基于Matlab的自动控制原理仿真实验平台的设计与实现

骆岩红　郭婷

摘要：自动控制原理是一门理论性较强的课程，为了帮助学生掌握学习内容，常常配套了一定课时的实验。但是由于现有的实验环境常常局限于实验台，而实验台陈旧不堪，并缺乏一定的灵活性，所以文章根据需要设计了一套基于Matlab GUI和Simulink的自动控制原理实验仿真系统。该系统按照学习内容，安排了相应的实验，并提供了直观的图形操作界面。结果表明，所设计的系统操作简单、直观，便于学生观察和对知识的理解和领会，达到了教学、实验和课外研究的要求。

关键词：Matlab;自动控制原理;GUI;Simulink

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0372-02

一、引言

自动控制原理是通信工程、物联网工程专业培养方案中要求开设的一门课程。该课程的特点是：理论性较强，涉及的公式多、概念抽象，所以在课程讲授过程中，教师应帮助学生更好地理解和掌握知识，做到理论联系实际，才能达到课程最终的学习目的。

根据需要，大纲中设置了一定课时的实验，但是所采用的实验环境，常常是配套的实验台。现有的实验平台存在几个问题：（1）设备陈旧，使得实验结果存在一定的误差，导致实验结果不准确;（2）实验箱上电路基本固定，所安排的大多是验证性的实验;（3）传统实验缺乏一定的灵活性，很难满足实际需求的设计。

鉴于此，根据教学的经验，本文基于Matlab的图形界面GUI功能和Simulink，设计了一款“基于Matlab的自动控制原理的仿真实验平台系统”，它不仅可以完成大纲的实验要求，而且也可以满足一定的课程设计，为我们拓展思路、拓宽视野带来了很大的好处。它所设计的系统操作过程简单、直观，便于学生观察和对知识的理解和领会。实验表明，它所设计系统较好地满足了教学和研究的需求。

二、系统总体设计

1.系统功能结构介绍。利用Matlab GUI所开发的自动控制原理实验仿真系统，采用熟悉的Windows风格，以较直观的图形界面展现出来。鉴于课程所学理论知识，系统设置了五个方面的功能实验：系统时域性能分析、系统根轨迹绘制、系统稳定性分析、系统频域性能分析、串联系统校正方法分析。

2.系统时域性能分析。在该模块中涉及典型环节响应、一阶系统性能分析、二阶系统性能分析。下面针对二阶系统性能分析的实现进行说明。该模块中二阶系统使用Simulink完成模拟电路的设计，并由系统获取其重要的两个参数：自然振荡频率ω■和阻尼比kosi。根据典型输入的选择，获取系统相应的响应曲线，并以此计算出系统的动态性能指标。该部分的功能界面如图1所示。

其中，二阶系统的动态性能指标主要包括：上升时间T■、峰值时间T■、响应时间T■、超调量σ%。由Simulink建立二阶系统的模型，通过示波器观察其输出波形，其结果与GUI界面波形可进行比较。

3.系统频域性能分析。频域分析法是在频域范围内应用图解分析法评价系统性能的一种方法。该部分具有四个方面功能：（1）根据开环传递函数求出系统的频率特性;（2）根据开环传递函数绘制系统的奈奎斯特图和伯德图;（3）运用频域稳定判据判断系统的稳定性，并掌握裕度的含义及计算方法;（4）学会看图，掌握利用伯德图低、中、高频段与系统性能之间的关系。该部分功能如图2所示。

4.系统校正性能分析。实际中常常存在系统性能不能达到所要求的指标的情况，这时可以通过增添一些装置来校正系统。仿真系统以串联校正为研究对象。根据所给的系统静态误差系数和校正后的裕度，计算出开环K值和校正函数，通过校正前后响应曲线、根轨迹、伯德图和奈奎斯特图的变化，以及系统的稳定性、稳态精度、快速性和抗干扰能力等方面，分析系统校正后的效果。部分功能实现如图3所示。

三、总结

自动控制原理是一门理论性较强的课程，实验教学的目的是帮助学生理解和掌握理論知识，同时也培养学生的动手能力。基于Matlab的仿真实验平台，一方面避免了传统实验环境产生的弊端;另一方面通过软件平台较灵活地进行系统的模拟电路的搭建和系统性能的分析，而且较直观地观察出实验结果，为培养学生分析问题和解决问题的能力打下了扎实的基础。

参考文献：

[1]夏静萍，王瑛.自动控制原理综合实验设备研制及教学应用[J].实验技术与管理，2017，（09）：104-108.

[2]尤文斌，丁永红，等.基于MATLAB GUI的自动控制原理翻转实验教学研究[J].中国教育技术装备，2017，（06）：127-129.

[3]林琳，肖未初，贺建权，等.基于MATLAB的自动控制原理课虚拟实验研究[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2016，11（6）：76-78.

[4]李云海，林怀蔚.基于MATLAB/Simulink实验仿真平台的《自动控制原理》实验教学改革探析[J].人力资源管理，2015，（12）：199-200.

Designing and Development of Simulation Experiment Platform for Automatic Control Principle Based on Matlab

LUO Yan-hong，GUO Ting

（Electrical Engineering College of  Northwest University for Nationalities，Lanzhou，Gansu 730030，china）

Abstract：The principle of automatic control is a strong theoretical course.In order to help students further understand the course learning，some lessons of the experimentoften arearranged.Because of existing experimental environment usually confined to the test bench，the test bench often outdated，andfixed circuit being lack of flexibility，this articleintroduces and designsa set of the experiment simulationsystembased on Matlab GUI programming and Simulink，which it arranges experiments based on the course content and provides an intuitive graphical user interface.The results show that the designed system operation process is simple and intuitive，and it can effectively improve the student's ability to understand knowledge and stimulate students' learning interest.The system satisfies the requirements of teaching and researching.

Key words：Matlab;the principle of automatic control;GUI;Simulink

收稿日期：2019-09-27

基金项目：本文系西北民族大学2019年专业综合改革试点项目“自动控制原理模拟仿真实验系统的研究与设计”项目编号SYSKF-2019037的阶段性成果

作者简介：骆岩红（1973-），女，副教授，硕士，主要从事计算机图像处理研究;郭婷，女，本科生。