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SISOTOOL在自动控制实验教学中的应用
资料介绍
[摘要]sisotod是MATLAB中一个图形用户界面的设计工具，可用来分析和调整SISO反馈控制系统。
文中介绍了MATLAB75中的控制系统工具箱所提供的isotod，并用该工具设计了控制器。导入系统的模型后就能自动显示根轨迹图和伯德图，用鼠标可以直接对屏幕上的对象进行操作，并且与sisotod动态连接的可视分析工具LTlviewer马上显示出设计结果，从而实现了自动控制实验教学中的控制系统的设计与仿真的可视化操作。实例表明，sisotoo使得控制系统的设计变得更简便、更直观，给自动控制实验教学带来更高的效率和更好的质量。
[关键词]自动控制；SISOTOOL实验教学；设计；可视化
一、引言
由于自动控制原理课程理论性强且对学生数学基础要求较高，所以枯燥抽象一直是这门课的特点。而目前的教学手段往往是讲课+黑板式或用Power Point代替黑板的作用，实验也不多，学生学习起来感到抽象，基础论理论与实际脱节较突出。在教学思想上往往注重知识的传授，对学生素质的提高和应用能力的培养重视不够。自动控制原理#课程控制理论的基本内容主要讲授以传递函数为基础的经典控制理论。经典控制系统是指单输入单输出（SISO）系统，有两种基本设计方法：频率法和根轨迹法。用这两种方法设计经典控制系统的过程可以看成是一种试凑和循环的过程，根据系统的性能指标要求，加入适当的控制器，反复调整控制器的参数直到系统满足要求为止。在这个过程中，往往涉及到各种方法的绘图和复杂的计算，用传统的手工绘图方法，工作量很大，不仅费时、费力，而且常常达不到预期效果。
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（完整内容请下载后查看）第 9卷第 1 期
2009年 3月
湖 南 涉 外 经 济 学 院 学 报
Vol 9 N o 1
M ar 2009
Journal of H unan In ternationa l Econom ics Un iversity
SI SOTOOL在自动控制实验教学中的应用
王景芳, 梁 欣
(湖南涉外经济学院 , 湖南 长沙
410205)
[ 摘 要 ]
sisotool是 M ATLAB 中一 个图 形用户 界面 的设计 工具, 可用来 分析和 调整 SISO反馈控 制系 统。
文中介绍了 MATLAB7 5中的控制系统工具箱所提 供的 isotool, 并用该工 具设计 了控制 器。导入系 统的模 型后就
能自动显示根轨迹图和伯德图 , 用鼠标可 以直接 对屏幕 上的对象 进行操 作, 并且 与 sisotool动态连 接的可 视分析
工具 LTIv iewer马上显 示出设 计结果 , 从而实现 了自动 控制实 验教学 中的控制 系统的 设计与 仿真的 可视化 操作。
实例表明 , sisotool使得控制系统的设计 变得更 简便、更直 观, 给自 动控 制实 验教学 带来 更高的 效率 和更 好的质
量。
[ 关键词 ] 自动控制 ; SISOTOO;L 实验教学 ; 设计; 可视化
Applicati on of SI SOTOOL in the Teachi ng of Autocontrol Experim ent
WANG J in- fang, LI ANG X in
(H unan InternationalE conomicsU niversity, Changsha 410205, Ch ina)
Abstrac t: SISOTool is a design tool of graphical user interface used to analyze and adjust SISO feedback control sys
tem. The essay introducedSISO tool offeredby control system toolbox inM ATLAB7. 5 and designed a controller w ith this
tool. W ith the SISO tool, root locusd iagram and Bode diagramw ill display automatically by importing the system smode;l
theobject on the screencan be operateddirectly with am ouse; and the visib ility analysis tool LTI viewer! wh ich is dynami
cally linked w ith SISO Tool, can d isplay the result of the design mi m ediately. Thus it achievedthe control system s design
andv isible operation in the teaching of autocontrol expermi en.t The example shows that SISOtool makes the control systme s
design more smi p ly and more straightforw ard, so the teaching of autocontrol expermi ent becomesm ore efficient with h igher
quality.
