CN104063546B - 一种大林算法实验平台 - Google Patents

Abstract

一种大林算法实验平台，包括：Step模块，Sum模块，Clock模块，Mux模块1，MATLAB Fcn模块，Zero‑Order Hold模块，Transfer Fcn是传递函数模块，Transport Delay模块是传输延时模块，Mux模块2，Scope示波器模块2MATLAB Fcn模块和一个m语言编写的大林算法程序相关联，实现大林算法程序的编写；大林算法实验平台，可在平台上使用编程实现大林算法，并对编程后的大林算法进行实验。

Description

一种大林算法实验平台

技术领域

本发明涉及实验平台，更准确地说，本发明涉及一种可以进行大林算法实验的实验平台。

背景技术

在高校“计算机控制技术”的课程教学中，需要进行大林算法的课堂教学和实验，以使学生掌握大林算法的编写方法以及该算法的特点。现有的大林算法实验平台主要有以下两种设计方法，一种是包括硬件实验箱的实验平台，该平台只能用于实验，无法用于课堂教学；另一种是采用纯软件的仿真实验平台，这种平台多采用Matlab/Simulink软件实现，该平台既可用于实验教学，也可用于课堂教学。

在采用Matlab/Simulink软件建立实验平台时，现有的方法通常是全部采用Simulink模块实现。采用这种方法，仿真平台宜于搭建，整个控制系统非常直观；但也存在着明显的不足，主要是由于直接采用传递函数实现大林算法控制器D(z)，和实际系统不符，使学生无法理解大林算法控制器D(z)在时域是如何实现的，也就无法理解实际计算机控制系统如何实现大林算法。

因此，针对这一情况，在Matlab/Simulink软件中，结合Simulink模块和m语言，提出了一种大林算法实验平台的设计方法，以便学生更好地掌握大林算法的特点和实现方法。

发明内容

本发明的实施例的目的在于提供一种大林算法实验平台，可在平台上使用编程实现大林算法，并对编程后的大林算法进行实验。

为实现上述技术目的，所采取的技术方案是：一种大林算法实验平台，控制对象是一个带时延的二阶对象，其传递函数为；控制目标，也就是整个闭环系统的传递函数为；系统包括：

Step模块，代表单位阶跃信号输入，作为给定值；

Sum模块，实现给定值和反馈值的减法运算，得到偏差信号，并将偏差信号输出给Mux模块1；

Clock模块，输出时间值给Mux模块1；

Mux模块1将收集的时间和偏差信号输出到MATLAB Fcn模块；

MATLAB Fcn模块和一个m语言编写的大林算法程序相关联，实现大林算法程序的编写；

Zero-Order Hold模块是零阶保持器，实现数模转换器的功能，该模块的输出送到Scope示波器模块1，以便显示控制量的输出；

Transfer Fcn是传递函数模块，实现控制对象中的，其参数根据实际系统设定；

Transport Delay模块是传输延时模块，实现控制对象中的，其参数根据实际系统设定；

Mux模块2将给定值和输出值同时送到Scope示波器模块2，同时显示给定值和输出值。

通过以上模块实现大林算法，主要包括以下步骤：

第一步：设置所有模块的采样周期为T；

第二步：Step模块的输出连接Sum模块的正输入端，和Mux模块2的输入端1；

第三步：Transport Delay模块的输出连接Sum模块的负输入端，和Mux模块2的输入端2；

第四步：Sum模块的输出实现了给定值和输出量的差值，该输出连接和Mux模块1的输入端1；

第五步：Clock模块的输出连接Mux模块1的输入端2；

第六步：Mux模块1的输出端连接MATLAB Fcn模块，通过设置该模块的Function属性，将m语言程序编写的函数和该模块联系起来，该程序有两个参数输入，分别是Clock模块输出的时间u1和Sum模块输出的偏差u2。在m语言程序中，通过以下步骤实现大林算法。

