机电控制仿真软件介绍

机电控制仿真软件介绍（通用5篇）

篇1：机电控制仿真软件介绍

天度机电仿真软件

一、学习模式：

1、课件内容学习：机电一体化概述检测与传感器步进及伺服电机机械传动，控制系统，接口技术，伺服系统

2、元器件（电器和仪表）学习：70多个电气、仪表3D模型及性能参数，关键机电器件提供爆炸图展示：

A电气：控制盘柜、直流电源、单相交流电源、三相交流电源、保险丝、单排空开、双排空开、三排空开、蓝色钮子开关、红色钮子开关、绿色方形按钮、红色方形按钮、常闭按钮、常开按钮、转换开关、旋转开关、行程开关、三菱交流接触器西门子交流接触器、交流接触器、变压器、开关电源、热继、电机、电抗、电流互感器、电流表、东元TECO变频器、伟创变频器、3色灯、指示灯-红、指示灯-黄、指示灯-蓝、接地端子、魏德米勒接线端子、接线端子、盘柜风扇、电笔等

B仪表和元件：PLC、中间继电器、时间继电器，带底座时间继电器、调节阀、气压阀、截止阀，蝶阀、针型阀、单线圈电磁阀、双线圈电磁阀，智能式变送器、亚德客接近开关、接近开关PNP，接近开关NPN朗鸿接近开关、压力表、单减压过滤器、减压过滤器

二、仿真接线：

学生参照老师设定的电气原理图，从元器件库中拖入对应的3D元器件到元器件库中，按电路图要求，进行命名，参数设置，接线，系统会进行操作计时，提交后系统对操作结果进行检测判断。

7个机电典型电路接线自动判断检测功能：自耦降压起动，双重互锁正反转控制，时间继电器控制，生产机械行程控制电路，具有过载保护的正转控制，接触器星形三角形控制，接触器控制的双速电动机调速电路。

三、PLC编程：仿真三菱（FX2N系列）PLC编程，通过编辑工具，可编辑修改或载入PLC程序，PLC程序能够进行仿真运行，运行时具有输入输出状态指示。支持PLC程序与指令表间切换，支持PLC信息状态仿真测试

四、理论考核：

1、试卷管理：老师可对考场进行管理、试卷编辑和试卷审核，可以从题库里自由选择各类型题目，设置分数，并组成试卷，在指定的时间和考场对指定的学员进行考试。最后对学生提交的试卷进行自动评分，并对试卷考核结果进行综合分析。

2、题库管理题型包括填空题、单选题、多选题、判断题、问答题和实验题，老师可以导入或导出各种题型的题目，或者直接在平台上进行添加。并对各个题型进行归类。

3、自我考核：

老师可以选择课后练习题，让学生进行课后自我考核，系统自动评分，老师可以随时了解学生每堂课学习和复习的情况。

篇2：仿真转台的实时控制软件介绍

仿真测试转台作为最重要的仿真测试设备, 可以真实地模拟导弹或飞行器的动力学特性, 在实验室条件下复现其在空中的各种飞行姿态, 对导弹或飞行器的传感器件、制导系统和控制系统及各执行机构的性能加以测试, 为导弹或飞行器的改进和再设计提供各种参考依据。仿真测试转台的性能的优劣直接关系着仿真和测试实验的可靠性和置信度, 仿真测试转台的研究和制造, 在航空航天工业和国防建设的发展中具有重要意义。

转台控制系统的软件作为控制算法的具体实现, 直接影响着转台系统的动静态性能。其设计除要求操作方便、运行可靠外, 还要求具有较高的实时性, 这是保证系统优良跟踪性能的重要因素。

三轴仿真转台控制系统的所有功能以及操作 (如控制单元的管理、故障检测和人机界面等工作) , 都由控制软件来完成, 转台系统软件不仅要能够实现数字算法, 而且应具有完善的逻辑操作功能和对系统的保护作用, 能够实现数据的显示、传输、存储和分析。再者, 仿真转台系统的可靠性很大程度上取决于控制软件的稳定性, 所以根据系统功能和需求对软件进行模块化设计是很有必要的, 可以最大程度上简化软件设计步骤, 方便程序调试, 尽量减少漏洞的出现。

