信号发生器的时域分析及球杆定位控制实验

1、工程控制综合实验部分一：测试部分-2部分二：控制部分-22综合实验总结-37 小组成员： 分工情况： 实验过程： 报告部分： 实验最终总结： 页面排版及目录： 部分一：信号发生器的时域分析一、时域分析的概念时域分析是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。在初值为零时，一般都利用传递函数进行研究，用传递函数间接的评价系统的性能指标。具体是根据闭环系统传递函数的极点和零点来分析系统的性能。此时也称为复频域分析。二

2、、什么是Simulink？Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包. 它让用户把精力从编程转向模型的构造.Simulink一个很大的优点是为用户省去了许多重复的代码编写工作.Simulink的启动。首先须确定MATLAB已安装了Simulink工具箱. 在工具栏点击Simulink图标: 或在Command Window中输入>>Simulink即出现Simulink Library Browser窗口: Simulink从中可看到Simulink基本模块库及其子库, 如Continuous, Discrete, Sinks, Sources等等.子库

3、Sources(信源)中存放了各种信号源, 如Clock(输出时间t), Constant(输出常数), Sine Wave(输出正弦波), Step(输出阶梯波)等等.子库Sinks(信宿)中存放对数据的处理装置, 如Display(显示数据), Scope(示波器), XY Graph(用图形显示两变量的函数关系), To File(存储到文件), To Workspace(存储到Workspace), Stop Simulation(停止模拟)等等. 子 库Continuous和Discrete分别存放连续离散的函数, 如连续函数有Derivative(求导), Integrator(积

4、分器), State-Space(状态空间), Transfer Fcn(传递函数)等等, 离散的Discrete Transfer Fcn(离散传递函数), Discrete Filter(离散滤波器), Discrete State-Space(离散状态空间)等等.在Simulink Library Browser窗口中, 建立一个新模型(new model), 即打开一个新的空白模型窗口, 用鼠标左键点取所需要的模块拖到模型窗口中, 用鼠标左键在模块间建立连接线(若在已有连接线上分叉则用右键)即可。三、数据采集程序设计S-Function概念： S-Function(System fun

5、ction)是simulink模块的计算机语言描述。可以用M、C/C+、Ada、Fortan语言以MEX（可执行文件，再windows系统中就是其为dll文件）的形式编写。S-Function以特殊的方式与simulink方程求解互交。这种互交和simulink内建模块的做法非常相似。S-Function模块可以是连续、离散或者混合系统。通过S-Function，用户可以将自己的模块加入simulink模型中。从而可以实现用户定义的算法或者与硬件设备交互等。S-Function 的工作机制m文件s-function可用的子函数说明如下：mdlInitializeSizes：定义s-functi

6、on模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。mdlDerivatives：计算连续状态变量的微分方程。mdlUpdate：更新离散状态、采样时间和主时间步的要求。mdlOutputs：计算s-function的输出。mdlGetTimeOfNextVarHit：计算下一个采样点的绝对时间，这个方法仅仅是在用户在mdlInitializeSizes 里说明了一个可变的离散采样时间。mdlTerminate：实现仿真任务必须的结束。概括说来，建立s-function可以分成两个分离的任务：初始化模块特性包括输入输出信号的宽度，离散连续状态的初始条件和采样时间。将算

7、法放到合适的s-function子函数中去。为了让Simulink识别出一个m文件s-function，用户必须在s-函数里提供有关s-函数的说明信息，包括采样时间、连续或者离散状态个数等初始条件。这一部分主要是在mdlInitializeSizes子函数里完成。Sizes数组是s-function函数信息的载体，它内部的字段意义为：NumContStates：连续状态的个数（状态向量连续部分的宽度）NumDiscStates：离散状态的个数（状态向量离散部分的宽度）NumOutputs： 输出变量的个数（输出向量的宽度）NumInputs：输入变量的个数（输入向量的宽度）DirFeedthr

8、ough：有无直接馈入NumSampleTimes：采样时间的个数S-function默认的4个输入参数为t、x、u和flag，它们的次序不能变动，代表的意义分别为：t：代表当前的仿真时间，这个输入参数通常用于决定下一个采样时刻，或者在多采样速率系统中，用来区分不同的采样时刻点，并据此进行不同的处理。x： 表示状态向量，这个参数是必须的，甚至在系统中不存在状态时也是如此。它具有很灵活的运用。u：表示输入向量。flag：是一个控制在每一个仿真阶段调用哪一个子函数的参数，由Simulink在调用时自动取值。S-function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，它们的次序不能变动，代表