步骤1：定义全局变量uq和eq,并计算；

步骤2：如果u1=0，也就是在0时刻程序刚执行时，令；，也就是设置系统为0初始状态；

步骤3：初始化参数:采样周期T，对象参数,大林常数；

步骤4：计算，；

步骤5：令error=u2，即将当前偏差赋予变量error；

步骤6：将大林算法控制器进行Z反变换，得到输出控制量；

其中，u表示当前采样周期时刻输出的控制量，uq(1)表示上一个采样周期时刻输出的控制量，uq(2)表示上两个采样周期时刻输出的控制量，uq(N+1)表示上(N+1)个采样周期时刻输出的控制量，uq(N+2)表示上(N+2)个采样周期时刻输出的控制量，error表示当前采样周期时刻的偏差，eq(1)表示上一个采样周期时刻的偏差，eq(2)表示上两个采样周期时刻的偏差。

大林算法会产生振铃现象，为了消除大林算法中的振铃现象，只要修改步骤6即可。

修改的步骤6：将消除振铃现象的大林算法控制器进行反变换，得到输出控制量；

步骤7：将变量uq和eq进行迭代，即, ；eq(2)=eq(1),eq(1)=error；

步骤8：返回步骤5继续执行。

第七步：MATLAB Fcn模块的输出连接Zero-Order Hold模块的输入，以便将离散的控制量连续化；

第八步：Zero-Order Hold模块的输出连接Transfer Fcn模块的输入，和Scope示波器模块1，以便显示控制量；

第九步：Transfer Fcn模块的输出连接Transport Delay的输入；

第十步：Mux模块2的输出连接Scope示波器模块2。

本发明有益效果：提出了引入Simulink中的MATLAB Fcn模块，并将该模块和matlab的m语言函数相关联的方法。经过这样处理后，可以从D(z)中得时域的表达式，即K时刻的控制量u(k)和k时刻以前的控制量，以及k时刻和k时刻以前的偏差e(k)的关系。在每个采样周期，可以根据偏差的大小发出合适的控制量，方便学生使用该平台去掌握大林算法的编写。

附图说明

图1是基于Matlab/Simulink软件搭建的实验平台。

图2是Simulink模块Matalb Fcn模块的设置界面；

图3是大林算法输出的控制量；

图4是基于大林算法的控制系统的输出；

图5是修改的大林算法输出的控制量；

图6是基于修改的大林算法控制系统的输出。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明。

假定一个二阶系统，，，采样周期为T。

一个控制系统通常包括给定值输入，输出量的A/D采集和反馈，偏差计算，控制器，D/A输出，执行机构和控制对象。其中，控制器主要执行控制算法，通过软件编程实现，其余主要通过硬件完成。因此，用Simulink模块搭建如图1所示的实验平台。

在图1中，Step模块代表单位阶跃信号输入，作为给定值；Sum模块实现给定值和反馈值的减法运算，得到偏差信号；Clock模块输出时间值；Mux模块1将时间和偏差信号输出到MATLAB Fcn模块，MATLAB Fcn模块和一个m语言编写的大林算法程序相关联，以便学生编写大林算法；Zero-Order Hold模块是零阶保持器，实现数模转换器的功能，该模块的输出送到Scope示波器模块1，以便显示控制量的输出；Transfer Fcn是传递函数模块，实现控制对象中的，Transport Delay模块是传输延时模块，实现控制对象中的，当然，控制对象的参数根据实际系统而设定；Mux模块2将给定值和输出值同时送到Scope示波器模块2，从而在Scope示波器模块2同时显示给定值和输出值。

图1反映了控制系统的给定值，A/D采集，偏差计算，控制器，D/A转换器，执行机构和控制对象之间的关系。由于在控制系统中，控制算法通过软件编程实现，其余部分由硬件实现，因而图1中控制器由MATLAB Fcn模块仿真，以便学生编写控制算法程序；其余部分通过Simulink模块实现，用以模拟硬件平台，使仿真实验平台更加直观。