2 转台软件系统分析与发展趋势

在我国仿真测试转台经历了30多年的发展。从最初的Dos到Windows, 再到基于RTX的控制软件的问世, 转台控制软件的功能逐渐强大, 操作日趋便捷, 实时性和可靠性也越来越高。

以下主要对基于DOS、Windows和Vx Works三种操作系统的转台软件的特性进行分析、比较。

(1) DOS是典型的单任务操作系统。在DOS中运行的应用程序, 顺序执行自己的代码, 直到运行完毕后才放弃对CPU的占用, 在此期间其它应用程序都不能被运行。而转台控制系统软件是一个多任务并发程序, 并且对各任务的优先级和伺服任务实时性有严格要求。所以在DOS操作系统下, 转台控制程序需要维护一个简单的多任务环境, 作为转台软件的基本环境。

由于DOS是单任务操作系统, 而且DOS对图像化界面的支持极为有限, 所以采用DOS作为转台系统的软件平台, 有很大的局限性。

另外, DOS运行于CPU模式下, 只能管理640K内存, 对系统性能造成了严重限制。因此, 基于DOS开发转台系统, 很难跟上技术发展的潮流。

(2) Windows无疑已经成为PC平台上最为通用的操作系统。由于Windows的人机界面友好, 软件资源丰富, 基于Windows开发转台系统成为替代Dos操作系统的必然趋势。

但是Windows是非实时操作系统, 无法满足转台系统的高实时要求。

虽然Windows操作系统无法满足伺服任务的高实时性要求, 但转台操作人员和设计人员仍然钟爱Windows友好的人机界面。为了解决这个矛盾, 转台系统发展成为采用主从体系的结构。

这种结构中, 转台系统实际上分为两个部分, 非实时部分和实时部分。“下位机”由DSP或单片机控制板构成, 完成高实时行要求的任务, 而PC机作为“上位机”, 完成图形显示、网络通信、人机交互等对实时性要求不高的任务。上下位机间利用一定的接口进行通讯, 从而协同工作。这种方案很好的克服了Windows实时性不高的瓶颈。但这种方案增加了硬件成本, 而且系统结构变得复杂。为了对Windows的实时性进行扩展, 许多第三方软件应运而生。这种实时扩展产品比较著名的有美国Ventur Com公司的RTX。

RTX (Realtime Extension For Windows) 是内置于Windows的实时操作系统, 可以认为是Windows的一个实时子系统, 它不影响Windows原有功能, 但增强了其实时性能。实际上, Ventur Com公司获得了Windows的源代码, 对其硬件抽象层HAL进行了实时扩展。该实时硬件抽象扩展层隔离了RTX和Windows之间的中断。在单CPU的情况下, 所有RTX线程的优先级高于所有Windows线程优先级。可见, 实时扩展的本质就是将Windows当作一个受实时内核调度管理的任务, 其优先级最低。

通过上面的分析, 采用基于Windows的实时扩展系统作为平台开发转台系统软件, 既继承了Windows操作系统的优点, 又在一定程度上保证了转台系统所要求的实时性能要求。但这种实现受到Windows内核非实时的限制, 仍然是软实时系统。

(3) Vx Works是由Wind River公司开发的一种实时嵌入式操作系统 (ERTOS) 。Vx Works为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。在各种CPU平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性, 尽可能地屏蔽了不同CPU之间的底层差异。不仅如此, Vx Works相比同类实时系统, 一直以极高的实时性和可靠性著称。首先, 其系统本身的开销很小, 其内核和基本功能只有几十KB, 精简的内核和高效率的内核设计保证了Vx Works的实时性。其次, 任务调度和任务间通信的灵活高效也保证了其实时性。再次, Vx Works中通过特殊的上下文切换设计, 利用公共数据结构、信号量、消息队列等, 使上下文切换中的工作量减到最低。这些特点使得Vx Works可以实现微秒级的任务切换。Vx Works曾被广泛的应用于航空、航天、军事等领域。所以开发基于Vx Works的转台系统成为转台系统开发新的研究热点。

