机电控制系统CAMECSD使用说明

1、机电控制系统 CAMECSV1.2)教学示范软件包说明为了配合本课程的教学及实验，我们设计和编制了机电控制系统CAMECSD(V1.2教学示范软件包。该软件包主要针对机电类本科及研究生专业的教学需要，并兼顾电类、自动 化类本科专业的要求，使学生通过该软件的上机实验，加深对所学控制理论的理解，提高学 习效率。另一方面，该软件也可以作为对控制系统进行辅助分析、设计及仿真的工具，以获 得校正装置或控制器的设计参数。1功能介绍CAMECS教学示范软件包主要具有以下功能：(1) 经典控制系统的时域、频域分析和滯后-超前校正器设计；(2) 离散控制系统的分析和数字滯后-超前校正器设计；(3) 线性控制系统

2、的状态空间分析与状态观测器-控制器设计；(4) 线性离散控制系统的状态空间分析；(5) 线性控制系统的系统识别与校正。2操作指导CAMECSD教学示范软件包是使用 MATLAB5.3编制的，所以应在 MATLAB5.3以上的版本中 使用。整个CAMECS教学示范软件包存储在名为main的子目录中，使用者可以将其存放在MATLAB勺toolbox中，作为一个 CAMECS教学示范软件工具箱来使用，并在Path Browser中将软件包的路径设置好，方可使用。启动过程：在 MATLAB勺命令窗口下，输入 main并回车，屏幕显示出一个人机界面，如 图1。然后用鼠标点击0K图标，进入图2的用户登录对

3、话框，口令为：tale nt。图1启动图标，用户登录若口令输入不正确，将出现一个提示框， 在提示框中按0K图标返回用户登录对话框。 当连续3次输入错误的口令，自动退出系统。 如果口令正确，即可在用户登录对话框中按 下0K标，进入CAMECS教学示范软件包 的主画面，如图3所示。图中有8个下拉主 菜单，它们分别是：文件、模型、分析、设 计、识别模型选择、模型验证与仿真、 Simulink仿真、系统。第一次进入，仅激活 文件、Simulink仿真和系统3个下拉菜单， 其他菜单根据使用情况分别予以激活。Ok图2用户登录（口令：talent）-机对话框中进行，易于掌握,典电控制系魏设计CA1即SD 翼

4、沁盘遛慎軽騎文件連）图3 CAMECSD教学示范软件人机界面CAMECS教学示范软件包所有功能的操作都是在良好的人 本小节只对基本功能的操作做简单的介绍。2.1模型参数的输入与修改2.1.1前向通道传递函数的录入用鼠标点击 文件出现一个下拉菜单，前向通道传递函数准备为其中一个子菜单，点击前向通道传递函数准备，出现图4的人机界面，其功能是将2个以上串联的传递函数组合成图4前向通道传递函数一个传递函数，并作为连续系统或离散控制系统中连续部分的前向传递函数。其操作方法是：将G1(s)和G2(s)的传递函数的 MATLAB表达输入到相对应的中，其数据表达的含义与 MATLAB1立系统的传递函数一致，女

5、口s2 5s 3，则输入1 ,5，3，对其他的传递函数对话框也是如此。如果在图4的对话中用鼠标点击 求解G(s) 键，则G1(s)*G2(s)的结果显示在G(s)的显示框中。若点击G(s)传递给G1(s)并重构G2(s) 键，则G1(s)*G2(s)的结果显示 在G1(s)的显示框中。重复上面的操作，可以完成多个传递函数的串联。若分别点击下面两个按键，则分别将计算结果作为连续系统或离散控制系统中连续部分的前向传递函数。2.1.2连续控制系统传递函数的录入与修改用鼠标点击文件下拉菜单中的新建模型子菜单的系统传递函数，得到图5的连续系统传递函数对话框，图下面有 4个按钮，对于无反馈，只组成开环的传