9、的意义分别为：sys：是一个通用的返回参数，它所返回值的意义取决于flag的值。x0： 是初始的状态值（没有状态时是一个空矩阵），这个返回参数只在flag值为0时才有效，其他时候都会被忽略。str：这个参数没有什么意义，是MathWorks公司为将来的应用保留的，m文件s-function必须把它设为空矩阵。ts：是一个m×2的矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。利用S-Function模版创建dll1、 新建一个文件夹设置工作目录2、 打开matlab3、 生成S-function源文件#define S_FUNCTION_NAME lxy4、 生成动态链接库5、 在simu

10、link窗口下，新建一个mdl文件，向其中添加一个S-function模块，双击模块将其中的S-function的name改为dll文件的名字。6、 添加常数项和to workspace项输入输出设置及采集编程Lxy.cpp文件重要解释：#define S_FUNCTION_NAME lxy#define S_FUNCTION_LEVEL 2%将S_FUNCTION的名字和FUNCTION名字改为一致，这样生成一个基本的S_FUNCTIO的文件。#include "simstruc.h"#include "abc.h"double buffer5000;

11、double buffer15000;int pnum;char ch8;%定义全局变量：建立两个通道的数据缓存buffer，读取指数指针数和8通道2进制表示值 if (!ssSetNumInputPorts(S, 3) return; ssSetInputPortWidth(S, 0, 1);ssSetInputPortRequiredContiguous(S, 0, true); ssSetInputPortWidth(S,1,1); ssSetInputPortRequiredContiguous(S,1,true); ssSetInputPortWidth(S,2,1); ssSetI

12、nputPortRequiredContiguous(S,2,true); ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 1); ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 1, 1); ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 2, 1);%设置3个输入通道，函数解释Void ssSetNumInputPorts（）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s），第二个参数为设置有几个输入通道Void ssSetInputPortWidth（）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s）

13、，第二个为接口的编号（从0开始，有几个端口就到几，比如3个输入端口就只能用0、1、2），第三个参数是第二个所指定的借口的宽度Void ssSetInputPortDirectFeedThrough（）函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s）第二个参数是借口的编号，第三个参数是用于指定借口的输入数据是否能在mdlOutputs或者mdlgettimeofnextvarhit中调用，0不是不能调用，1不是能调用，1表示能调用。若两个输出的调整可按输入的调整方式进行 if (!ssSetNumOutputPorts(S, 1) return; ssSetOutputPortWidth

14、(S, 0, 1); ssSetNumSampleTimes(S, 1); ssSetNumRWork(S, 0); ssSetNumIWork(S, 0); ssSetNumPWork(S, 0); ssSetNumModes(S, 0); ssSetNumNonsampledZCs(S, 0);%设置一个输出端口，函数说明Void ssSetNumOutputPorts(S, 1) 函数第一个参数为模块的一个数据结构（一般不用改，值是s） ，第二个参数设置输出端口数。double Fs=u0; /采样频率 if( ADCardInit() != 1 ) /采集卡初始化 ssSetError

15、Status(S,"Can't find the DAQCard!"); DAQ1(0x10, Fs, 1024*4 , buffer);/开启采集Fs=5000 pnum=0;/初始化buf指针位置 函数解释：ADCardInit（）是采集卡dll函数，作用是初始化采集卡，作用是初始化采集卡。如果初始化成功则返回1，用于判断是否连上采集卡。DAQ1()函数为采集卡dll单通道采样函数， 作用是采集卡进行单通道数据采集。参数1为采样通道，是以8为2进制数表示各个通道是否打开。我们选择的是通道5对应关系为0*10.static void mdlOutputs(SimS

16、truct *S, int_T tid) int Length=1024*4;/读取的buffer长度 ReadDaq(5,Length, buffer);/从采集卡读取buffer real_T *y = ssGetOutputPortRealSignal(S,0);/获取输出指针 if( pnum >= Length ) pnum=0;/判断指针是否已满 *y = bufferpnum;/输出第pnum个点的值 pnum+;/指针加1 %函数ReadDaq（）作用事故读取下位机buf里的采样数据参数1为通道号，分别为18参数2为buffer长度；参数3为保存的buffer指针。GUI

17、设计实验内容：两个m文件1、UI.m%负责设计界面的m文件clf resetset(gcf,'menubar','none')set(gcf,'unit','normalized','position',0.2,0.2,0.5,0.35);set(gcf,'defaultuicontrolunits','normalized');%设置用户缺省控件单位属性值h_axes1=axes('position',0.05,0.2,0.6,0.6); hpush1=uicont