3 结语

Vx Works作为一款优秀的商用嵌入式实时多任务操作系统, 凭借其卓越的性能被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等实时性要求极高, 而普通操作系统难以胜任的领域中。1997年4月在火星登陆的火星探测器上, 也以Vx Works作为嵌入操作系统, 它负责火星探测器的全部飞行控制, 包括飞行纠正、载体自旋和降落时的高度控制等, 而且还负责数据收集和与地球的通信工作。

Vx Works在我国的军事、通信、工业控制等领域也逐渐得到应用。特别是在航天、航空半实物仿真, 弹载、机载计算机, 军用雷达等高可靠性场合的应用取得了一定的研究成果。但由于Vx Works软件正版授权费用过于昂贵, 使其在民用场合的应用受到了一定的限制。当前, Vx Works在民用产品方面主要用于通讯、电力等对实时性和可靠性有较高要求的领域。

摘要：本文是以某型三轴仿真转台为研究背景, 介绍了三种转台控制软件平台的发展现状。

关键词：电动仿真转台,软件平台

参考文献

[1]陈家新, 彭丁嵩.DOS环境下实时多任务调度策略的实现[J].计算机应用, 2000.5:45-47.

[2]张正勇, 熊清平, 李作清.Windows系列平台下的实时控制研究[J].机电工程, 1999:36-37.

[3]李宏科.一种基于RTX的实时系统的实现[J].装备制造技术, 2006: (55) .

篇3：机电控制仿真软件介绍

一、Fluid SIM软件的功能及特点

Fluid SIM软件是由德国FFESTO公司和Paderborn大学联合开发, 专门用于液压、气压传动及电液压、电气动的教学培训软件, Fuid SIM分两个软件, 其中Fluid SIM-H用于液压传动技术教学, 而Fluid SIM-P用于气压传动技术教学。该软件解决实际教学中存在的问题, 为实现互动教学提供了可靠的技术手段。

1. 专业的绘图功能

Fluid SIM软件的CAD功能是和回路的仿真功能紧密联系在一起, 这是一般通用的计算机辅助绘图软件 (如:AUTOCAD等) 不具备的, 该类通用软件绘制专业图形时往往效率不高。Fluid SIM软件符合DIN电气—气动回路图绘制标准, CAD功能是针对流体而专门设计的, 用户界面直观, 易于学习。它的图库中有100多种标准液压、气动、电气元件。如图1所示, 左边是Fluid SIM的元件库, 包含创建新的回路所必需的气动和电气元件, 窗口顶端的菜单栏列出了需要模拟和建立回路的所有功能。在绘图时可把图库中的元件直接拖到制图区生成该元件的原理图, 各种元件接口间气路的连接, 只需在两个连接点之间按住鼠标左键移动, 即可自动生成所需的气路, 并且可根据需要自由调节已生成气路的位置, 避免了气路之间的相互交叉。该软件的另一个优点是它的查错功能, 例如在绘图过程中, Fluid SIM软件将检查各元件之间的连接是否可行, 较大地提高了绘制原理图的工作效率。

2. 系统模拟仿真功能

Fluid SIM软件可以对绘制好的回路进行仿真, 通过强大的仿真功能可以实时显示和控制回路的动作, 因此可以及时发现设计中存在的错误, 帮助我们设计出结构简单、工作可靠、效率较高的最优回路。在仿真中我们还可以观察到各元件的物理量值, 如气缸的运动速度、输出力、节流阀的开度等, 这样能够预先了解回路的动态特性, 从而正确的估计回路实际运行时的工作状态。另外该软件在仿真时还可显示回路中关键元件的状态量, 如气缸活塞杆的位置、换向阀的位置、压力表的压力、流量计的流量。这些参数对设计的气动控制系统是非常重要的。从而充分发挥了实践在设计中的导向作用。