K ey w ords: autocontrol; SISOTOOL; expermi ent teaching; design; visualization
统满足要求为止。在这个过程中 , 往往涉及到各种方法的
一、引言
绘图和复杂的计算 , 用传统的手工绘图方法 , 工作量很大 ,
由于 ?自动控制原理 #课程理论性强且对学生数学基
础要求较高 , 所以枯燥抽象一直是这门课的特点。而目前
的教学手段往往是讲课 + 黑板式或用 Power Point代替黑
板的作用 , 实验也不多 , 学生学习起来感到抽象 , 基础论理
论与实际脱节较突出。在教学思想上往往注重知识的传
授, 对学生素质的提高和应用能力的培养重视不够。
不仅费时、费力, 而且常常达不到预期效果。后来人们逐
渐利用计算机采用 Basic、Fortran、Pascal和 C 高级语言编
程进行控制系统计算机辅助设计 , 但编制与调试程序既花
费很多的时间 , 又难以得到满意效果。目前适用于控制系
统计算机辅助设计的软件很多 , 在众多的软件包中 , MAT
LAB 以其模块化的计算方法 , 可视化与智能化的人机交互
功能, 丰富的矩阵运算、图形绘制、数据处理函数等 , 成为
?自动控制原理 #课程控制理论的基本内容主要讲授
以传递函数为基础的 经典控制理论 ! 。经典控制系统是
指单输入单输出 ( SISO )系统, 有两种基本设计方法 : 频率
法和根轨迹法。用这两种方法设计经典控制系统的过程
可以看成是一种试凑和循环的过程 , 根据系统的性能指标
要求, 加入适当的控制器 , 反复调整控制器的参数直到系
[ 1]
控制系统分析、设计和仿真领域最受欢迎的软件系统。
2000年 M athW orks公司 推出的 MATLAB6 0中的 控制系
统工具箱 ( Control Systme Toolbox V5 0) 开始提供可视工
具 sisotool,为经典控制系统的设计和分析提供了一个交互
式环境。本文 用 M athW orks公司 正式 推出 的最 新版 本
[ 收稿日期 ] 2008- 11- 23
[ 作者简介 ] 王景芳 ( 1957- ), 男, 湖南临湘人 , 湖南涉外经济学院电气与信息工程学部教授级高级工程师。
13
开状态时, Gc( s) = 5; 开关 QS处于闭合状态时 ,
MATLAB7 5中的控制系统工具箱所提供的可视工具
siso
tool设计了经典控制系统进行 ?自动控制原理 #的实验教
学, 提高学生学习该课的积极性 , 培养学生动脑与动手应
用能力 ; sisotoo可l 视界面上通过鼠标的操作 , 直观、方便、
高效地设计出高性能的控制系统。
s( s+ 1)
Gc( s) =
( 6 s+ 1)
下面是用可视工具
sisotool设计串 联滞后校正 的步
骤:
1 建立串 联滞 后校 正的 开环 传递 函数。在 MAT
二、可视工具 sisotool简介
LAB7 5的命令窗口内输入下列语句 :
Go= tf 10, conv([ 0 05 1 0], [ 0 1 1] )
sisotool是 MATLAB 中一个图形用户界面 ( GUI) 的设
计工具 , 可用来分析和调整 SISO 反馈控制系统。它能用
根轨迹图 /伯德 ( Bode)图进行控制器的设计。由于它采用
了 GUI, 摒弃了以往在命令行方式下需记忆大量的操作命
2 在命令窗口输入命令
sisotool打开一个
SISO de
signTool! 的 GU I窗口。点击。
3 导入系统各 个环节 的模型。点击
F ile! 菜单 的
Import! 进入 System Data窗体, 点击 System D ata函数选
项第一行 G, 再击 browse浏览进入 M odel Import窗体, 找到
命令窗的传递函数 G o, 先击 Import,再击 Close返回, 再击
OK导入对象的模型 Go, 出现如图 3 所示的画面 , 图形区
令, 用户无需从键盘输入许多操作命令
, 导入系统各个环
, 用鼠标可以
节的模型后就能自动显示根轨迹图和伯德图
直接对屏幕上的对象进行操作 , 如: 加入控制器 ( compen
sator),加入预滤波器 ( prefilter), 在根轨迹图或伯德图上
拖动控制器的零、 极点等 , 则在与 SISOTOOL动态连接的
可视分析工具 LTIviewer上可以立刻显示出设计结果。设
计者可以一边看闭环响应 , 一边调整控制器的增益、 极点
[4]
出现的是此时系统的根轨迹图和开环伯德图。
[ 2]
和零点 , 直到设计出满足要求的控制器为止。
三、自动控制设计和实验仿真实例
控制系统串联校正 :
实验目的
( 1)理解串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的
影响。
( 2)熟悉串联校正装置。
( 3)熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法与
仿真实现。
M atlab
实验内容 : 串联滞后校正。
? 串联滞后校正模拟电路如图
1所示, 图中开关 QS
处于断开状态时 , 对应于未进行校正的情况 ; 当开关 QS处
图 3 导入模型后系统的根轨迹图和开环伯德图
4 调整控制器的增益。
[ 3]
于闭合状态时 , 对应于串联滞后校正的情况。
%串联滞后校正模拟电路的系统结构图如图
2所示。
在图 3中 3个小粉红色方块代表系统的闭环极点在
S
平面上的位置 , 移动鼠标到小方块附近 , 待出现手形光标
时, 通过鼠标沿根轨迹拖动小方块 , 调整控制器的增益 (也
可点击菜单 D esgi ns、Edit Compensato进r 入 Control and Es
tmi ation ToolsM anager的 CompensatorE ditor或在根轨迹图
上右击快捷菜单进入 Edit Compensaotr进行控制器 C( s)
设计 ), 与 sisotol动态连接的可视分析工具 LT Iv iewer显示
图 1 串联滞后校正模拟电路
此时系统的单位阶跃响应。开关
QS处于断开状态时 , 拖
动小方块至 C( s) = 5, 此时在 SISO Design for SISO D esign
Task面板 上的开环 Bode图标示剪切 频率 Freq: 18 rad/
se,c相角裕度 P M : - 13deg; 相角穿越 频率 Freq: 14。4
rad/ sec, 增益裕度 G M : - 13 deg; 这时系统不稳定 , 其闭
环系统的单位阶跃响应发散 (在 SISO D esign for SISO De
signTask面板上点击 Analysis、再击 R espon se to Step Com
m and进入 LT IV iewer for SISO Design Task)。
图 2 串联滞后校正模拟电路的系统结构图
该系统的开环传递函数为
10G c( s)
s( 0 05s+ 1) ( 0 1s+ 1)
其中, 开关 QS处于断
G ( s) =
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