一种基于MATLABGUI的控制系统仿真分析系统的制作方法

一种基于matlab gui的控制系统仿真分析系统
技术领域
1.本发明涉及仿真领域。更具体地，涉及一种基于matlab gui的控制系统仿真分析系统。


背景技术：

2.在自动控制领域里，几乎所有的科学研究和工程应用中都有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任务，给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量。为了解决在自动控制学科领域实际教学与工程中的海量计算与分析问题，我们引进了功能强大的计算机辅助仿真分析与设计软件
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matlab软件。现阶段，在控制系统的计算机辅助分析与设计领域中，matlab软件的应用已经被广泛接受。
3.但是，matlab软件要求初学者具有一定的matlab编程基础知识，而在本科自动控制原理的实验教学中，本科学生对matlab了解一般较少，这就减弱了采用matlab软件进行实验教学的效果。
4.matlab gui因其可视化操作界面对于控制系统仿真软件的设计和开发是个很不错的选择，简单、易懂、操作简单。特别适用于实验教学等对程序效率要求不苛刻的软件设计。有鉴于此，运用matlab gui设计并开发出了该控制系统仿真分析软件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于matlab gui的控制系统仿真分析系统，在windows环境下，以matlab语言、matlab gui为工具，设计控制系统的仿真分析系统，实现控制系统中的模型转换，系统分析和系统设计及仿真的基本功能。
6.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
7.本发明提供一种基于matlab gui的控制系统仿真分析系统，包括：
8.系统模型输入及转换模块、系统跟轨迹绘制模块、系统频域响应模块、系统稳定性分析模块、系统时域响应模块和系统可控性及可观性分析模块，其中，
9.所述系统模型输入及转换模块用于实现线性连续控制系统各模型之间的转换；
10.所述系统跟轨迹绘制模块根据输入的模型参数绘制所述线性连续控制系统的跟轨迹图；
11.所述系统频域响应模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行频域响应分析；
12.所述系统稳定性分析模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行进行稳定性分析；
13.所述系统时域响应模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行时域响应分析；
14.所述系统可控性及可观性分析模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行可控性及可观性分析。
15.在一个具体示例中，所述线性连续控制系统各模型之间的转换包括：
16.连续传递函数模型转换为状态方程模型、零极点模型及离散传递函数模型；
17.状态方程模型转换为零极点模型、连续传递函数模型及离散传递函数模型。
18.在一个具体示例中，所述连续传递函数模型参数包括分子多项式系数num和分母多项式系数den，所述系统跟轨迹绘制模块接收所述连续传递函数模型参数，响应于点击操作，实现对线性连续控制系统跟轨迹图的绘制。
19.在一个具体示例中，所述状态方程模型参数包括：参数矩阵a、b、c和d，所述系统频域响应模块接收连续传递函数模型参数或状态方程模型参数，响应于点击操作，实现对所述线性连续控制系统的频域响应分析。
20.在一个具体示例中，所述频域响应分析包括：波特图的绘制、幅值裕度和相角裕度的求算、闭环及开环奈奎斯特图的绘制。
21.在一个具体示例中，所述系统稳定性分析模块根据所述连续传递函数模型参数，响应于点击操作，对所述线性连续控制系统的稳定性进行分析，并显示稳定性分析结果；
22.所述系统稳定性分析模块还能根据状态方程模型参数，响应于点击操作，对所述线性连续控制系统的稳定性进行分析，并显示稳定性分析结果。
23.在一个具体示例中，所述系统稳定性分析模块还能根据零极点模型参数绘制出线性连续控制系统的零极点分布图，以供验证系统的稳定性。
24.在一个具体示例中，所述系统时域响应模块接收连续传递函数模型参数，响应于点击操作，实现对线性连续控制系统的时域响应分析，绘制出系统的单位阶跃响应图及单位脉冲响应图，并显示在对应的坐标轴上。
25.在一个具体示例中，所述系统可控性及可观性分析模块接收状态方程模型参数，响应于点击操作，实现对线性连续控制系统的可控性及可观性分析。
26.本发明的有益效果如下：
