二!
CN11
2034／T
ExperimentalTechnologyandManagement
第3l卷
第6期
2014年6月
Vo1．31
No．6
Jun．2O14
Matlab软件在自动控制原理实验中的应用
刘金颂，张庆阳，苏晓峰，杨
(1．西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安
710055；
2．西安陕鼓动力股份有限公司设计部，陕西西安
710075)
要：针对现有的ACCT-II自动控制实验箱不能扩展、实验误差较大，以及不能深入理解参数改变与系统性能之
间关系等缺点，提出了Matlab软件仿真与实验箱相结合的实验教学方式。实践结果表明：该实验教学方式不仅可
以弥补现有实验箱的缺陷，激发学生的学习兴趣，而且可以培养学生的动手能力和综合分析问题的能力。
关键词：实验教学；自动控制原理；Matlab
中图分类号：G434
文献标志码：B
文章编号：1002—4956(2014)6—0138—03
ApplicationofMatlabsoftwareinautomaticcontroltheoryexperiments
IiuJinsong，ZhangQingyang，SuXiaofeng，YangLei
(1．DepartmentofMechanical8LElectricalEngineering，Xi’anUniversityofArchitecture＆．Technology，Xi’an
710055，China：2．CollegeofDesign，Xi’anShaanguPowerCo．，LTD．，Xi’an710075，China)
Abstract：AimingattheshortcomingsoftheexistingACCT一1Iautomaticcontrolexperimentalbox，suchasno
extendingspace，bigexperimentalerrorandobscurerelationshipbetweenparameterandsystemperformance，
thispaperproposesanewexperimentalteachingmethodcombinedwithexperimentalboxandMatlabsoftware．
Thepracticalresultshowsthattheexperimentalteachingmethodcallnotonlymakeupthedefectsofthe
experimentalbox，stimulatestudentslearninginterest，butalsocultivatestudents’operationabilityand
comprehensiveanalysisability．
Keywords：experimentalteaching；automaticcontroltheory；Matlab
西安建筑科技大学机电工程学院的自动控制原理
实验一科教设备有限公司的ACCT—II自动控制实验
箱。学生实验按照指导书中的电路图通过导线将实验
箱面板中的环节连接起来，通过计算机显示屏观察系
统的响应曲线和测量读取相关的性能参数。这种实验
方式虽然可以加深学生对课堂理论知识的理解，锻炼
学生的动手能力，但是也存在一些局限性：实验设备不
能扩展，能够改变的元器件较少，一些综合性和设计性
实验无法开展；实验设备老化，实验过程中容易出现问
题，造成实验结果误差较大；学生在实验中只是按照实
验指导书按部就班地进行，不能深入理解参数改变与
系统性能之间的关系。因此，针对现有实验设备存在
收稿日期：2O13—1031
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划重点项目(2011BAJ02B02，
2011BAJ02B02—02)；陕西省科技攻关项目(2011K10—18)；西
安建筑科技大学教改项目(JG021331)
作者简介：刘金颂(1981一)，女，河南开封，博士，工程师，研究方向为机
器视觉，控制理论与控制工程．
E-mail：liujsl222@163．corn
的问题，提出了实验箱与Matlab软件进行仿真相结合
的实验教学方式，以提高自动控制原理课程的实验效
果，促进和培养学生的动手能力和综合分析问题的
能力uj。
实验安排
对于我院的电气工程及自动化专业，自动控制原
理是一门重要的专业基础课。根据我们的教学大纲，
只讲解经典控制理论，并设置了4个实验项目，分别是