图2是已经建立并正在模拟的气动回路。用鼠标按下任一二位五通换向阀的手动, 使气动控制阀右移换向, 气缸伸出。当气缸伸到位后, 当放开鼠标时换向阀复位左移, 气缸返回。也可以通过电气控制回路对气气缸实行自动控制。在模拟时, 所有的压力、流量及速度被计算出来。根据需要可在图上直接显示, 也可以打开具有位移—时间坐标的新窗口, 显示气缸运动的位移时间变化曲线。该软件建立回路简单、方便、快捷, 模拟时动画效果逼真。

3. 综合演示功能

Fluid SIM软件包含了丰富的教学资料, 提供了各种气动元件的符号、实物图片、工作原理剖视图和详细的功能描述。一些重要元器件的剖视图可以进行动画播放, 逼真地模拟这些元件的工作过程及原理。便于在教学中老师的讲解和学生对气动元件工作原理的理解掌握。该软件还具有多个教学影片, 讲授了重要气动回路和气动元件的使用方法及应用场合。有利于学生了解和掌握机电一体化技术在工业现场的应用状况, 提高了学生的学习兴趣, 激发学习的主动性。

二、教学实施及效果

在过去的实践教学中, 传统的实验多为验证性或演示性的实验项目, 学生独立思考的空间小, 动手能力锻炼不足。学生只是被动的根据实验指导书的内容, 进行常规的实验验证。而现在使用Fluid SIM仿真软件和所开设的实验结合起来, 大大地激发了学生的主观能动性和创造性。例如我们开设的气动控制综合实验, 该实验属于设计型实验项目, 指导教师只给出气动系统的控制要求, 具体的气动回路由学生独立设计完成, 学生通过该软件进行回路的选件和绘制工作, 并利用其仿真功能及时改进设计中的各种错误, 设计出合理的实验回路, 从而能够顺利地搭接出实际的气动回路。

Fluid SIM软件信息量大、内容新颖、功能齐全, 教师可以更好的将专业理论和工程实践相结合, 不仅增强了学生的感性认识和学习兴趣, 而且增加了实践和动手的机会。通过其先进的仿真功能, 加快了学生的理解速度, 提高了学生的学习质量。在实验环节中, 利用软件在仿真上可以对气动回路及控制系统进行仿真实验, 使机械、电气、气动有机的结合, 为气动系统设置控制电路, 学生可以实现综合练习, 很容易看到常规实验使用的传感器、控制器和执行元件等, 了解他们的实际应用, 学习目的性更强。提高了实验教学的时间利用率, 使得每个同学都能参与实验的全过程, 改正了部分同学应付了事的学习态度, 通过每个同学独立自主的设计过程, 进一步加深了他们对本门课程的理解, 并能灵活地运用已经掌握的知识解决实际问题。并且, 在几个同学的不同设计方案中, 经过研究, 他们可以从中选取最优方案, 从而培养了他们的创造性和互相协作的团队精神, 实现了真正意义上的参与式教学, 有利于培养出高质量的创新人才。

三、结束语

Fluid SIM仿真软件是各种知识的综合应用, 必须掌握气液压传动技术、继电器控制技术、传感器技术、软件的使用操作技术、机械传动技术、自动控制技术、PLC控制技术等多学科的专业知识, 才能熟练地操作和使用它。Fluid SIM仿真软件中使用独立的气压及控制元件, 很容易连接成不同的气动控制回路, 对这些元件不同的组合, 可以得到不同回路, 也就会有不同的实验效果。从基本元件认识、基本回路连接, 到复杂控制回路联动, 每个环节可以反复练习, 使学生动手的机会增多, 提高了学习兴趣, 激发了学生的创新意识, 培养了学生整体构思能力, 提高和锻炼了学生的动手能力。