18、rol(gcf,'Style','push',.%制作“采集”按钮 'position',0.8,0.25,0.18,0.15,'string','采集'); hpush2=uicontrol(gcf,'Style','push',.%制作“停止”按钮 'position',0.8,0.05,0.18,0.15,'string','停止');max_data=uicontrol(gcf,'Style','text

19、',. 'position',0.8,0.9,0.1,0.05,'string',maxa);%设置最大值数值的位置texta=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.7,0.9,0.1,0.05,'string','峰 值：');%设置峰 值文本框位置mean_data=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.8,0.8,0.1,0

20、.05,'string',meana); %设置峰 值文本框位置texta=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.7,0.8,0.1,0.05,'string','均 值：'); %设置峰 值文本框位置min_data=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.8,0.7,0.1,0.05,'string',peak); %设置peak数值文

21、本框位置texta=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.7,0.7,0.1,0.05,'string','峰峰值：'); %设置峰峰值文本框位置std_data=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.8,0.6,0.1,0.05,'string',stda); %设置均方差数值文本框位置texta=uicontrol(gcf,'Style

22、9;,'text',. 'position',0.7,0.6,0.1,0.05,'string','均方差：'); %设置均方差文本框位置sqrt_data=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.8,0.5,0.1,0.05,'string',ev);texta=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.7,0.5,0.1,0

23、.05,'string','有效值：'); %设置有效值文本框位置set(hpush1,'callback',. 'set_param(''ypx'',''SimulationCommand'',''start''),',. 't=timer(''TimerFcn'',''getdata'',''Period'',2,'

24、9;ExecutionMode'',''fixedSpacing'',''TasksToExecute'',inf),',.%设置定时器，运行getdata文件，与上面是一行。'pause(2);start(t);',.% 暂停2秒并启动定时器);%“停止”按键引起的回调%set(hpush1,'callback', 'getdata');hpush2=uicontrol(gcf,'Style','push',. 'po

25、sition',0.8,0.05,0.18,0.15,'string','停止');%制作“停止”按钮set(hpush2,'callback','stop(t);set_param(''ypx'',''SimulationCommand'',''stop'');');%停止定时器 ，mdl文件停止运行。函数说明：例如：mean_data=uicontrol(gcf,'Style','text',

26、. 'position',0.8,0.8,0.1,0.05,'string',meana);mean_data代表一个句柄的名称uicontrol： uicontrol 创建用户界面控件对象gcf,'Style','text', 'position'都是其中的属性，其中'text'创建静态文本控件2、Getdata.m文件%编程得到数据set_param('ypx','SimulationCommand','stop');设置停止y

27、y=evalin('base','ydata.signals.values');%从mdl文件中取出信号y1=yy(1:800);axes(h_axes1);%句柄plot(y1);%画图maxa=max(y1);%求峰值mina=min(y1);%求最小值peak=maxa-mina;%求峰峰值meana=mean(y1);%求均值ev=maxa*0.707；%求三角函数的有效值set_param('ypx','SimulationCommand','start');频率： 91.32Hz 峰峰值7.7v频率：

28、33.04Hz 峰峰值2.5v频率：38.41Hz 峰峰值2.5v频率：71.6Hz 峰峰值8.1v频率：162.31 Hz 峰峰值7.7v频率： 367.66Hz 峰峰值2.2v 测试感想： 部分二：球杆定位控制系统实验整个球杆机构一共由以下几个部件组成：连杆机构及其相应的电器驱动、传感部分等。工作流程是通过电机驱动，带动连杆运动，改变球杆所在的滑到的倾斜角度，使钢球在重力的作用下沿着滑到运动。本实验内容是详细的了解系统的结构，关键部件，并联机测试各个部件工作是否正常。由机械建模可以得到实际上球杆系系统是一个二阶系统。经过理论的数学分析和推到之后开始进行matlab 的仿真实验，步骤大致可以

29、列为：1）连接球杆定位系统和电源线，通讯线以及电源箱。2）接通电源打开测试软件，并运行matlab软件，在观察完QGTEST.MDL之后对速度，加速度，各个位置在scolp上面的显示之后开始自己的自主实验。自主实验共有Move_Abs、Get_AD、stop and servo的创立。其中Move_Abs是用来改变输入的常量，即曲柄的运动速度、加速度、最终停留位置的，Get_AD是用来采集小球在球杆上面的数据的，stop and servo是伺服控制，此次实验的目的是根据球杆系统的模型，建立使用PID控制器，控制球在球杆某位置的simulink控制模型，即在控制面板上面输入预期要求小球达到的位