6、递函数，只有前向通道的 传递函数有效，但对后面的系统分析来说，自动组成单位负反馈系统。对于有反馈的选择，可选正反馈或负反馈，自动组成开环传递函数和闭环传递函数，以供分析和设计。按下0K图标，自动激活相关的系统分析和设计的子菜单。对于位于模型的下拉菜单中的传递函数修改功能，选择修改系统传递函数功能即可出现其对话框，操作过程和传递函数输入相类似。图5中还有一个离散化的图标，鼠标点击后出现一个传递函数离散化的对话框，只要在输入采样周期框中输入 T值，按下框中离散化图标，即完成对连续系统传递函数的离散化， 得到脉冲传递函数对话框。按下Z域分析图标，即可激活离散系统分析的相关子菜单。M反馈系统之前向通道

7、传递函数及反馈回路传递函数.c无反&a有反遛r正反憧p负反馆Ok |富散让 |Cancel图5传递函数输入2.1.3离散控制系统的传递函数的录入和修改离散控制系统的传递函数输入菜单也是在文件下拉菜单中，并由多个子项目组成，其中脉冲传递函数输入操作方法与前述方法类似，如图6所示，激活Z域的系统分析。#离散系统之前问诵道脉冲传递國数及反馈冋路脉冲传诵雷数-艮塩惟质确定:r无反嵋席有反馈r正反谟拧负反馋k连披化匚加图6脉冲传递函数输入该对话框中有1个连续化图标，完成脉冲传递函数连续化转换的操作过程，在按下 连续化图标之后的对话框的引导下予以实现，同样也激活连续系统分析相对应的子菜单。离散控制系统传递

8、函数的输入对话框如图 7所示，图中在分析域确定一栏中有 3个 系统分析和设计的 3种类型：Z域分析，S域分析和 W域分析。系统结构和教材图 7.5.8 致。选择其中任一种系统分析方法，将激活系统分析的相应的子菜单。采朋冏期T:反馋性质碑定:井折域雀定:前向迪道传递函数Gh(对分子:前向通追传递函数日h便附母反锻E賂传谨诫毅H崗井子:r正反馈(T负反惯广5坯井折C W域分析Cancel图7离散系统传递函数同样离散控制系统传递函数的修改也位于模型的下拉菜单中。软件包中还有连续和离散控制系统的状态方程输入和修改对话框，其操作在对话框的引导下易于掌握，但注意目前只适应于SISO系统。2.1.4 系统识

9、别对象参数的录入系统识别对象参数输入菜单在文件下拉菜单中，含有一个演示数据输入子菜单，如果这一项被选择，相关的菜单被激活，选择识别的方法之后，可以进行分析和校正。识别对象输入输出参数录入对话框如图8所示，其相邻2个数据应空一格或用逗号分隔，u和y的参数个数要相等，且一一对应。点击输入u输出y参数个数统计按键，将显示2个参数输入的个数，并将数据的采样周期输入到所对应的框中，然后按下OK键，即可激活相关的菜单。选择识别的方法后，便可进行系统分析与校正。，单输入单输出辩识对象输入口输出y数据输入窗xl坍识时魯銅九u熬屉愉瓦辭出y参魏僚班片QKCancel图8识别对象输入输岀参数录入对话2.2各种系统

10、模型信息各种模型信息在模型下拉菜单中，分为连续控制系统模型和离散控制系统模型，根 据录入系统的模型分别予以激活。其模型主要有：开环和闭环传递函数，状态方程、开环和 闭环的标准型，即 Jordan、能控、能观、零极点、最小传递函数和最小状态方程等标准型。 使用者只要用鼠标点击相对应的菜单即可。2.3系统性能分析系统分析部分可以对已校正的系统进行仿真，得到仿真曲线的图形、稳态性能和动态性 能指标，也可以对未校正的系统进行仿真和获得相关的参数，以便于校正装置或控制器的设 计。系统分析的菜单分为连续和离散两部分，根据不同的系统分别予以激活。2.3.1系统的基本性能系统的基本性能主要有闭环系统的稳定性、

