MATLAB仿真软件在实践环节中的应用

2011-06-13陈凤兰降爱琴

科学之友 2011年1期

陈凤兰，降爱琴

（山西大学工程学院，山西太原 030013）

1 概述

自动控制原理实验是自动化控制理论课程的实践教学环节。通过实验，可进一步熟悉掌握自动控制理论的基本概念、系统的分析、验证。二阶系统的阶跃响应实验室通过对二阶系统的分析、研究，二阶系统的特征参数阻尼比ζ与无阻尼自然振荡频率ωn对系统有动态性能的影响，定量分析了ζ和ωn与系统特征量关系。

2 基本内容

2.1 模拟实验的基本原理

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，得到相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器测量系统的输出，得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

超调量σ%：利用软件上的游标测量二阶系统的响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式计算超调量：

峰值时间tp：利用软件上的游标测量系统的输出从零到最大值所需的时间，得到tp。

调整时间ts：利用软件上的游标测量系统的输出从零到95%稳态值所需的时间，得到ts。

2.2 二阶系统的模拟电路图

见图1。

图1 二阶系统模拟电路图

2.3 实验结果

见图2。

图2 二阶系统阶跃响应

3 建立二阶系统的仿真模型

3.1 实验步骤

（1）启动计算机，运行MATLAB应用程序。

（2）在MATLAB命令窗口输入Simulink，启动Simulink。

（3）在Simulink库浏览窗口中，单击工具栏中的新建模型窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选择菜单命令File→New→Model，打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。

（4）用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。

（5）同样的方法分别从数学运算模块库（Math Operations）、连续系统模块库（Continuous）、信号联结库（Signal Routing）和接收模块库（Sinks）中，把增益模块（Gain）、传递函数模块（TransferFcn）、聚合模块（Mux）和示波器模块（Scope）拖放到空白模型编辑窗口中。

（6）用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一个模块的输入端口，完成模块间的连接，若需要画支线时，把鼠标光标移到有向线段的任意点处，按下“Ctrl”键同时按下鼠标左键，拖动鼠标到所需模块。

（7）双击各个模块，设置模块的参数，完成系统模型的创建，存储模型。

（8）设置仿真参数，启动仿真，并在示波器模块观测仿真结果。

（9）保持阻尼比不变，研究不同振荡频率下的二阶系统响应特性。

（10）保持振荡频率不变，研究不同阻尼比下的二阶系统响应特性。

（11）构造过阻尼二阶系统，研究不同时间常数的二阶系统响应特性。