27.本发明实现了在windows环境下，以matlab语言、matlab gui为工具，设计控制系统的仿真分析软件，实现控制系统中的模型转换，系统分析和系统设计及仿真的基本功能，实现了怎样使用matlab软件运用经典控制理论和现代控制理论对控制系统的各种性能进行全面细致地仿真、分析，本软件大大降低了对控制系统进行仿真分析的难度，通用性、实用性强，可移植性强，能够很好的满足各级各类科研院所及企业自动控制相关专业实验、教学及科研生产的需求。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1示出根据本发明实施例一种基于matlab gui的控制系统仿真分析系统示意图。
30.图2示出根据本发明实施例系统模型输入及转换模块示意图。
31.图3示出根据本发明实施例系统跟轨迹绘制模块示意图。
32.图4示出根据本发明实施例系统频域响应模块示意图。
33.图5示出根据本发明实施例系统稳定性分析模块示意图。
34.图6示出根据本发明实施例系统时域响应模块示意图。
35.图7示出根据本发明实施例系统可控性及可观性分析模块示意图。
具体实施方式
36.为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
37.如图1所示，本发明一个实施例提供一种基于matlab gui的控制系统仿真分析系统1，包括：
38.系统模型输入及转换模块、系统跟轨迹绘制模块、系统频域响应模块、系统稳定性分析模块、系统时域响应模块和系统可控性及可观性分析模块，其中，
39.所述系统模型输入及转换模块用于实现线性连续控制系统各模型之间的转换；
40.所述系统跟轨迹绘制模块根据输入的模型参数绘制所述线性连续控制系统的跟轨迹图；
41.所述系统频域响应模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行频域响应分析；
42.所述系统稳定性分析模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行进行稳定性分析；
43.所述系统时域响应模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行时域响应分析；
44.所述系统可控性及可观性分析模块根据输入的模型参数对所述线性连续控制系统进行可控性及可观性分析。
45.在一个具体实施例中，如图2所示，所述线性连续控制系统各模型之间的转换包括：
46.连续传递函数模型转换为状态方程模型、零极点模型及离散传递函数模型；
47.状态方程模型转换为零极点模型、连续传递函数模型及离散传递函数模型。
48.具体的，本发明设计了两种进行模型转换的路径，能同时接受使用者的控制系统连续传递函数模型输入或状态方程模型输入，并将其分别转换为上述其他模型输出。
49.在一个具体实施例中，如图3所示，所述连续传递函数模型参数包括分子多项式系数num和分母多项式系数den，所述系统跟轨迹绘制模块接收所述连续传递函数模型参数，响应于点击“绘制跟轨迹图”按键操作，实现对线性连续控制系统跟轨迹图的绘制，并显示在线性连续控制系统显示界面的坐标轴内，使用者可根据系统跟轨迹图对系统进行相应的分析。
50.在一个具体实施例中，如图4所示，所述状态方程模型参数包括：参数矩阵a、b、c和d，所述系统频域响应模块可以同时接收连续传递函数模型参数或状态方程模型参数，点击相应的功能按键即可实现实现对所述线性连续控制系统的频域响应分析，所述频域响应分析包括：波特图即bode图的绘制、幅值裕度和相角裕度的求算、闭环及开环奈奎斯特图即闭环nyquist图和开环nyquist图的绘制。
51.在一个具体实施例中，如图5所示，所述系统稳定性分析模块可以同时接收和处理连续传递函数模型和状态方程模型两种模型输入时的稳定性分析问题，其中，当输入的是连续传递函数模型参数时，即输入分子多项式系数num及分母多项式系数den，点击“稳定性分析按钮”，则实现对控制系统的稳定性分析，获得该控制系统的稳定性结果；
52.当输入的是状态方程模型参数时，即分别输入参数矩阵a、b、c、d，点击“稳定性分析按钮”，则实现对控制系统的稳定性分析，获得该控制系统的稳定性结果。
53.在一个具体实施例中，所述系统稳定性分析模块还能根据零极点模型参数绘制出线性连续控制系统的零极点分布图，以供验证系统的稳定性。
54.在一个具体实施例中，如图6所示，所述系统时域响应模块接收连续传递函数模型输入的分子多项式系数num和分母多项式系数den，响应于点击操作，实现对线性连续控制系统的时域响应分析，绘制出系统的单位阶跃响应图及单位脉冲响应图，并显示在对应的坐标轴上，使用者可根据单位阶跃响应图和单位脉冲响应图对控制系统进行相应的分析和设计。
55.在一个具体实施例中，如图7所示，所述系统可控性及可观性模块接收状态方程模型输入的参数矩阵a、b、c、d，响应于点击操作，实现对线性连续控制系统的可控性及可观性分析。
56.本发明实现了在windows环境下，以matlab语言、matlab gui为工具，设计控制系统的仿真分析系统，实现控制系统中的模型转换，系统分析和系统设计及仿真的基本功能。本系统大大降低了对控制系统进行仿真分析的难度，通用性、实用性强，可移植性强，能够很好的满足各级各类科研院所及企业自动控制相关专业实验、教学及科研生产的需求。
57.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。