Matlab系统

Matlab系统（精选12篇）

Matlab系统 第1篇

为了达到好的教学效果,课程实验是不可缺少的。由于受硬件电路与元器件性能的限制,硬件电路实验的灵活性与实时性较差,影响了学生对理论与概念的深入理解与掌握。在本文中,我们基于MATLAB软件设计并开发了一套信号与系统实验系统。

1、《信号与系统》课程介绍

《信号与系统》课程是一门实践性较强的课程,其基本方法和原理广泛应用于计算机信息处理的各个领域[1]。但由于信号与系统课程本身的特点及教学方法和手段的单一,信号与系统却长期处于教师难教、学生难学的境况中[3,4]。教与学的矛盾主要表现在以下三个方面:

(1)该课程对高等数学要求较高。课程中的很多理论结果来源于复杂的数学运算及推导,这就导致教师在教和学生在学的时候将很多时间用于数学推导(如微分、积分等),而忽视了理论结果在信号处理中的实际应用。

(2)课程中信号分析的结果缺乏可视化的直观表现,例如给出一个复杂的信号,学生不能直接看到该信号的波形;信号频谱特性或系统的响应只能推导得到不易理解的数学表达式,而无法直观地看到波形显示。这些都严重影响了学生对所学知识的理解.

(3)教材内容偏重理论,相关理论的最新应用实例介绍不够,容易造成理论和实践分离。因此,该课程迫切需要在实验环境中,帮助学生完成数值计算、信号分析的可视化建模及仿真调试。

2、MATLAB简介

MATLAB是matrixlabortory(矩阵实验室)的缩写,是一套功能十分强大的工程计算及数据分析软件,它的应用范围覆盖了工业、电子、医疗、建筑等多个领域。同时它也是一种交互式、面向对象的程序设计语言,其结构完整,具有优良的移植性。它主要用于矩阵运算,同时在数据分析、自动控制、数字信号处理、绘图等方面具有强大的功能[2,3]。

它的主要特点有以下几点:

(1)运算功能强大,MATLAB的数值运算要素不是单个数据,而是矩阵,每个元素都可看作复数,运算包括加、减、乘、除、函数运算等;通过MATLAB的符号工具箱,还可以解决在数学、应用科学和工程计算领域中常常遇到的符号计算问题。

(2)完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化。

(3)人机界面友好,编程效率高;MATLAB的命令表达方式与标准的数学表达式非常相近,使学者易于学习和掌握。

(4)功能丰富的应用工具箱,大量针对各专业应用的工具箱的提供,使MATLAB适用于不同领域。

(5)S i m u l i n k动态仿真功能,MATLAB的Simulink提供了动态仿真的功能,用户通过绘制框图来模拟一个线性、非线性、连续或离散的系统,通过Simulink能够仿真并分析该系统。

MATLAB的上述特点,使它深受工程技术人员及科技专家的欢迎,并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学等领域不可缺少的基础软件。基于以上考虑,我们以MATLAB为平台设计并开发一套信号与系统实验软件。

3、《信号与系统》实验系统的设计

3.1系统的特点

《信号与系统》实验系统充分利用了交互式人机界面和计算机快速运算的特点,同时运用了MATLAB的数值分析及计算结果可视化、信号处理工具箱的强大功能。实验系统共设立三类实验:验证性实验着重于对“信号与系统”课程的重要原理和知识点进行验证,巩固所学知识点;研究性实验要求学生通过对比不同的实验现象,提高他们提出问题,分析问题,解决问题的能力,培养其对知识进行探索的兴趣;综合设计性实验涵盖“信号与系统”的重要知识点,并将这些知识点有机结合起来,学生在做实验的过程中对所学知识进行融会贯通。

验证性实验和研究性实验有统一的用户界面,学生可以选择实验内容设置相应的参数来观看实验结果,同时要求学生读懂实验中所使用的关键MATLAB代码。综合设计性实验要求学生掌握基本的MATLAB编程,实际动手编程以达到相应的实验效果,使学生增强了动手能力。通过实验,学生对知识的掌握是一个从验证性实验、研究性实验到综合设计性实验,从观察演示结果到自主设计开发实验的过程。

本系统主要分为连续信号及系统实验和离散信号及系统实验两大部分。连续信号及系统实验中,验证性实验包括连续信号的波形及运算;研究性实验包括系统的零状态响应和系统的冲激响应与阶跃响应;综合性实验包括系统的频率特性分析、s域分析和滤波器的设计。在离散信号及系统实验中,验证性实验包括离散信号的波形及运算;研究性实验包括系统的零状态响应和系统的冲激响应和阶跃响应;综合性实验包括离散时间系统的z域分析和离散傅立叶变换和逆变换。实验体系如图1所示。

3.2实验实例及代码分析

下面各选择一个验证性实验,研究性实验和综合性实验为例介绍实验系统的用户界面和设计代码。

3.2.1验证性实验

验证性实验针对原理性和抽象性强的知识点,进行原理性演示和验证,实现抽象原理到具体演示的形象转换,实验应尽量涵盖课程的重要知识点。这类实验相对简单,属于基本训练实验。它的目的是加强学生对信号与系统所学理论知识的巩固。

例如对于连续信号和离散信号的波形,学生一直没有直观的认识。通过实验界面学生可以选择想要观察的信号,如抽样信号,在实验窗口中输入相关的参数,就可以观察到信号的波形,如图2所示。

验证性实验有效地弥补了理论教学缺乏形象、具体的缺点,为学生提供了直观的概念解释和原理验证过程,同时实验尽量涵盖了“信号与系统”课程的重要知识点,使学生对本课程的重点知识进行了回顾和加深。