利用现代化的教学手段与实验设备, 学生真正实现了从要我做实验到我要做实验的转变, 教师也在新设备的熟悉、消化、吸收的过程中, 提高了自身的业务素质, 掌握了当前气动技术及其软件在国内、外的发展趋势。同时也提高了教师的科研能力及工作效率, 在教学和科研中, 能获得事半功倍的效果。

参考文献

[1]张顺堂.工业工程专业实验系统的设计与实现[J].中国现代教育装备, 2006, 7

[2]FESTO公司.FluidSIM仿真设计软件, 2002, 8

[3]隋文臣, 化雪荟, 陈大力.浅谈FluidSIM液压 (气动) 仿真软件在教学中的应用[J].液压与气动, 2007, 6

[4]孙树文, 杨建武, 张慧慧.机电一体化教学培训系统的设计与实现[J].中国现代教育装备, 2007, 6

篇4：控制仿真系统中组态软件

1 常见组态软件

1.1 IFix软件

该软件是一种模块化的工业控制软件, 其中包含了十几种基本的功能模块和扩展功能模块, 可以支持Win31、Win95、Open VMS和OS/2 等多种软件平台。该软件最大的特点就是具有非常强大的人机界面功能, 不仅能够开放二次开发接口, 还能够为用户提供ITK软件包, 专门应用于I/O驱动的开发中。

1.2 Genesis软件

这一软件包是以计算机为平台的, 能够在DOS环境下运行, 还有专门的Windows版本, 而且这一版本的功能更加强大。以Genesis for DOS为例, 它是由策略构成、图形生成以及实时运行系统等3 个部分组成的。

其中最关键的就是策略构成, 主要负责完成各个设置点的扫描、计算、登录数据和监管控制等工作;图形生成则主要负责完成人机界面的制作;而系统运行过程中不同任务的调节和分配则由实时运行管理系统完成。同时, Genesis软件还可以为C语言和其他的高级编程语言提供程度开发的环境, 有利于新功能的研发。

1.3 Intouch

Intouch是实时人机界面程序的专业程序生成器, 在任务菜单的驱动下, 可以在Windows3.2 和Win95 的环境下运行, 是一种能够在管理级别上自动进行监管控制和采集数据的程度。Intouch主要是由应用开发环境 (Windows Maker) 和实时运行环境 (Windows Viewer) 两部分共同组成的, 其中前者主要采用窗口建立的形式来显示图形, 同时对I/O系统、工业控制器和其他窗口的应用程序进行定义和连接;而后者的主要作用就是用来显示由应用开发环境所建立的图形窗口。

1.4 Century Star软件

该软件是一种在计算机中研发出来的一种人机接口软件系统, 具有智能化的特点, Microsoft Windows98/NT等中文平台作为操作系统, 可以充分利用Windows的图形功能及其简单操作、应用方便和界面一致的特点。和其他专机专用的组态软件相比, Century Star软件在工业控制系统中具有更好的通用性, 还可以利用计算机中多样化的软件资源进行二次开发, 在工控仿真系统中具有显著的应用优势。

2 组态软件的特点介绍

本文以Century Star软件为例, 对组态软件的特点进行如下分析。

2.1 先进性特点

Century Star软件是一种实时界面程序生成器, 具有较强的实用性, 不仅功能强大, 而且使用非常方便。首先, 其工具栏丰富, 具备IE风格的可视化界面, 操作人员可以迅速进入开发状态, 有效节约时间。

其次, 该软件具有多样化的图形控件, 不仅可以提供必须的组件, 还可以为制作画面提供向导。

再次, Century Star软件能够在全屏状态下进行编辑, 可以提供更广阔的制作空间。

最后, 该软件提供的终身技术和软件升级的服务, 用户可以随时使用最新的技术, 为投资提供保护。

2.2 便捷性特点

Century Star软件还具备强大的网络功能, 可以让企业的基层和其他部门保持联系, 现场的操作人员以及管理人员都可以直接看到数据。运用该软件, 管理人员即使不深入生产现场, 也可以取得实时和历史数据, 实现现场作业的控制优化, 有效的提高工业生产的效率和品质。