二阶系统的单位阶跃响应及动态性能分析、三阶系统
的稳定性分析、二阶系统的频率特性测试及线性系统
串联校正。我们首先让学生利用实验箱完成实验，然
后再通过Matlab软件进行仿真
。下面分别介绍
这4个实验项目。
1．1
二阶系统的单位阶跃响应及动态性能分析
在控制工程中，二阶系统应用广泛，而且许多高阶
系统在一定条件下，可以近似成为二阶系统进行分析
和设计。因此，对于二阶系统的性能分析 ，在 自动控 制
原理 中 占有重要 的地位 。
刘金颂 ，等 ：Matlab 软件 在 自动控 制原 理实 验中的应 用
l 39
典型 二 阶系统 的闭环 传递 函数 为
“十Z
十 ．‘
实验要 求 观测该 二 阶系 统在 参 数
不 同取 值情
况下 的单 位阶跃 响应 曲线 ，分析 参数
对 系统 动
态 性能 的影 响 。
在 Matlab 软 件仿 真 中 ，首先 令
一 1 ，
分别 取
f／s
(a) { 不同时的单位阶跃响应曲线
0、0．2 、0．5、0．7 和 1；然 后令
一 0．7 ，叫 分 别取 2、4、
6、8 和 1o 情 形 下 ，观 测 系 统 的单 位 阶 跃 响应 曲线 ，如
图 1 所 示 。通 过 Matlab 软 件 仿 真 可 以明 确 地 看 出 ：
定值 时 ，
在 范围 变化 时 ，
越 大 ，系统 的超 调
量越 小 、调节 时 间越 短 ；
定 值 时 ，
越 大 ，系 统 的 调
节时 问越 短 ，而超调 量变 化不 大 。
tls
(b) 02,诃；同时的单位 阶跃 响应 曲线
图 l
二 阶 系统 的单 位 阶跃 响应 曲线 图
1．2
三 阶 系统 的 稳定性 分析
典 型三 阶系统 的方块 结构 图如 图 2 所 示 。
图 2
三 阶 系 统 的方 块 结构 图
其 开环传 递 函数 为 G(s) 一
其 中 K 一
。三 阶系统的模拟 电路 如图 3 所示 ，其
中 尺 为可调 电阻 ，调节范 围为 O～500 kn ，只要 调节 电
阻 R 就 可以调节三 阶系 统 的开环 增 益 K ，从 而改 变 系
统的稳定 性能 。
图 3
三 阶 系统 的 模 拟 电路 图
系统的开环传递函数为
G ㈤
，K
系统 的特 征方 程式 为 s。+ 12s + 20s+ 20K 一 0 ，根 据
劳斯 判 据得 到 ：0 <
K <
12 时 系统稳 定 ，K 一 12 时临
界 稳定 ，K >
l 2 时 系统不 稳定 。
在 我们 实验 箱 中 ，通 过 调 节 R 可 以使 系 统 处 于
稳 定 、临界稳 定和 不稳 定时 3 种状 态 。在 Matlab 软 件
中 ，利用 roots( ) 命令 来研 究 系统 的稳 定 性 。K 分 别 取
1O、12 和 14 时 ，系 统 的 3 个根 分别 为
a n sK一1。一 一 1 I ．7 4 6 8
一 一 0 ．12 6 6 +
4 ．1 2 4 3 i
0 ．1 2 6 6 — 4 ．1 2 4 3 i
a n sK一12 一 一 1 2 ．0 0 0 0
一 一 0 ．0 0 0 0 +
4 ．4 7 2 l i
0 ．0 0 0 0 — 4 ．4 7 2 1 i
a n sK一1
一 一 I 2 ．2 3 5 7
O．1 l 7 8 +
4 ．7 8 2 3 i
0 ．1 l 7 8 — 4 ．7 8 2 3 i
可 见 ，当 K — 10 时 ，系统有 3 个 不 同的负 根 ，系统
是 稳定 的 ；K 一 12 时 ，系统 2 个 根 的实部 为零 ，处 于临
界稳定 状态 ；K > 12 时 ，系统 2 个 根 的实 部 为正 ，处于
不 稳 定状态 。利 用 Matlab 软 件 得 到 的结果 和劳 斯 判
据吻 合 ，对 应 的性能 曲线 如 图 4 所示 。
1．3
二 阶系统 的频 率特 性测试
由 2 个 惯 性 环 节 组 成 的 二 阶 系 统 的 开 环 传 递 函
数为
G ( ) 一
本 实验要 求得 到该 二 阶系统 的伯 德 图和奈 奎斯 特 图 。
利用 Matlab 软件提供的命令 bode( ) 和 nyquist( )
就能 得 到该系 统 的伯德 图和奈 奎斯 特 图 (见 图 5) 。
1．4
线 性 系统 串联校 正
校 正前二 阶 系统 的闭环传 递 函数 为
140
图 4
三 阶 系 统 在 不 同 情 形 下 的 性 能 曲线 图
一 9 0
- 18 0
0 ．5
．o．5
10"。
10。
10
10 2
l0 3
- 1