3.2.2研究性实验

研究性实验不是单一的验证某个结果,而是要设计多组实验,得出多个实验现象,让学生对这些实验现象进行比较,发现其中的问题,用所学的知识点来解释或解决问题,或是让学生改变实验中的某些参数,看这些参数对结果的影响。这类实验旨在传达给学生研究的方法,培养其探索知识的兴趣。这里所选的实验内容和实验参数要具有可扩展性、可跟踪性,并且难易程度适中,能适合大多数学生。

例如求解连续系统的冲激响应,当系统对应的微分方程不同时,冲激响应也不同。连续系统的冲激响应实验界面如图3所示,学生可以选择连续系统的阶数,以二阶系统为例,单击冲激响应下的“二阶系统”按钮,进入二阶系统的冲激响应界面,如图4所示。学生可以输入微分方程的系数,单击“计算”按钮,则可以在界面上画出该微分方程对应系统的冲激响应的波形,使得学生可以直观看到给定的连续系统的冲激响应。

关键代码如下所示:

其中微分方程的LTI系统模型sys要借助MATLAB中的tf函数来获得,其调用形式为:sys=tf(b,a),b和a分别为微分方程右端和左端各项的系数向量。系统冲激响应可以用控制系统工具箱提供的函数impulse,其调用形式为:y=impulse(sys,t)。

研究性实验让学生对信号与系统学习中碰到的问题进行探索,提高了学生的研究能力,同时学生通过比较不同的实验结果,了解到实验过程中任何一个参数或条件的细微变化都可能造成实验结果的截然不同,训练了科学规范的思维。同时阅读实验中的关键代码使得学生通过实验实例学习MATLAB编程,为后面综合性实验做准备。

3.2.3综合性实验

综合性实验综合信号与系统的知识点,将部分分散的理论知识点进行有机整合,同时与其他课程或实际系统相联系,拓宽和加深学生的知识,实现从知识点到知识面的过渡,培养学生的创新性和科研素质。

在连续系统的频域特性分析实验中,学生可以在MATLAB中仿照实验例子画出连续系统的频域特性曲线。例如三阶的Butterworth低通滤波器的频率响应为:

其中,MATLAB信号处理工具箱提供了freqs函数可以直接计算系统的频率响应,它的一般调用形式为:H=freqs(b,a,w),式中b为中分子多项式的系数向量,a为分母多项式的系数向量,w为需要计算的的频率抽样点向量(w中至少需包含2个频率点,w的单位为rad/s)。

如果没有输出参数直接调用freqs函数,则MATLAB会在当前绘图窗口中自动画出幅频和相频响应曲线图形。程序运行结果如图5所示:

学生可以仿照该例子做出其他连续时间系统(如

的频率响应的幅值和相位特性曲线。由此可见,综合设计性实验通过将零散的知识点整合起来,能够综合和总结知识,实现学生对知识系统性的掌握,同时锻炼了学生MATLAB编程的能力。

4、结论

本文提出并实现了基于MATLAB的信号与系统实验系统,该系统将信号与系统实验分为验证性实验,研究性实验和综合设计性实验。实验系统对学生学好信号与系统的课程具有很好的辅助作用。在实验过程中,学生可以在实验界面随意修改实验参数,比较实验结果,从而达到加深学习信号与系统中关键知识点的目的;同时可通过学习MATLAB编程语言自行设计系统进行模拟,从而加强了学生的综合设计能力。

参考文献

[1]郑君里,杨为理,应启珩.信号与系统[M].第2版.北京:人民出版社.2000

[2]张智星.MATLAB程序设计与应用[M].北京:清华大学出版社.2002

[3]王红梅,黄华飞,唐春霞.MATLAB软件在信号与系统实验中的应用[J].广西轻工业.2007.6,pp:55-56

Matlab系统 第2篇

课程名称：MATLAB及系统仿真

学分：2学分

总 学 时：32学时其中授课学时：20学时上机学时：12学时

先修课程：C语言、线性代数、信号与系统、通信原理

开课部门：计算机与通信学院

课程内容：

本课程要求学生掌握：MATLAB基本语句结构，矩阵的基本运算，控制语句，M文件和M函数的编写与调用，绘图功能，数学函数库的调用，SIMULINK仿真。通过本课程的学习，学生应能够在MATLAB环境下解决常见的数学问题和工程问题，并且能利用MATLAB软件对通信系统里的各种调制和解调过程进行仿真分析。

Matlab系统 第3篇

关键词：相移键控系统 仿真 MATLAB

随着现代微电子技术、控制技术、软件技术以及通信技术的发展，传统的无线电系统对于硬件依赖性强、信号适应能力差，构成越来越复杂，软件无线电的出现带来了新的革命。软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电并非简单的将硬件功能由软件来实现，它是以软件为核心的全新的体系结构，与基于ASIC、FPGA以及其他基于软件的数字系统相比有其独特的优点，即整体的可编程性，因此它能够在单一的结构中多模工作和自适应的工作。软件无线电具有灵活性、可扩展性等主要特点，这主要是因为软件无线电的所有功能都是用软件来实现的，通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能。可以说，功能的软件化是软件无线电的最大优势之一。在所有软件中，数字信号处理软件占据重要的位置，例如编码、调制、解调、译码、频谱分析等都可以采用信号处理算法来实现。

本文即是对软件无线电中基带处理部分——相移键控系统进行建模、仿真等分析。

1 相移键控系统仿真建模

众所周知第二代、第三代、HSDPA后三代、WiMAX以及超宽带(UWB)移动通信都是以数字调制为基础。而数字调制方式中，相移键控系统是应用最广泛的一种。

相移键控方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的方式。2PSK的信号形式一般表示为：

S(t)=∑ang(t-nT)cos(ωct)