11、开环和闭环的零极点分布、系统根轨迹、系统开环和闭环的能控、能观性的判断等，使用者用鼠标点击相对应的菜单，即可出现相关的 说明和图形，2.3.2系统的频域分析频域分析的Bode图分为开环和闭环两部分。对于稳定的系统，不但绘出Bode图的精确幅频特性曲线，而且绘出其渐近线，还设置了读取系统幅值欲度、相角欲度、截止频率等参数的按键。对于不稳定的系统， 将绘出精确的 Bode图，并给出LTI View Bode图。在LTI View Bode 图中，用鼠标右键设置网格，用左键在幅值曲线过Odb的焦点点击，可读出截止频率。在相频曲线上，用左键点击截止频率的曲线点，得到相角的滞后频率，其值减-180 ，得

12、负的相位欲度。然后在相频曲线上，用左键点击大约为-180曲线点，确定其频率值。点击该频率处的幅值曲线上的点，得到负的幅值欲度。2.3.3系统的时域响应对于稳定的系统，其阶跃响应图中的系统闭环系统时域响应也分为连续和离散两部分,下面，设置了 5个按键，分别为稳态终值、上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量 Mp和调节时间ts，误差带内部设置为土 2%急态终值。对于不稳定的系统，仅给出响应图形。2.4系统识别模型的选择系统识别部分有4种模型选择：AR模型、ARX模型、ARMA)模型和BJ模型。每一种模 型都有选择对话框，使用者可按需要选择适当的模型进行识别。根据识别对象的输入和输出数据，通过识别可

13、以得到相关的模型，并将模型转换为传递函数或状态空间模型。激活相关 的菜单，可对识别得到的模型进行仿真。2.4.1 AR 模型AR模型具有如下的形式：A(q)y(t) =e(t)其中，y(t)为系统的输出，e(t)为白噪声输入信号，A(q)定义为：12nA(q) =1a2q 亠 亠 anq在AR模型识别对话框中，只要输入识别阶数n的参数即可。2.4.2 ARX 模型ARX模型具有如下的形式：A(q)y(t) =B(q)u(t -nk) e(t)其中，y(t)为系统的输出，e(t)为白噪声输入信号，nk为纯延时。A(q)定义为：A(q) =1 a1q 4 a2q，亠 亠anaqaB(q)定义为：B

14、(q) =1 b1q J b2q 亠 亠bnbq Jlb在ARX模型识别对话框中，只要输入识别阶数na、nb和纯延时参数nk即可。2.4.3 ARMAX 模型ARMA濮型具有如下的形式：A(q)y(t) =qkB(q)u(t) C(q)e(t)其中，y(t)为系统的输出，e(t)为白噪声输入信号，nk为纯延时。A(q)定义为：A(q) =1 a1q 4 a2qanaqaB(q)定义为：B(q) =1 b1qb2q 亠 亠bnbq *bB(q)定义为：C(q) =1 - C1q 4 qq* 亠亠Cncq 比在ARMA濮型识别对话框中，需要输入识别阶数na、nb、nc和纯延时参数nk即可。2.4.

15、4 BJ 模型BJ模型具有如下的形式：y(t) =B(q) u(t-nk) +C(q) e(t)F(q)D(q)其中，y(t)为系统的输出，e(t)为白噪声输入信号，nk为纯延时。B(q)定义为：B(q) =1bq，b2q bnbq*bC(q)定义为：C(q) =1C1q，C2q 絃 Ccq*cD(q)定义为：D(q)=1 ded2q亠：；汕d nd qd F (q)定义为：F (q) =1 q f2q，亠亠 fnf q 在ARX模型识别对话框中，只要输入识别阶数nb、nc、nd、nf和纯延时参数nk即可。245模型验证与仿真ARX模型、ARMA濮型和BJ模型识别可以分别激活相对应的模型验证部