搭建图1的实验平台后，设置所有模块的采样周期为T。如图2所示，进一步设置MATLAB Fcn模块的参数，在MATLAB function下输入dl(u(1),u(2)),从而将m程序dl.m的函数dl和该模块联系起来，u(1)和u(2)表示该模块有两个参数输入，分别是时间u1和偏差u2。

在程序dl.m中，通过以下步骤实现大林算法。

步骤1：定义全局变量uq和eq,并计算；

步骤2：如果u1=0，也就是在0时刻程序刚执行时，令；，也就是设置系统为0初始状态；

步骤3：初始化参数:采样周期T，对象参数,大林常数；

步骤4：计算，；

步骤5：令error=u2，即将当前偏差赋予变量error；

步骤6：将大林算法控制器进行Z反变换，得到输出控制量；

其中，u表示当前采样周期时刻输出的控制量，uq(1)表示上一个采样周期时刻输出的控制量，uq(2)表示上两个采样周期时刻输出的控制量，uq(N+1)表示上 (N+1）个采样周期时刻输出的控制量， uq(N+2)表示上 (N+2)个采样周期时刻输出的控制量，error表示当前采样周期时刻的偏差，eq(1)表示上一个采样周期时刻的偏差，eq(2)表示上两个采样周期时刻的偏差。

大林算法会产生振铃现象，为了消除振铃现象，只要修改步骤6即可。

修改的步骤6：将消除振铃现象的大林算法控制器进行Z反变换，得到输出控制量；

使用修改后的步骤6后，即可消除振铃现象。

步骤7：将变量uq和eq进行迭代，即,；eq(2)=eq(1),eq(1)=error；

步骤8：返回步骤5继续执行。

本发明的实施例提供一种大林算法实验平台的设计方法。其实现方案如下：

假定一个二阶系统，，，采样周期T=0.1s。

基于Matlab/Simulink软件搭建实验平台如图1所示。

在图1中，Step模块代表单位阶跃信号输入，作为给定值；Sum模块实现给定值和反馈值的减法运算，得到偏差信号；Clock模块输出时间值；Mux模块1将时间和偏差信号输出到MATLAB Fcn模块，MATLAB Fcn模块和一个m语言编写的大林算法程序相关联，以便学生编写大林算法；Zero-Order Hold模块是零阶保持器，实现数模转换器的功能，该模块的输出送到Scope示波器模块1，以便显示控制量的输出；Transfer Fcn是传递函数模块，实现控制对象中的，Transport Delay模块是传输延时模块，实现控制对象中的；Mux模块2将给定值和输出值同时送到Scope示波器模块2，从而在Scope示波器模块2同时显示给定值和输出值。

搭建图1的实验平台后，将所有模块和采样周期T设置为0.1；如图2设置MATLABFcn模块的参数，在MATLAB function下输入dl(u(1),u(2)),从而将m程序dl.m的函数dl和该模块联系起来，u(1)和u(2)表示该模块有两个参数输入，分别是时间u1和偏差u2。

在程序dl.m中，通过以下步骤实现大林算法。

步骤1：定义全局变量uq和eq，并计算；

步骤2：如果u1=0，也就是在0时刻程序刚执行时，令；，也就是设置系统为0初始状态；

步骤3：初始化参数:采样周期T=0.1，对象参数大林常数；

步骤4：计算，；

步骤5：令error=u2，即将当前偏差赋予变量error；

步骤6：将大林算法控制器D(z)进行Z反变换，得到输出控制量；

为了消除振铃现象，只要步骤6即可。

修改的步骤6：将消除振铃现象的大林算法控制器D(z)进行Z反变换，得到输出控制量；

步骤7：将变量uq和eq进行迭代，即,；eq(2)=eq(1),eq(1)=error；

步骤8：返回步骤5继续执行。

图3是大林算法控制器输出的控制量，图4是基于大林算法的控制系统的输出。从图3和图4可知，系统输出量非常平滑，但控制量有大幅度衰减的震荡，即产生了振铃现象。这种现象对系统输出没有任何影响，但却会加速执行机构的磨损。