式中，an的取值为-1，+1，即发送二进制符号0时，an取1；发送二进制符号1时，an取-1。

下面对采用矩形脉冲激励的2PSK传输系统进行仿真。模型如图1。

二进制信号源由Uniform Random Number Generator模块、Sign模块和Look-Up Table模块构成。Uniform Random Number模块在指定的区间上产生均匀分布的随机数。Sign模块将连续的随机数离散化。Sign模块的输出是：当输入大于0时输出为1；若输入為0则输出为0；当输入小于0时输出为-1。为了产生输出比特为等概率的+1和-1二进制信号源，加入Look-Up Table模块，它的输入—输出映射关系为：+1到-1，-1到-1，而0到+1。利用这三个模块即可得到二进制数字信号。

Fcn模块可以产生载波cos(4*pi*u），时间变量u从Clock模块得到。product模块用来产生已调信号。考虑到实际传输过程，信道采用无噪声信道和AWGN信道两种形式。接收端的匹配滤波器是利用Integrator模块按积分清除来实现的。复位信号由Pulse Generator模块产生。以上几个模块主要完成信号的调制、解调及传输。各部分输出信号均连接到Scope模块（相当于一台虚拟示波器）。仿真过程采用非归零矩形脉冲作为激励信号。其时域波形和频谱如图2。

无噪声干扰时仿真只需将图1中的AGWN Channel模块去掉即可，即发送端和接收端直接相连。发送端信号如图

3，波形由上至下分别为输入二进制序列、载波和已调信号。从已调信号波形中可以看出二进制符号0对应π相位的

载波；二进制符号1对应0相位的载波。接收端信号如图4，波形由上至下分别为乘法器输出、时钟信号和信宿波形。对比信源和信宿波形可以看出信号被无失真解调。

信道传输有噪声干扰时接收波形如图5，因为加入了白色高斯噪声，接收波形明显失真。图6中第一个波形是接收端解调后的波形，由于没有经过低通滤波，x(t)还包含载波及其高频谐波分量和随机噪声。信源波形图3与信宿波形图6是一致的，但仔细比较就会发现信宿信号比信源信号延迟了。这是由于噪声的存在。

噪声的存在会有误码，误码率取决于噪声的方差。由仿真运行结果分析可以得到2PSK系统的性能。在图7中，X轴表示信道的信噪比，Y轴表示信号的误码率。信噪比越大，误码率越低。图中的4条曲线分别表示当2PSK调制器和解调器的Symbol Error Rate取不同参数时的误码率性能。从图中可以看出，参数值越大，信号的误码率越低，但仿真需要的时间也会延长，所以应当合理设置其值。

3结论

本文采用MATLAB实现了通信系统调制与解调的仿真，给出了较详细的实现方法和仿真分析。仿真结果表明，它和理论计算和分析结果比较接近。

仿真模型的设计与分析，为实际系统的构建提供了很好的依据。同时也拓宽了研究分析的视野，可大大地提高研究设计的效率，具有重要的推广和应用价值。

参考文献

［1］李贺冰.simulink通信仿真教程.北京:国防工业出版社，2006.

［2］薛年喜.MATLAB在数字信号处理中的应用.北京:清华大学出版社，2003.

［3］周晓兰，张杰.MATLAB在通信系统仿真中的应用:计算机技术与发展，2006，(9):166-169.

扩频通信系统及MATLAB仿真 第4篇

扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)简称为扩频通信。扩频通信技术是一种信息传送方式,在发端采用扩频码调制,是信号所占的频带宽度远大于所传信息所必需的带宽,在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。扩频通信是通信的一个重要分支核心到通信系统的发展方向。扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点,因此该技术越来越受到人们的重视。

1 扩频通信

1.1 扩频通信的理论基础。

扩频通信的基本特点是传输信号所占的频带宽度(M)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(F),其处理增益Gp:Gp=M/△F

为了充分利用有限的频带资源,因此现今使用的通信设备多采用调幅、调频或脉冲编码方式。由上式可以看出,信道容量与带宽成正比,而在一定信道容量下,如果带宽B扩大到一定程度,那么就能在较低信噪比要求下得到很高的通信传输质量。

扩频通信有直接序列(DS)、跳频(FH)、线性调频(chirp)、跳时(TH)等方式。衡量扩频系统最主要的性能指标是处理增益和抗干扰容限。扩频通信系统具备3个主要特征:(1)载波是一种不可预测的,或称之为伪随机的带宽信号;(2)载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多;(3)接收过程是通过将本地产生的带宽载波信号的复制信号与接收得到带宽信号相关来实现的。

衡量扩频系统最重要的一个指标就是处理增益(Gp),他表示了扩频系统信噪比改善的程度。根据通信原理,扩频增益可以表示为下式:

式中,Bm为扩频以前基带信号占用带宽。

扩频通信可行性的另一个理论基础,抗干扰容限:系统信息能够被解调的最大容限,即能够工作的最大范围。它的公式:Mj=Gp-[(S/N)out+Ls]

总之,我们用信息带宽的100倍,甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息,就是为了提高通信的抗干扰能力,即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

1.2 扩频通信的工作原理。扩频通信的一般原理如图1所示。

在发端输入的信息经信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽以后的信号再对载频进行调制(PSK或QPSK、OQPSK等),通过射频功率放大送到天线上发射出去。在收端,从接收天线上收到的展宽射频信号,经过输入电路、高频放大器后送入变频器,下变频至中频,然后由本地产生的与发端完全相同的扩频码序列去解扩,最后经信息解调,恢复成原始信息输出。

