t lab來說具

17、有一定的獨立性,其 GU I界面不能用句柄圖的概念加以解釋。與此同時, Sim u link與M a t lab主工作窗口、M a t lab工具箱又有著密不可分的關(guān)系。它們之間通圖 4Sim u link仿真模型Sim u link以及二者間的軟接口進行實時動態(tài)仿真。3. 1Sim u link仿真實現(xiàn)當(dāng)用戶按如下順序單擊菜單 Sim u link Sim u link模塊最小拍 (或大林算法 )時,將彈出Sim u link仿真窗口。由于編制了 sim u5. m、sim u6. m兩個回調(diào)程序,系統(tǒng)將自動對相應(yīng)的模型進行仿真,并將系統(tǒng)參數(shù)傳遞給 Sim u link窗口。但如果用戶想在該

18、窗口下重新輸入系統(tǒng)參數(shù),也是相當(dāng)方便的。只要雙擊相應(yīng)模塊即可。如雙擊“對象”便可跳出一個對話框。該對話框便是在子系統(tǒng)封裝過程中便開始了動態(tài)仿真。隨后可以通過雙擊示波器,實時觀察仿真結(jié)果。3. 2工具箱與 Sim u link軟接口當(dāng)用戶按如下順序單擊菜單 Sim u link根軌跡最小拍 (或大林算法 )時,將彈出M a t lab工具箱根軌跡窗口,并將系統(tǒng)參數(shù)導(dǎo)入。通過對根軌跡的分析,將得到系統(tǒng)的穩(wěn)定性信息。另外,在根軌跡file菜單下有一個 d raw Sim u link d iag ram子菜單,可實現(xiàn)工具箱與 Sim u link的軟接口。即自動將根軌跡上的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為 Sim u l

19、ink仿真模塊,這樣便省去了自建模塊的繁雜工作。但筆者并未使用此方法。因為特定的系統(tǒng)通過特定的自建子系統(tǒng)可大大增強仿真的準(zhǔn)確性和可移植性。褚丹雷等:基于M a t lab 2GU I界面的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及 Sim u link動態(tài)仿真調(diào)程序,通過對這些3 . m文件的調(diào)用實現(xiàn)了界面友好及各個功能,現(xiàn)將幾個主要文件介紹如下:過一定的軟接口互通信息。下面便對以上系統(tǒng)應(yīng)用工具箱、所設(shè)置的,鍵入相關(guān)參數(shù),并按下 O K。此時,只要在 Sim u link窗口中按下 #。52探測與控制學(xué)報4總結(jié)該軟件提供了一個較為系統(tǒng)、直觀地進行計算機數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計與仿真的 GU I界面。正因為它的界面是友好的,

20、用戶可以自由地進行系統(tǒng)的構(gòu)架,使軟件具有一定的通用性;由于M a t lab編程語言屬于解釋型語言,每次運行時都要重新進行編程、鏈接,因而運行速度較源代碼,可大大提高軟件的速度與通用性。如:m cc - t - L cpp m a in. m (將 m a in. m文件轉(zhuǎn)化為 m a in. cpp ) ;對M a t lab文件可進行偽代碼編譯,封裝源代碼。一來,可以防止源代碼由于不必要的讀寫而破損;二來,可以防止源代碼被盜用。如:p code m a in. m (將 m a in. m轉(zhuǎn)化為 m a in. p ) ; M a t lab功能強大,但要想使其充分發(fā)揮出來,必須將主模塊、

21、工具箱、Sim u link三者有機地結(jié)合起來。如本軟件,在系統(tǒng)仿真階段充分利用了三者的關(guān)系,收到了預(yù)期的效果。參考文獻: 1 胡國清.機電控制工程理論與應(yīng)用基礎(chǔ) M .北京:機械工業(yè)出版社, 1997. 2 苗秀敏,朱金鈞.計算機控制系統(tǒng)及應(yīng)用 M .北京:北京科技技術(shù)出版社計算機, 1995. 3 程衛(wèi)國. M A TLAB 5. 3精要編程及高級應(yīng)用 M .北京:機械工業(yè)出版社, 2000. 4 崔怡. M A TLAB 5. 3實例詳解 M .北京:航空工業(yè)出版社, 2000. 5 陳桂明.應(yīng)用M A TLAB建模與仿真 M .北京:科學(xué)出版社, 2001. 6 謝錫祺,楊位欽.自動控

22、制理論基礎(chǔ) (下冊) M .北京:北京理工大學(xué)出版社, 1992.The D es ign of the Com puter Com pen sa tor and D ynam icS im ula tion Ba sed on M a tlab- GU I In terface1 2 1(1. D ep t. of M echan ic and E lectrica l Engineering X iam en U n ivercity, X iam en , Ch ina;2. M icro soft R &D Cen ter, B eijing , Ch ina)try tech

23、no logies. T h is p ap er offers p rop er softw a re, p rogramm ed by M a tlab 5. 3, fo r it. T he softw a re no t on ly ha s theGU I in terface, bu t can be u sed to ana lysis the com p u ter con tro l system , dynam ica lly. T he u sers can inp u t p a ram eters ofm o re, the softw a re takes advan tage of the Sim u link m