Frequeney(rad／see)
(a) G-(s) 1／
(0．
+ 1) (0．1s+1)】的伯德 图
、＼＼
(b) G( = 1，【(O．
1) (0．1
1)】的奈奎斯特图
图 5
系统的伯德 图和奈奎斯特图
G ㈤
通过计算 可得该系统 的超调量 M 】=== e-
、／i- # 一 64 9／6，
调节 时间 ￡ 一
=== 4 s ，静态 速 度误 差 系 数 K 一 25、
7 【
1／s。可见该系统 的超调量和 调节时间都很 大 ，我们要 求
加上一 个 串联 校 正 装 置使 系统 的 性 能 满 足 以下 性 能
指标 ：
(1) 超 调量 M ≤ 25
( 2) 调节 时 间 t ≤ 1 S ；
( 3) 静态 速度 误差 系数 K ≥ 25 1／s 。
该实 验 项 目是 一 个 设 计 性 实 验 ，要 求 学 生 在 课
下先 设 计 好 校 正 环 节 ，然 后 在 实 验 室 完 成 电路 的 搭
接 ，得 到 校 正 后 的 性 能 曲线 。 由 于 我 们 实 验 箱 用 于
扩展 的地 方 有 限 ，很 难 满 足 学 生 设 计 的 不 同 的 校 正
电路 。而 利用 Matlab 软 件 则不 受 此 限 制 。假 设 校 正
环节 的传 递 函 数 为 D (s) 一
，则 校 正 后 系
统 的开 环 传 递 函 数 为 G ( s) 一
。在 Mat—
lab 软件 下 编 程 ，得 到 校 正 前 后 系 统 的单 位 阶 跃 响 应
曲线 见 图 6。
校 正后 系统 的超 调量 Mp一 21％ ，调 节 时间 t 一
0．4 S ，静 态 速度 误 差 系数 K 一 25 1／s ，可见 校 正后
系统 的这 3 个性 能参 数 均 满 足 我们 提 出 的要 求 ，校 正
环 节设 计正 确 。利 用 Matlab 软 件 很 容 易 实 现各 种 系
统 的性能 曲线 以及 相 关参 数 的改 变 ，克服 了现 有 设 备
的 缺陷 。
S tep R espo nse
图 6
系统校正前和校正后的阶跃响应 曲线
结 束 语
将现 有 的 自动控 制 原 理模 拟 实 验 箱 和 Matlab 软
件仿真结合起来 ，不仅可以弥补现有实验箱的不足 ，加
深学 生对 理论 知识 的 学 习 ，而且 可 以使 学 生 发 现 实 验
中存在 的各种 问题 ，进 而 培养 学 生 的辩 证 思 维 能 力 和
理 论联 系 实际 的科学 观点 。
( 下转 第 145 页 )
∞p／0 = _
、『
屹 ：基于 DNA 编码 的网络隐蔽存储信 道设 计方法
145
秘密信 息 ，而数 据包 重 传 的发 生 是 整 个 流量 传 输 过 程
中一个 小 概率事 件 ，整个 流量 传 输 过 程是 产 生 重 传 数
据包 的 前 提 ，因此 ，Zhai 算 法 完 成 秘 密 信 息 的 嵌 入 是
建 立在 整个 流 量基 础 上 的 。尽 管 Zhai 算 法 对 流 量 内
其他正常数据包不嵌入任何秘 密信息 ，但其本质上相
当于使 用 了整个 流量 的所有 数 据 包 (重 传 和 正 常 数 据
包 之和 ) 。而 Murdoch 和 CSCDNA 算 法 基 本 上 能在
流量 内的 每个数 据包 中嵌 入 秘 密信 息 ，对 整 个 流 量 利
用 率非 常 高 。图 4 为 重传率 为 5
的情 况下 ，3 种算 法
所 使用 数据 包数 量对 比。可见 ，Murdoch 和 CSCDNA
算法使用数据包数量基本相 同，而 Zhai 算法所使用的
数 据包 数量 明显 高于前 两种 算法 。
结 论
综 上所述 ，本 文 给 出 了一 种 基 于 DNA 编 码 的 网
络 存储 隐蔽 信道设 计 方法 。该 方 法借 用 DNA 编 码 和
Arnold 变换不 仅 有 效 增 强 了 秘 密信 息 的 隐蔽 性 和 随
机 性 ，而且还 维持 了较 低 的 时空 开 销 。通 过 实 验 中与
其 他 同类 方 法对 比 ，结 果表 明 ：在 嵌入 相 同长度 的秘 密
信 息条 件下 ，与 其 他 方 法 相 比 ，该 方 法 不 仅 时 间开 销
小 ，而且 所需 的数 据包 数量 也较少 ，其 性能 优于 其他 同
类 方法 。下 一步将 继续 在实 际应 用环 境 中对 该 网络存
储 隐蔽信 道做 测试 ，研 究如何 增强 其抗 检测 性 。
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