2 仿真框图

矩阵数据计算实验室(MATLAB:Matrix Laboratory)是一种以矩阵运算为基础的交互式的程序语言。与其它计算机语言相比,MATLAB语言编程要简单得多,编程语句更加接近数学描述,可读性好,其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。

目前,MATLAB已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中,成为这些课程进行虚拟实验的有效工具。在科研部门,MAT-LAB更是极为广泛的得到应用,成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。

MATLAB6.5的统计工具箱是一个建立在MATLAB数据计算环境上的工具集,它支持随机数生成、曲线拟合、试验设计和统计过程控制等很多常见的统计任务。在MATLAB通信工具箱中有SLMULINK仿真模块和MATLAB函数,形成一个运算函数和仿真模块的集合体,用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。本例对采用直接序列扩频技术的扩频通信系统进行仿真。

3仿真结果分析

本文讨论的扩频通信系统的仿真是用MAT-LAB6.5模拟实现的,即数据流仿真模式,用MAT-LAB编程来实现对扩频系统的模拟。产生的所示波形如图3所示。

观察示波器显示的波形如图3,从上往下有五显示的波形。下面我们分别对这五个波形进行介绍:(1)全“-1”的结果表示输出的m序列与自己异或运算后得到全“0”序列,经过双极性变换后的全“-1”序列。(2)全“1”的结果表示输出的m序列与取反以后的m序列异或运算后得到全“1”序列,经过双极性变换后的全“1”序列。(3)图中的方波表示输出的m序列与延迟3个码元并且取反以后的m序列异或运算后得到的序列,它仍然是码元速率与m序列相同的二进制序列。实验证明,当延迟数为1~14时,取反与否结果是一样的码元宽度为1的双极性二进制序列。(4)图中的波形表示波形3序列积分后的结果(积分区间为15个码元,即m序列的周期)。因为“1”和“-1”频繁地、概率相等的出现,所以积分结果在“0”附近徘徊。(5)图中的锯齿波表示输出的m序列与延迟15个码元的m序列异或运算得到全“0”序列,经过双极性变换后得全“-1”序列。全“-1”序列在积分15个码元周期后得到-15.实验证明,延迟0、15或者15的整数倍结果都是一样的,这是m序列的周期性造成的。如果将波形2的序列积分15个码元周期后将得到15。

信号在传输过程中叠加了干扰与噪声,只会使积分绝对值小于15,但是其他的信号只会在0附近变化。m序列周期越长,扩频增益越高,即积分后的绝对值愈大,错判的概率就愈小。用与扩频时完全相同的m序列做解扩操作与用其他序列做解扩操作的输出有巨大的差别,这就是扩频通信的基本,正常解扩以后的信号与其他的扩频信号在频谱特性上的巨大差距,是区分它们的重要依据。

摘要：阐述了扩频通信的基本原理、主要性能指标及其工作特点,借助于MATLAB6.5软件建立扩频通信系统仿真模型并进行仿真,通过示波器直观地对扩频通信波形进行了分析。

关键词：通信仿真,扩频,通信,MATLAB

参考文献

[1]李建东.移动通信[M].第四版.西安:西安电子科技大学出版社,2006.

Matlab系统 第5篇

基于MATLAB的电传控制系统仿真与分析

MATLAB语言在控制系统仿真与分析方面具有众多优点,文章具体分析了基于MATLAB语言的`SIMULINK模型的仿真求解方法.以某型飞机为例,分析了该飞机纵向通道、横向通道及航向通道的工作原理,并对该飞机电传控制系统进行数值仿真.通过仿真,讨论了电传控制系统对飞机动态性能的影响.

作 者：张亮 葛志浩 董新民 ZHANG Liang GE Zhi-hao DONG Xin-min 作者单位：空军工程大学工程学院,陕西,西安,710038刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：12(5)分类号：V247关键词：电传控制系统 数值仿真 动态特性

Matlab系统 第6篇

关键词：充放电检测；多任务调度；时间片轮转；串口工具箱；句柄绘图

随着石油价格的不断调高，人们承担了越来越多的燃料成本压力。多数人开始关注以其他能源为能量的交通工具，以电池为能量来源的出行工具越来越多。而电池的安全、寿命等性能也日益引起人们的关注。目前能够被电动自行车采用的有以下三种：铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。因为铅酸蓄电池成本低，性价比高，现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池。本文就针对单节铅酸蓄电池设计的充电特性监测系统。

1 系统概述

与电池充放电有关的参量包括：电池端电压、充电电流、电池温度等。因此，系统需要实现这三个参数的准确采集。系统框图如图1所示，系统由MCU、模拟采样电路、温度采集电路和上位机组成。MCU采集电池充放电时端电压、电流和温度信息，然后信息通过串行通信接口发送到上位机，再由MATLAB接收处理，并绘制曲线。电流和电压每秒采集10次，温度每秒采集1次。MCU每秒向上位机传递一组数据，MATLAB跟踪更新数据，达到动态显示电压、电流、温度的效果。

2 硬件设计

2.1 MCU选择

本监测系统的MCU选用了STC12C5A60S2，芯片资源有：60K的flash，1280字节高速RAM，8通道10位A/D、2通道UART、2通道16位定时器、1通道内部看门狗定时器。晶振选择为11.0592MHz。

2.2 温度采集芯片选择

温度采集的电路芯片选用Dallas公司生产的DS18B20，它是DALLAS公司生产的线式数字温度传感器，采用3引脚T0-92型小体积封装；温度测量范围为-55℃～+125~C，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字方式串行输出。具有直接输出数字信号，不存在信号传输过程干扰、扩展方便、不需要设计另外的信号调制电路等优点。