30、置，然后小球在球杆的控制下面达到指定的位置并且保持稳定的效果。以下为我们组搭载的simulink界面，基本与已给出的QGTEST一致：（1）Move_Abs界面：（2）Get_AD界面：（3） untitled/Unable Subsystem:(4) untitled/Unable Subsystem/Subsystem: 以上为几个模块的制作界面，下面说明我们制作整个实验的经历和过程： 首先根据指导书上的过程，我们搭建了指定的Move_Abs、Get_AD、stop and servo，然后再在untitled/Unable Subsystem中创建五个输出的选项，分别为：Kp Ki Kd

31、 T U. 查阅机械工程控制基础方面的书籍中关于PID调节的内容，我们知道了PID调节器的控制作用有以下几点： （1）比例系数Kp直接决定控制作用的强弱，加大Kp可以减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但是Kp过大会使动态质量变坏，引起被控制量震荡甚至导致闭环系统不稳定。 （2）在比例调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，直到积分为零，控制作用才停止。但是将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用使系统的超调量增大，从而使系统的稳定性变坏。 （3）微分的控制作用是跟偏差的变化速度有关的。微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定，并能加

32、快系统的响应速度，减少调整时间，从而改善了系统的动态性能。微分作用的不足之处是放大了噪声信号。 所以我们的目标就是尽可能的让Kp Ki Kd 较大，这样可以是信号的图像更加稳定。实验过程中遇到的问题以及解决的办法： 实验的过程并不是很顺利，在一开始的时候甚至连球杆定位系统的调整支架都只能转动一圈，无论如调整untitled/Unable Subsystem中的Kp Ki Kd T U五个参数都不能使出来的函数图象有任何的改变，一直都是只转动一圈然后就不停的抖动和微调，第一节课就在这样的过程中失败的度过。 第二节课的时候还是按照之前的办法，将matlab打开，然后打开先前保存过得文件夹，将里面的

33、MDL文件都打开，结果发现之前的问题出在根本没有封装untitled/Unable Subsystem，所以里面的数据都无法运行，所以肯定电机无法正常的运转，这次封装之后又发现一个问题，就是在右键untitled/Unable Subsystem的look under mask 发现里面的3个gain上面显示的是具体的某一个数字，而不是应该有的"T"、“Kp”、“Kd/T”，这样导致的结果是外层的那几个Kp Ki Kd T U的数据具体的设置是没有用的，因为输入的数据是无法被系统读取的，所以我们将子系统简图重新检查并且改良，之后确定封装之后就可以看到改变Kp Ki Kd T

34、 U的某一参数之后图像会有明显的变化，在后面会截图展示我们对数据的调试的过程和图形的变化。 还有一个很愚蠢的问题，就是T的设置，我们开始的时候将T当做一个变量去设置，没出一组参数就改一个T变量。但是后来才知道T=0.02.否则数据调不出来，所以绕了很多弯路，但是结果是好的，最终我们调处了理想的效果，而且精确度比较高。 附：matlab界面数据调试和函数结果曲线图。 （1） Kp=20 Ki=1 Kd=5 T=0.02 U=1000 ball setting pos=100.（2）Kp=20 Ki=1 Kd=5 T=0.02 U=1000 ball setting pos=200.（3）Kp=2

35、0 Ki=1 Kd=5 T=0.02 U=1000 ball setting pos=300.（4）Kp=20 Ki=8 Kd=5 T=0.02 U=1000 ball setting pos=300.（5）Kp=20 Ki=8 Kd=30 T=0.02 U=1000 ball setting pos=300.（6）Kp=20 Ki=15 Kd=30 T=0.02 U=1000 ball setting pos=300.（7）Kp=50 Ki=1 Kd=5 T=0.02U=1000 ballsetting pos=（8）Kp=20 Ki=1 Kd=5 T=0.02 U=100 ball setting pos=100.如上图我们将实验中的三个特征点100,200，300都用装置找到精确的位置，分别是第（1）（2）（3）个图，然后分别用控制变量法将Kp Ki Kd分别变化然后看图像的变化，发现比例系数、微分系数、积分系数都要在允许的范围之内越大越好，这样可以是图形的波动变少，稳定性变强。还有T和U的改变对结果的影响都可以从截取的东西里面得到。还有就是在实验的过程中要保持速度，加速度的取值不变，分别为20m/s 和5m/s2.关键程序代码及其解释：InitIPM_RAM.cpp:mdlInitializeSize:初始化S-FUNCTION参数，初始化输入端口，初始化输出端端口。m