2.3 整体性特点

Century Star软件可以广泛应用于社会生产的多个行业, 例如通讯、电力、化工、钢铁、制冷、石油、纺织、水泥, 煤炭、食品等, 但是不管应用场地的环境, 该软件都能够进行有效的数据采集和监管控制。

2.4 独立性特点

第一, Century Star软件可以通过抓取屏幕中的点位图来提升系统的运行效率;

第二, 使用软件中的自定义函数功能, 用户可以对应用系统进行精确的控制;

第三, 在Century Star软件中, 用户可以使用其自定义图库功能, 来建立新的涂片资源库, 也可以不受任何限制扩充图库, 这样可以结合具体情况满足不同行业的需求;

第四, 通过应用Century Star软件中颜色渐进功能, 用户可以真实体验三维立体世界的效果;

第五, 该系统具有真正的32 位应用程序, 也是一种智能型人机接口软件系统, 几乎能够实现Windows98/NT中文平台中操作系统的全部强大功能;

第六, Century Star软件可以为用户及时提供实现各种控制策略, 其功能包括:抢先多任务、多线程、即插即用硬件兼容性等等。

3 结束语

综上所述, 本文首先对Fix软件、Genesis软件、Intouch和Century Star软件等常用的组态软件进行了介绍, 然后以Century Star软件为例, 对组态软件在控制仿真系统中的应用特点进行了讨论, 充分说明了组态软件的优越性。

参考文献

[1]陈虹均.吕君.基于PLC和组态软件的液压回路实时仿真系统设计[J].液压与气动, 2011.

[2]漆海霞, 张铁民, 邹恩.基于组态软件的PLC电梯控制仿真[J].云南农业大学学报 (自然科学版) , 2011.

[3]漆海霞, 邢航, 杨秀丽.基于组态软件的PLC控制系统半实物仿真[J].桂林理工大学学报, 2012.

篇5：机电控制仿真软件介绍

在工程和科学的发展过程中, 自动控制起着重要的作用。刘瑞林等建立了控制对象的数学模型, 设计了进气压力模糊PID控制算法, 并利用MATLAB/Simulink对其进行了仿真研究。潘迪夫等开发了铁路运输仿真控制系统。控制系统的仿真, 已经成了控制系统设计的一个关键步骤。改进仿真的途径, 一是研究仿真算法, 二是探讨仿真语言。Z变换法、离散相似法、状态转移法等仿真算法各有不同的特点, 适合于不同类型仿真问题。仿真语言目前以FORTRAN和C为基本语言, 它们的特点是, 采取程序结构化法编写程序, 科学计算能力强、比较方便。但其用户界面不够理想, 而且参数的输入方法也存在许多限制。本文采用面向对象编程语言, 开发了一个基于结构方块图的线性控制系统分析仿真软件, 软件在Windows操作平台使用。从输入、中间环节到输出, 采用交互式构建和编辑方块图及参数的方法, 实现方块图自动简化、时域响应、频域响应、稳定性计算、绘制伯德图、乃奎斯特图等仿真功能。

1 控制系统理论的算法设计

在MATLAB/Simulink软件中实现控制系统仿真, 算法设计的任务主要有两个:一是要实现控制系统框图的输入和化简, 得到系统的开环或闭环等效传递函数;二是要根据等效传递函数在主窗口中实现系统频率响应的仿真。

1.1 控制系统框图的输入和化简

设系统结构框图由N个环节组成, 算法设计的过程为:将各环节的传递函数转换成状态空间表达式的形式—将系统各环节的状态空间表达式写成矩阵形式—将系统各环节之间的连接关系用关联矩阵K描述—得出系统某输出与某输入之间总的状态空间表达式—通过模型转换得到相应的传递函数。

1.2 系统频率响应的计算

频率响应分析的基本思想是把控制系统中的各个变量看成是由许多不同频率的正弦信号叠加而成的信号;各个变量的运动就是对各个不同频率的信号的响应的总和。

1.2.1 频率特性

频率响应是指系统对谐波输入的稳态响应, 对于线性系统, 当输入为:

其稳态输出应为同频率的正弦信号:

频率特性是指系统在正弦信号作用下, 稳态输出与输入之比对频率的关系特性, 可表示为:

即, 系统的频率特性相当于系统传递函数的自变量s只沿复平面的虚轴变化, 因此也将G (jω) 称为谐波传递函数。

1.2.2 Nyquist图

频率特性G (jω) 是频率的复变函数, 可以在复平面上用一个矢量来表示。该矢量的幅值为│G (jω) │, 相角为∠G (jω) 。当ω从0→∞变化时, G (jω) 的矢端轨迹被称之为频率特性的极坐标图或Nyquist图。

如果不考虑频率特性的物理意义, 仅将它看作是ω的1个函数, 我们还可绘制出当ω为负数时的频率函数的图形。由于G (jω) 和G (-jω) 是互为共轭的一对复数, 因此它们在复平面上的位置是关于实轴对称的。当ω从0→∞变化时, G (jω) 的矢端轨迹是封闭的, 利用封闭的Nyquist轨迹可进行系统稳定性的分析, 即Nyquist稳定判据。

1.2.3 Bode图

如果把频率特性函数G (jω) 的角频率ω和幅频特性│G (jω) │都取对数, 则称之为对数幅频特性和对数相频特性, 其中:

l (G (jω) ) 为对数幅频特性, 单位为分贝 (dB) ;φ (G (jω) ) 为对数相频特性, 单位为度 (deg) 。

其频率轴采用对数分度。则以为横坐标, 和为纵坐标绘制的曲线分别称为对数幅频特性图和对数相频特性图, 统称为系统的Bode图。

与其它采用直角坐标的频率特性绘图方法相比, 由于Bode图可以以适当的比例清晰地展现系统在低、中、高频各段的频率特性, 并且非常便于手工绘制, 同时可以用叠加的方式绘制高阶系统的Bode图, 因而成为工程实距中进行系统频率特性分析的重要工具。

1.3 稳定性的判别

在系统特性研究中, 系统的稳定性是最重要指标。由控制理论可知, 以状态方程模型表示的系统, 它的状态矩阵A的特征根和以传递函数模型表示的系统的极点是一致, 只有他们的值都为负数时系统才会稳定。因此, 直接而简便的方法就是求出系统的极点, 则系统的稳定性就可以立即得到。

对于一个单输入输出系统, 其传递函数为:

判别其稳定性的方法是计算特征方程:

的根λ1, ……λn (可以是实根、虚根、复数根, 还可能存在重根) 。当特征根的实部为负时, 系统是稳定的 (当有虚根存在时, 系统处于稳定边界) 。我们称为时间常数, 并令。本文采用牛顿法和撒网格法求解 (5) 特征方程的全部根以判断系统的稳定性。

2 仿真软件系统的设计与实现

软件采用面向对象技术 (OOP) 开发了控制系统仿真软件, 通过建立控制系统的传递函数模型实现系统的仿真。

软件主要由变量定义模块、图形绘制模块和计算模块3个模块组成, 能够根据传递函数参数设置和系统的稳定性判断, 计算出时间、幅频、相频等参数, 然后根据计算结果绘制幅频曲线、相频曲线、伯德图和乃奎斯特图等。

变量定义模块中软件自定义了数据类型, 如串连接定义、连接方块线定义、闭环反馈传递函数定义、信号源和响应拉氏变换多项式系数、总传递函数定义、输出示波器定义、加法器 (比较器) 定义、信号源定义等。图形绘制模块主要包括一些绘制函数, 比如:选择对象绘图、绘制方块、绘制加法器、绘制信号源、绘制示波器、画矩形、画连接线等等, 这些绘制函数主要用于建立控制系统模型。计算模块是整个软件开发的核心, 它包括了整个仿真计算的函数, 比如:简化方块图、稳定性判别、计算输出响应拉氏变换、计算闭环传递函数和总传递函数、计算拉氏变换、龙格库塔积分等等。