为了使温度的采集更准确，本系统使用两片DS18B20，A/D转换精度选择为12位，贴在电池壁的不同位置。

2.3 电流和电压检测电路设计

电压检查使用电阻分压，经电压跟随电路到A/D转换接口。运放的作用是提高输入阻抗，减小检测电路对充电电路的影响，提高测量精度。

电流检测有两种方法：高端检测和低端检测。低端检测实现起来比较容易，但是这种方案的坏处是负载会比实际地线抬高一个直流电压，測量不准确；另外，电源和负载具有不同的参考地，对EMI的控制不利。高端检测的难点在于输入端存在共模电压，测量电路复杂。本系统采用Maxim的MAX4173来测量差模电压，其内部包括一个差分放大器 。选择两片MAX4173能够实现电流的双向采样，电流检测电路如图2所示。

3 MCU软件设计

MCU完成功能包括读两路A/D转换(电压、电流)；读两路DS18B20转换结果；串口通信。电压、电流变化较为剧烈，采样周期要短，但周期短会造成数据量大，加重传输和数据分析负担，经权衡，取电压、电流的采样周期为0.1s。温度是一个时间参数较长的物理量，可以放宽采样时间，这里取采样周期为1s。

3.1 MCU程序

为协调各个功能的实现，本文参考了多任务调度算法和时间片轮转算法。多任务调度算法，是按照实际要求将单片机要实现的功能划分成多个任务模块，并规定优先级别，由一个任务调度模块统一控制执行顺序。CPU的控制权按不同优先级分配给不同的任务模块，各个模块分别在自己的执行时间内访问CPU，形成微观上轮流执行，宏观上并发运行的多任务效果，如图3所示。

本系统中的几个任务对时间要求比较敏感，单纯使用多任务调度不能满足需求。结合时间片轮转算法，在任务分配时考虑时间限制，并将任务区分优先级。优先级高的任务先执行。为保证采样周期的稳定，A/D转换和启动温度转换的优先级较高，串口发送晚几十毫秒不会造成不良影响，所以优先级较低。程序简要流程如图4所示。

其中，任务调度模块包含各任务的时间信息，如A/D转换0.1s一次，启动温度检测1s一次，读温度则40ms一次，串口发送0.1s一次。若任务中包含多个子功能快，借鉴有限状态机(FSM)算法，每次执行一个子功能，直到本任务执行完成。

其中A/D转换比较简单，不再赘述。主要注意一点，启动A/D后要等待转换完成再读结果，否则读出的是将上次转换结果 。

void do_sent_data16(UINT data_sent)

{

while (ASIF6 & 0x02) /*等待转换完成 */

;

TXB6 = data_sent >> 8;

while (ASIF6 & 0x02)

;

TXB6 = data_sent;

}

3.2 DS18B20程序

DS18B20的操作分为3个步骤：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。DS18B20的操作时序如图5所示。从时序图中可以得出，DS18B20对操作时序要求比较严格，否则将导致操作失败。

根据时序图所示，每读一位数据需要60us延时，为了延时精确，采用的方法是查看汇编语言，计算需要加入的空指令(NOP)个数。

根据时序要求编写代码后，有如下统计，启动温度转换时间约为2.5ms，读温度时间约为10.25ms，这些时间量都远小于一个时间片(20ms)的长度，符合要求。为达到12位精度，器件手册要求两次启动温度转换时间间隔不得低于750ms。温度采集1s一次可以实现。读取温度任务流程图如图6所示。

图6中，SenseNo是指DS18B20的序号，SENSE_CNT为器件总数。读取不同DS18B20的方法是器件自身的ID，这个ID可以通过程序读出，但较为繁琐。为了减轻程序的负担，我们事先通过其他方式读出每个器件的ID，读温度时直接使用，简化了任务。

3.3 通信规约

系统每1s将采样的数据传递给上位机，为了保证传输可靠，制定如下通信规约：

共4组数据，电压(24Byte)、电流(24Byte)、温度1(6Byte)、温度2(6Byte)。波特率取19200bps时，最长的一组传输时间约为12ms，小于一个时间片长度，满足要求。任务中，每次发送一组数据，算法类似读温度任务。

4 MATLAB程序设计

为了便于作图和数据分析，我们采用MATLAB作为上位机开发工具。主要任务包括与MCU串口通信；数据的尺度变换；并在同一界面上画出4条曲线。

4.1 串口通信及数据处理

从Matlab6.0 版本开始，Mathworks 公司在软件中增加了设备控制箱(instrument control toolbox)，提供了对RS-232/RS-485 通信标准的串口通信的正式支持。利用该工具箱的serial类及instrcallback回调函数，能可靠地进行实时串行通信。

nlc202309021645

串口操作的顺序是(1)创建串口并设置属性；(2)打开串口；(3)读写串口操作；(4)关闭并清除串口设备对象。

读取数据后，根据规约提取电压、电流和两路温度数据。由于这些数据为原始的A/D转换数据，没有实际的物理意义，所以需要进行尺度变换。即将数据代表的物理意义表示出来。比如，电压检测，A/D参考电压为5V，那么对于10位ADC来说，转换结果N代表的电压值为：N*5/1024。尺度变换完成后存入缓冲区。

4.2 句柄绘图

系统需要显示3个物理量，电压、电流和温度。由于物理单位、采样周期不同，需要绘制3个坐标系分别显示。MATLAB中并没有提供这样的绘图函数，这里用到了MATLAB的句柄绘图功能。

MATLAB在创建每一个图形对象时，都为该对象分配唯一的一个值，称其为图形对象句柄(Handle)。句柄是图形对象的唯一标识符，不同对象的句柄不可能重复和混淆。图形对象包括根屏幕、窗口、坐标轴、线等。所谓的句柄作图就是利用底层绘图函数，通过对对象属性的设置(Handle Graphics)与操作实现绘图。