16、分的子菜单，如选择ARX模型验证，其对话框如图 9所示。用鼠标点击其中任一项，将显示出相关性能的图 形与简单的图形说明。图9 ARX模型验证2.5系统的辅助设计2.5.1状态控制器设计状态控制器设计是基于状态空间极点配置的原理，针对开环(而不是闭环)状态空间模型，所给出的期望闭环极点，得出反馈增益矩阵K加入反馈增益矩阵 K后的闭环系统状态空间模型及闭环传递函数等。人机对话框如图10所示。图中当前系统状态空间指开环状态空间模型。首先在 输入反图10状态控制器设计对话框馈后系统希望的闭环极点为：一栏中输入所期望的闭环极点，注意极点的个数必须和 AK的阶次n相同，如果选择的极点为复数，必须为一对共轭

17、复数。 对话框的右边有7个功能按键，所期望的闭环极点录入之后，第一步按下求状态反馈向量 K功能键，则其他 6个功能键被激活，按下相关的功能键，即可得到系统的参数、响应图形或退出该对话框。2.5.2状态观测器设计状态观测器的设计操作过程基本上和状态控制器类似，仍针对开环状态空间模型，给出系统配置的闭环极点，得出观测器反馈增益矩阵L,加入反馈增益矩阵 L后的系统闭环状态空间模型及闭环传递函数等。对话框如图11所示：首先在 输入系统希望观测器极点为：一栏中输入所期望的观测器极点，注意极点的个数必须和AK的阶次n相同，如果选择的极点为复数，必须为一对共轭复数。对话框的右边有7个功能按键，所期望的观测器

18、极点录入之后，第一步按下 求观测器向量L功能键，则其他6个功能键被激活，按下相关的功能键， 即可得到系统的参数、响应图形或退出该对话框。2.5.3 最优控制器设计最优控制器设计是基于连续系统的二次型最优控制，并采用Liapunov第二方法的求解方法。设线性定常系统的状态方程为x = Ax Bu式中，x为n维状态矢量，u为r维控制向量； A为n*n维常量矩阵，并假定控制矢量u不”观测器设计:求给定状态观测器极点的増益向量LA:|1 0L0I|Bl1J0|C:11D:|0| |省切系铁状春空间;当前簾做的幵坏按点0PI I辅入乘统時蔭现测器股点为：累执!的惜益L.为L:反馈后益统状态空问扛BC:D

19、:反憊后系咬桂递函数分于:图11状态观测器对话框受约束。二次型性能指标为t f: 11J 二 L(x,u)dt (xQx uRu)dtt02 to2 to式中，L(x,u)为x和u的二次型函数。可以证明，由此可导出线性控制率为u=-Kx具体二次型性能指标如下：J 二(xQx uRu)dtt0式中，Q为n*n维半正定实对称常数矩阵；R为r*r维正实对称矩阵。在最优控制器设计的对话框图12中，图中当前系统状态空间仍指开环状态空间模型，其他操作方法与状态控制器设计类似。2.5.4模拟滞后一超前校正器设计模拟超前一滞后校正控制器设计分为按时域指标设计和按频域指标设计两种方法。图1713是其对话框，当进

20、入模拟超前-滞后校正设计时，软件包将自动地把当前未校正的系统闭 环特性性能指标在对话框中显示出来，并将未校正系统的开环传递函数显示出来。使用者根据需要在校正器输入选择栏中选定给定时域 或给定频域 中的一项，并将所期望的指标图12最优控制器设计对话框图13连续控制系统滞后一超前校正器设计对话框输入到所对应的录入框中即可。对话框中的右边有 7个功能键，用鼠标点击相关的键，可以得到滞后一超前校正器的参数和一些性能参数。退出对话框可以返回软件包主画面，可以对校正后的系统性能作时域和频域分析。图13中按时域指标给出系统校正的指标，先按下求希望的闭环阻尼系数Z ，得到Z值和相位裕量丫( 3 eg)值；然后按下 求希望的自然振荡频率Wn,求得穿越频