2.1 软件的主界面和主菜单

软件的主界面和主菜单的设计如图1所示, 主界面的图形区包括建立传递函数模型、分析计算以及计算结果显示, 主菜单包括该软件的各种功能调用。

2.2 传递函数模型的输入

线性系统的传递函数模型一般以微分方程表示, 为了化简微分方程的求解, 经过Laplace积分变换后传递函数表示为:

在本程序中传递函数被看作2个多项式的比值, 将多项式的系数按s的降幂次序排列后表示为1个数值向量, 这样用2个向量可以表示传递函数的分子、分母多项式。关于传递函数的分子、分母系数设置的界面如图2所示。首先, 选择程序右边的图形建模工具中的“画方块”选项, 出现图2所示的界面。在两个输入框内分别输入分子、分母系数 (系数默认为1) 、起始时间、终止时间, 然后按“确定”按钮。

例如, 将分子的数值向量设为1、2, 分母的数值向量设为1、2、3, 则表示的传递函数为:。

2.3 参考输入的信号设置

控制系统的动态性能是通过某典型输入信号作用下系统的瞬态响应过程来评价的。基于系统的瞬态响应过程既取决于系统本身的结构和参数, 又与其外施信号的形式有关, 而控制系统的实际输入信号往往是未知的。为了便于对系统的分析和设计, 就需要假定一些典型的输入函数作为系统的试验信号。据此, 为系统的性能作出评述。

典型的试验信号一般应具备两个条件: (1) 信号的数学表达式要简单, 以便于数学上的分析和处理; (2) 这些信号易于在实验室中获得。

基于以上原因, 在控制工程中通常采用下列所述的5种信号作为典型的试验信号:阶跃信号、斜坡信号、等加速度信号、脉冲信号、正弦信号。

本软件设置了其中的4种作为参考输入的信号, 设置界面如图3所示。

3 仿真实例

测试参考输入为阶跃信号的反馈系统, 在软件主界面内建立并编辑控制系统方块, 如图4所示。

选择主菜单的“稳定判别”, 首先分析系统的稳定性:

从图5可以看出, 特征方程的根全部小于零, 所以系统稳定。选择主菜单的其他分析功能, 设置仿真开时间为0, 终止时间为100s, 时间步长为0.01s, 得到输出响应如图6、图7、图8。

从该仿真实例表明, 开发的软件能方便快速地建立线性控制系统方块图模型, 并通过菜单驱动实现仿真分析功能。

4 结束语

采用面向对象编程语言, 开发了一个基于结构方块图的线性控制系统分析仿真软件。系统的结构方块图的各环节传递函数可为任意形式, 环节间的连接方式可为串联、并联及反馈连接。使用中只要输入系统原始结构图中各环节传递函数的参数及其连接, 就可化简系统结构方块图, 得出等效传递函数, 并对其进行指定的仿真和分析, 仿真结果采用文本和图形显示方式, 仿真计算表明, 软件运行结果正确可靠。

摘要：采用面向对象编程语言, 开发了一个基于结构方块图的线性控制系统分析仿真软件。从输入、中间环节到输出, 采用交互式构建和编辑方块图及其参数的方法, 实现了方块图自动简化、时域响应、频域响应、稳定性计算、绘制伯德图、乃奎斯特图等仿真功能。仿真实例证实该软件正确。

关键词：线性控制系统,结构方块图,传递函数,仿真

参考文献

[1]李友善.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社, 1982.

[2]刘瑞林, 李凯, 董素荣, 等.车用柴油机低气压模拟控制系统仿真研究[J].军事交通学院院报, 2009 (2) .

[3]潘迪夫, 梁海啸, 刘满足, 等.铁路运输仿真控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制, 2009 (1) .

[4]林叶锦, 杜佳璐.控制系统仿真与分析软件设计[J].大连海事大学学报, 1999 (4) .