5 运行实例分析

使用该系统对一节铅酸蓄电池(12V)充电进行监控，电脑效果如图7所示：

图7中，横坐标为时间轴，每秒更新一次；纵坐标有三个，分别是左侧坐標电流和电压，右侧坐标温度；电流曲线为红色，电压为黑色，温度1为蓝色实线，温度2为蓝色虚线，4条曲线分别对应各自的坐标。

一般情况下，由于蓄电池内阻，电化学反应速度等因素影响，充电时的端电压要比静置时高，放电时要比静置时低。蓄电池使用时间越长内阻越高，对充放电电流也就越敏感。如图所示，充电电流的微小变化(0.1A左右)引起了端电压的剧烈波动(9V左右)。蓄电池端电压对充电电流及其敏感，说明蓄电池内阻很大。另外，对于一节性能较好的的铅酸蓄电池，静置时电压在11V~13V之间，而该电池静置端电压不到6V。能够推断该蓄电池已经严重损坏。

6 结束语

通过该系统，我们能够非常直观地监控蓄电池端电压和充放电电流的关系，以及温度的变化，有助于研究蓄电池充放电特性，更加科学、高效地管理蓄电池，为电动汽车电源管理提供依据。

参考文献

[1] 张秋菊 王凤贺 多任务调度算法在单片机控制系统中的应用 《光电对抗与无源干扰》 2002年03期

[2] 陈劲松 陈新明 魏忠 时间片轮转算法在单片机程序设计中的应用 《电子技术应用》

[3] 薛天宇.一种实时多任务系统软件设计方法[J].电子技术应用，2001年04期

[4] 周航慈.单片机应用程序设计技术(修订版).北京航空航天大学出版社，2002年11月.ISBN：781077238

[5] 袁涛，李月香，杨胜利.单片机C高级语言程序设计及其应用.北京航空航天大学出版社.2001.10.ISBN：7810771175

[6] 施晓红，周佳.精通GUI图形界面编程北京大学出版社，2003 ISBN 7301061021

[7] 彭燕.蓄电池智能检测.微计算机信息.2007.23(1)

[8] 郭屹松.基于DS2438的智能电池监测系统设计.北京石油化工学院学报2008，16(3)

作者简介

张雷(1978-)，中级工程师，研究方向：电气工程。

收稿日期：2011-08-09

Matlab系统 第7篇

系统分析就是已知系统结构和参数,研究系统的特性或计算给定激励下系统的输出,分析的实质是根据系统模型进行数学运算。因此,建立描述系统的数学模型是系统分析的基础;计算系统的单位冲激响应、频率响应和各种输出响应是系统分析的重要内容;图示分析结果有助于对分析内容的直观理解。下面以线性时不变连续时间系统为例,实例介绍借助状态变量创建系统模型的建模方法,并用拉普拉斯变换法对系统进行时域分析和频域分析,列出用MATLAB计算和图示各种响应解析解的实现程序。

1 系统模型的创建

1.1 电路网络系统模型的创建

一般说来,由电路网络建立状态方程的步骤如下:

(1)选择电容的电压和电感的电流作为状态变量;

(2)对每个电容,应用KCL写出该电容的电流与其它状态变量和输入量的关系式;

(3)对每个电感,应用KVL写出该电感的电压与其它状态变量和输入量的关系式;

(4)对步骤(2)、(3)所建立的方程式,两边分别除以C或L就得到状态方程;

(5)用KCL、KVL写出用状态变量和输入量表示的输出,即得到输出方程。

实例1:电路网络如图1所示,试求该电路的系统函数并写出系统的微分方程。

选择电容的电压和电感的电流作为状态变量,根据电路列写KCL和KVL方程,整理得到状态方程和输出方程:

将电路参数代入即可得到状态矩阵。将状态矩阵转换成系统函数的MATLAB程序如下:

由系统函数可直接写出微分方程:

1.2 结构框图系统模型的创建

结构框图是描述系统更通用的一般形式。由结构框图建立状态方程的一般规律是:

(1)选取积分器的输出(或微分器的输入)作为状态变量;

(2)围绕加法器列写状态方程和输出方程。

实例2:系统的结构框图如图2所示,试求系统函数并写出系统的微分方程。

根据系统框图列写状态方程和输出方程如下:

由状态方程和输出方程可直接写出状态矩阵。转换成系统函数的MATLAB程序如下:

2 连续系统的时域分析

连续系统的时域分析主要是求解系统在连续信号激励下的输出。一个线性时不变连续时间系统可以用线性常系数微分方程描述,对系统的时域分析可归结为如何利用数学方法对该方程求解。早期的经典法就是直接求解微分方程[2],得到与齐次解对应的自由响应和与特解对应的强迫响应。这种方法计算复杂、花时费力。利用拉氏变换可简化运算,间接求解微分方程。设LTI因果系统的微分方程一般式为:

一般从激励信号的加入时刻开始计时,起始状态(简称0-状态)包含了计算未来响应的全部过去信息。对微分方程两边进行下限为0-的单边带拉氏变换,利用拉氏变换的微分性质,并考虑到x(0-)及其各阶导数都为0,得:

根据系统的微分方程,可直接写出A(s)和B(s),由系统的起始状态可算出C(s),将系统输入进行拉氏变换可得到X(s)。系统函数H(s)=B(s)/A(s),将系统函数进行拉氏反变换就是单位冲激响应;将C(s)/A(s)进行拉氏反变换得到零输入响应;将B(s)⋅X(s)/A(s)进行拉氏反变换得到零状态响应;零输入响应与零状态响应的和即为全响应。整个分析过程均可用MATLAB实现。