图5是修改后大林算法控制器输出的控制量，图6是修改大林算法后的控制系统输出。从图5和图6可知，系统输出量非常平滑，控制量没有大幅度衰减的震荡，即消除了了振铃现象。

可见，本实验平台通过Simulink模块模拟了硬件平台，利用Matlab的m语言编写函数，使学生易于修改大林算法，验证算法的各种特点,并掌握大林算法的编写方法。

Claims (1)

1.一种大林算法实验平台，其特征在于：控制对象是一个带时延的二阶对象，其传递函数为；控制目标，即整个闭环系统的传递函数为；系统包括：

Step模块，代表单位阶跃信号输入，作为给定值；

Sum模块，实现给定值和反馈值的减法运算，得到偏差信号，并将偏差信号输出给Mux模块1；

Clock模块，输出时间值给Mux模块1；

Mux模块1将收集的时间和偏差信号输出到MATLAB Fcn模块；

MATLAB Fcn模块和一个m语言编写的大林算法程序相关联，实现大林算法程序的编写；

Zero-Order Hold模块是零阶保持器，实现数模转换器的功能，该模块的输出送到Scope示波器模块1，以便显示控制量的输出；

Transfer Fcn是传递函数模块，实现控制对象中的 ，其参数根据实际系统设定；

Transport Delay模块是传输延时模块，实现控制对象中的，其参数根据实际系统设定；

Mux模块2将给定值和输出值同时送到Scope示波器模块2，同时显示给定值和输出值;

通过以上模块实现大林算法，主要包括以下步骤：

第一步：设置所有模块的采样周期为T；

第二步：Step模块的输出连接Sum模块的正输入端，和Mux模块2的输入端1；

第三步：Transport Delay模块的输出连接Sum模块的负输入端，和Mux模块2的输入端2；

第四步：Sum模块的输出实现了给定值和输出量的差值，该输出连接和Mux模块1的输入端1；

第五步：Clock模块的输出连接Mux模块1的输入端2；

第六步：Mux模块1的输出端连接MATLAB Fcn模块，通过设置该模块的Function属性，将m语言程序编写的函数和该模块联系起来，该程序有两个参数输入，分别是Clock模块输出的时间u1和Sum模块输出的偏差u2;在m语言程序中，

通过以下步骤实现大林算法:

步骤1：定义全局变量,并计算；

步骤2：如果u1=0，也就是在0时刻程序刚执行时，令；，也就是设置系统为0初始状态；

步骤3：初始化参数:采样周期T，对象参数,大林常数；

步骤4：计算，；

步骤5：令，即将当前偏差赋予变量error；

步骤6：将大林算法控制器进行z反变换，得到输出控制量；

其中，u表示当前采样周期时刻输出的控制量，uq(1)表示上一个采样周期时刻输出的控制量， uq(2)表示上两个采样周期时刻输出的控制量，uq(N+1)表示上(N+1)个采样周期时刻输出的控制量，uq(N+2)表示上(N+2)个采样周期时刻输出的控制量，error表示当前采样周期时刻的偏差，eq(1)表示上一个采样周期时刻的偏差，eq(2)表示上两个采样周期时刻的偏差;

大林算法会产生振铃现象，为了消除大林算法中的振铃现象，对步骤6修改;

修改的步骤6：将消除振铃现象的大林算法控制器进行z反变换，得到输出控制量；

步骤7：将变量uq和eq进行迭代，即,；，；

步骤8：返回步骤5继续执行;

第七步：MATLAB Fcn模块的输出连接Zero-Order Hold模块的输入，以便将离散的控制量连续化；

第八步：Zero-Order Hold模块的输出连接Transfer Fcn模块的输入，和Scope示波器模块1，以便显示控制量；

第九步：Transfer Fcn模块的输出连接Transport Delay的输入；

第十步：Mux模块2的输出连接Scope示波器模块2。