Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

本文建立了基于Matlab/Simulink的機械控制工程虛擬實驗平臺,通過廣泛應用于運輸車輛的液壓系統-電磁比例換向閥這一典型二階系統的單位階躍響應展示了實驗平臺采用的主要方法及實驗平臺的部分功能,結果表明該平臺具有靈活的擴展性,并且有助于開展個性化實驗,培養實驗者的創造性。

學術論壇

2008NO.24

SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION科技資訊

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統①

孟先新1喬文生2王麗君1

(1.華北水利水電學院鄭州450011;2.北京京航公司

北京

100076)

摘要:本文建立了基于Matlab/Simulink的機械控制工程虛擬實驗平臺,通過廣泛應用于運輸車輛的液壓系統-電磁比例換向閥這一典型二階系統的單位階躍響應展示了實驗平臺采用的主要方法及實驗平臺的部分功能,結果表明該平臺具有靈活的擴展性,并且有助于開展個性化實驗,培養實驗者的創造性。關鍵詞:Matlab虛擬實驗Simulink機械控制工程中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2008)08(c)-0177-02虛擬實驗是一種以計算機軟件代替真實實驗元件的新型實驗方法,這種試驗系統具有靈活的擴展性和重用性,并且有助于開展個性化實驗,培養實驗者的創造性。因此,大大拓展了傳統實驗的范疇,達到傳統儀器及實驗室無法比擬的效果。此外,該試驗系統具有交互界面友好、實驗形象直觀、操作靈活簡便、開發成本低廉和易于實現網絡化等優點。因而,逐漸受到人們的青睞。

Matlab語言具有計算功能強、交互性好、作圖簡便、易于建模與仿真等優點,廣泛地應用于數值計算、數理統計、自動控制、數字信號處理、模擬與數字通信和動態系統仿真等領域[1]。其功能強勁的自動控制工具箱,為機械控制虛擬實驗室的建設提供了良好的環境。

本文主要介紹了基于Matlab環境的控制虛擬實驗平臺的開發方法,并以常見的二階系統為例展示了實驗平臺的主要功能。

光標、菜單、單選按鈕、編輯框、靜態文本框、圖畫等構成。用戶通過一定的方法(如鼠標或鍵盤)選擇、激活這些圖形對象,使計算機動作來實現計算、繪圖等功能,另外這些界面還有操作互動功能,從一個界面可以方便的進入其它各界面,完整的再現實驗的全過程。

1實驗平臺的總體設計

本虛擬實驗室系統以MATLAB6.5為開發軟件,適用于機械控制工程的各個領域。一級模塊包含線性系統時域分析、線性系統頻域分析、線性系統誤差分析、線性系統穩定性分析、PID調節器分析、非線性系統分析、離散系統分析和狀態空間分析8個子系統[2],其主界面如圖1所示。實驗平臺的界面設計及制作主要借助了Matlab中的圖形用戶界面工具箱提供了各種圖形控制對象[3],如圖形窗口、菜單、對話框、按鈕及文本等,利用它們可以方便地設計出一個Windows風格的圖形用戶界面的外觀,然后針對不同的圖形對象來編寫M文件,確保這個圖形界面完成圖像繪制和數值計算。本實驗系統的源程序從主界面開始編寫,利用回調函數,用戶可以從主界面的菜單欄及按鈕來選擇實驗內容,進入下一級界面,完成實驗仿真類型。界面主要由窗口、

2線性系統的時域分析模塊

電磁比例換向閥具有簡單可靠、對油質污染不敏感、價格低廉、具有較大的功率重量比等特點,工藝性好,廣泛應用于各種運輸車輛的液壓系統。電磁比例換向閥閥芯位移

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

對輸入電流的傳遞函數如下:

(1)

顯然,這是一個典型的二階系統。下面以二階系統的標準形式為例,介紹實驗平臺的部分功能和仿真,結構框圖如圖2所示。

本實驗模塊首先通過編寫M文件的方法,以分別改變阻尼比ζ和無阻尼固有頻率ωn兩個參數的方式,

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

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研究了二階系統在輸入為單位

圖1虛擬實驗室主界面

圖2

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

二階系統的結構框圖

圖4仿真結構

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

圖5示波器輸出

圖3

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

改變阻尼比的實驗界面

①河南省教育廳自然科學研究資助項目(200510078007);華北水利水電學院

Matlab環境下的機械控制工程虛擬實驗系統

2004年青年科研基金資助項目。

(下轉228頁)

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