利用MATLAB实现时域分析的m程序如下:

clc;close all;clear;

syms s t%定义符号对象

a=[1,6,15,24];b=[0,0,2,4];%系数向量,不足可在前面补0对齐

As=poly2sym(a,'s'),Bs=poly2sym(b,'s'),%将系数向量变为符号多项式

xt=10*exp(-0.5*t)*heaviside(t),%定义输入

Xs=laplace(xt),%输入拉氏变换

y0=[1,0,-12];%定义起始状态

%求Cs,注意系数标号与变量下标的关系

Cs,%显示Cs符号多项式

ht=ilaplace(Bs/As);ht1=vpa(ht,4),pretty(ht1),%求冲激响应,保留4位有效数字,输出便读式

yt=yzit1+yzst1,pretty(yt),%计算全响应的解析解

%绘图程序:

t1=linspace(0,5,100);%在0到5秒取100个时点

ht2=subs(ht1,t,t1);%利用置换函数求冲激响应各时点的数值解

subplot(2,1,1);plot(t1,ht2),%绘冲激响应

xlabel('时间(秒)'),ylabel('幅度'),%加标签

grid,title('系统冲激响应'),%加网格和标题

yzit2=subs(yzit1,t,t1);%求零输入响应

subplot(2,1,2);plot(t1,yzit2,'k:'),%绘零输入响应

yzst2=subs(yzst1,t,t1);%求零状态响应

hold on;plot(t1,yzst2,'r-.'),%同窗绘零状态响应

yt2=subs(yt,t,t1);%求全响应

plot(t1,yt2,'b-'),%同窗绘全响应

legend('零输入','零状态','全响应',0),%加响应图例,位置自动最佳

xlabel('时间(秒)'),ylabel('幅度'),%加标签

grid,title('系统响应'),%加网格和标题

程序运行结果及图示略,注意利用ilaplace函数计算各响应时域解析式时,输出结果一般还要进行手工合并处理。拉氏反变换也可用部分分式展开法计算[3],大致包括三步:首先将相函数化简成有理分式形式;然后用residue函数求出留数和极点;最后再通过查表得到原函数的解析式。如果只需计算系统响应的数值解或图示系统响应,则调用impulse函数或lsim函数更简单,关于这些函数的应用实例可参考文献[4]。

3 连续系统的频域分析

连续系统的频域分析主要是寻求系统在不同输入信号激励下,系统输出随频率变化的规律。一个稳定的连续时间系统,其频率响应就是系统函数在S平面虚轴上的取值,计算系统的频率响应,可将系统函数的S变量用代入得到。频率响应是一个复函数,其模叫幅度响应,其相角叫相位响应,它反映了输入信号的频谱经系统后所发生的变化规律。从幅频曲线上可直观看到各频率分量的幅度变化情况,从相频曲线上可直观看到各频率分量的相移情况。根据频响曲线分析系统对信号频谱的影响,概念清楚、简单直观。但要将一个较复杂的频率响应复函数手工转化成幅度响应和相位响应并图示,计算量大且容易出错,图示结果也不一定精确。利用MATLAB函数这些问题都可迎刃而解。

实例4:计算并图示实例2所示系统的频率响应。

利用MATLAB实现频域分析的m程序如下:

clc;close all;clear;

syms s w%定义符号对象

Hjw=compose(Hs,s),%利用复合函数计算并显示频率响应解析解

w_num=linspace(0,10,100);%在0到10 rad/s范围内取100个频点

Hjw_num=subs(Hjw,w,w_num);%利用置换函数求频率响应各频点的数值解

mag=abs(Hjw_num);pha=angle(Hjw_num);%计算幅度和相位

subplot(2,1,1);plot(w_num,mag),%绘幅频特性曲线

xlabel('频率(rad/s)'),ylabel('幅度'),%加标签

grid,title('幅频特性曲线'),%加网格和标题

subplot(2,1,2),plot(w_num,pha),%绘相频特性曲线

xlabel('频率(rad/s)'),ylabel('相位'),%加标签

grid,title('相频特性曲线'),%加网格和标题

该程序过程清晰、容易理解,从绘制的频响曲线可知该系统是一个非线性相位的低通系统。如果只需绘制系统的频响曲线,直接调用freqs函数则更简便。

4 结束语

严格地说,只有符号运算才能实现连续时间系统的计算机分析。将MATLAB的数值计算、符号运算和连续系统的拉氏变换分析法有机结合,不仅使大量的手工计算得以简化,也能得到系统分析的解析解,使得系统分析更为简便和高效。当样本点足够密时,各样本点的数据可近似表示连续信号,故用MATLAB的绘图功能,也可直观图示分析结果,有利于深入理解分析内容。

摘要：创建微分方程是分析线性时不变连续时间系统的基础,时域分析和频域分析是系统分析的重要内容,拉普拉斯变换是分析系统的有效工具。文章介绍了系统模型的创建方法,并用拉普拉斯变换对连续时间系统进行了时域和频域分析,实例列举了MATLAB实现的程序。

关键词：MATLAB,连续时间系统,系统分析,拉普拉斯变换,系统函数

参考文献

[1]吴湘淇.信号与系统(第3版)[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]郑君里,应启珩,杨为理.信号与系统(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2000:42-52.

[3]陈从颜,翟军勇.信号与系统基础[M].北京:机械工业出版社,2009:85-89.

