基于matlab的辅助学习系统使用说明.doc

基于MATLAB的自控原理辅助系统 自动控制原理是高等工科院校电气信息类专业的一门重要的技术基础课程，该系统是辅助学生学习《自动控制原理》理论内容是按照《自动控制原理》制定，基本可以满足本学科学习使用。本系统为纯软件系统，性价比较高，缺少设备难以理解的现象，做到了理论联系实践而且用户体验性强，能很好的吻合教材的重要知识点。本次设计能够提供给使用者源程序，为以后使用者学习MATLAB软件和自控原理的MATLAB实现提供方便。ACTexe文件并解压，然后运行文件夹中的main.exe主程序，进入系统，主界面如图0-1。 图0-1 自控原理学习系统1. 辅助学习系统总体设计本系统的设计过程遵循模块化设计的思路，系统整体分为五个部分，包括建模及模型转换模块、时域分析模块、频域分析模块、系统校正模块和根轨迹模块自控原理学习系统整体结构图如图-1所示。 图-1 自控原理学习系统总体结构 各模块的主要功能： 建模与模型转换模块 此模块包含三部分：数学模型建立、模型转换和典型环节分析。 时域分析模块 此模块包含四部分：线性系统时域性能指标、线性系统暂态响应、时域稳定性分析和线性系统的稳态误差。 频域分析模块 此模块包含四部分：频域特性综述、幅相频率特性、对数频率特性和频域稳定性分析。 系统校正模块 此模块包含两部分：串联校正和复合校正。 （5） 根轨迹分析法模块 此模块包含三部分：根轨迹的概念、根轨迹的绘制和根轨迹分析系统稳定性。 设计过程中各模块分块设计、调试，最后由主程序GUI进行各个模块的连接，构成完整的系统。在重点理论和经典分析处有源程序的弹出控件，便于同时学习掌握MATLAB的知识和运用。 图-2自控原理学习系统建模与模型转换建模及模型转换模块包含数学模型建立、模型转换和典型环节分析三部分。 （1）数学模型建立部分包括三类对象的建模：电路对象、阻尼对象和液位对象； （2）模型转换部分实现控制系统在传递函数模型、状态空间模型、零极点增益模型三类表达方式的转换； （3）典型环节分析模块包含对六个典型环节的基本分析：比例环节、积分环节、惯性环节、一阶微分环节、二阶振荡环节和延时环节。 建模及模型转换模块的结构如图-1所示。 图-1建模转换模块结构图 模型建立建立模型的方法就是从已知的物理规律出发，用数学推导的方式建立起系统的数学模型。这部分选取了三类物理系统（电路系统、阻尼系统和液位系统）建模为例，来介绍由实际过程建立数学模型。 （1） 电路对象 电路对象如图-2所示，R和C为已知参数，以电压为输入，以电容电压为输出，求该电路对象的传递函数模型。 图-2 电路对象 1） 根据电路图可得微分方程组： （-1） 2） 对式（-1）进行拉式变换，得： （-2） 3） S域方程整理后求得此电路对象的传递函数模型： （-3） （2） 阻尼对象 阻尼对象如图-3所示，B、K和M为已知参数（B为阻尼系数，K为弹簧系数，M为物体质量）；其中为外力，为阻力，为弹簧拉力，为物体位移。以外力为输入，以物体位移为输出，求阻尼对象的传递函数模型。 图-3 阻尼对象 1） 根据阻尼对象各物理量间关系可得微分方程： （-4） 式中，。 由式（-4）进一步得到微分方程： （-5） 2） 对式（-5）进行拉式变换并整理，得该阻尼对象的传函模型： （-6） 3） 液位对象 水槽是常见的水位控制系统的被控对象。图-4是两个串联单容水槽构成的双容水槽液位模型（其中F是容量系数，R为液阻，T=RC 是水槽常数， K为双水槽的传递函数）。其输入量为调节阀1产生的阀门开度变化△u，而输出量为第二个水槽的液位增量△h2。T1、T2和K为已知参数，求液位系统的传递函数模型。 图-4 液位对象 1） 根据先求微分方程： （-7） 式中。 （-8） 由式（-7）和式（-8）消去中间变量得到微分方程： （-9） 2）对式（-9）进行拉式变换并整理，得该液阻系统传递函数：