Matlab系统 第8篇

汽车牌照自动识别系统是以汽车牌照为特定目标的专用计算机视觉系统,是计算机视觉和模式识别技术在智能交通领域的应用。车牌的自动识别系统主要包括车牌定位和车牌字符识别两部分。它可以广泛应用于交通流量检测,交通控制与诱导,机场,港口,小区的车辆管理,不停车自动收费,闯红灯等违章车辆监控以及车辆安全防盗等领域,具有广阔的应用前景。主要从车牌照定位和字符识别两方面进行研究,并通过Matlab仿真试验验证。

2 车牌牌照识别

在汽车牌照识别中,主要将牌照部分突出显示出来进行文字识别,去除其他一切不相关因素。

车牌区域的识别分为以下3个步骤:图像预处理;通过统计算法找出车牌的范围;最后通过修剪得到最后图像。

2.1 图像预处理

对原始图,如图1所示,使用Pixval函数来获得牌照的背景色的红、绿、蓝分量亮度值和坐标。

2.2 车牌定位

对牌照在X、Y方向上统计,做出统计图,如图2、3所示。统计的目的是找出车牌背景在整个图像中的坐标范围。统计完成后,得到车牌的大体外围。

2.3 字符识别

对原始图像进行切割,显示在Y方向的图像范围,如图4所示,然后找出它在X方向的图像范围,最后对其进行修剪、放大显示识别结果,如图5所示。

3 结语

从Matlab编程运行结果看,这里采用的图像识别算法对车牌的定位非常有效,该算法可有效检测车牌图像,通过对多个车牌进行试验,正确率高,与传统的采用C++语言程序相比,工作量和开发周期都减少很多。实际应用中,牌照识别系统的识别率与牌照质量和图像拍摄质量密切相关,还会受到各种因素影响,这里选用的车牌颜色必须要不同于图像整体背景颜色,否则将无法提取出车牌区域,该系统还需不断完善识别系统和算法。

摘要：汽车牌照识别是图像识别领域的重要研究课题,提出一种基于Matlab的车牌识别系统有效解决了在自然背景下,车辆牌照的定位和字符识别的问题。实践验证,该系统在车牌识别方面效果明显。

关键词：Matlab,车牌定位,字符识别

参考文献

[1]宋建才.汽车牌照识别技术研究[J].工业控制计算机,2004,(4).

[2]崔江,王友仁.车牌自动识别方法中的关键技术研究[J].计算机测量与控制,2003,11(4):260-262.

[3]龚声蓉,刘纯平,王强.数字图象处理与分析[M].北京:清华出版社,2006.

[4]冈萨雷斯.数字图像处理(MATLAB版)[M].北京:电子工业出版社,2007.

Matlab系统 第9篇

通信系统的计算机模拟与仿真是促进现代通信技术快速发展的重要手段。无论是实用系统的精细规划与设计, 还是新型传输系统的探索与研究, 都要遇到冗长繁杂的计算;此外要验证其性能是否合乎要求, 如果每次都直接用真实系统进行实验, 不仅耗资昂贵、费工时, 有时甚至难于找到问题症结所在。解决上述问题的有效方法就是采用计算机仿真技术, 即通过建立器件、部件乃至系统的模型, 并用模型在计算机上做实验, 利用计算机的高速运算处理能力, 以完成通信系统设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。显然, 建立现代通信系统的计算机仿真平台, 既能提高设计的一次成功率, 缩短新产品研制周期和节省投资费用, 还可以广泛应用于虚拟实验室和网上实验室, 服务于教学和人才培养。

2 现代通信平台分析

通信类专业相关课程《信号与系统》《数字信号处理》《通信原理》《数字通信》《移动通信》等理论性强、直观性差、趣味性差, 学生学习难度大。通常在学习过程中, 专业知识的学习与实践是靠课堂讲授和数量不多的作业以及十分有限的实验来完成二者的结合的。所学理论抽象, 数学计算复杂, 实践机会不多, 且间隔周期又长, 难以较快掌握。多媒体课件在某种程度上可以缓解抽象理论的推导, 生动的再现相关原理、波形, 但那只是书本知识的单调再现, 不能灵活实时显示系统实际情况。再由于专业设备昂贵, 而实践机会大多是在实验箱上进行验证性实验, 并不能根据实际情况进行相关参数的修改, 无法提升学生的创造力, 学习效果不明显。现代通信系统的动态仿真平台的建立, 演示系统随参数变化的变化结果或变化趋势, 既能帮助学生更好地理解和掌握理论知识, 又能将硬件实验与软件仿真实验相结合, 弥补实验手段的不足, 丰富实践教学环节, 提高学生的学习兴趣。

3 现代通信平台设计的功能

基于MATLAB的通信系统动态仿真平台包含4大模块:信源模块、信道模块、调制模块、多址技术模块。信源模块中实现信号的产生及信源编码;信道模块中实现各种噪声信道;调制模块实现正交振幅调制 (QAM) 、正交相移键控 (QPSK) 、最小频移键控 (MSK) 、正弦频移键控 (SFSK) 、高斯最小频移键控 (GMSK) 等多种调制技术;多址模块中实现第三代移动通信系统WCDMA、CDMA2000、SC-CDMA2000中都采用的码分多址技术及第四代移动通信系统运用的时分和频分的多址技术。

4 现代通信平台的实现

时分多址中通信用户是靠不同的时隙划分来实现通信的, 以多址技术中的TDMA为例说明平台的实现方法和效果。其simulink仿真模型如图1。

多路不同信号在时间上隔离开, 由三个信号发生器, 分别产生正弦波、三角波、方波信号, 然后分别进入Subsystem (时分多址) 模块, 合并后再对信号进行解调。

采用典型参数在线可调的设计方式, 提供在线实时仿真功能, 模拟通信流程及各个通信节点的信号, 运用MATLAB中的GUI功能设计动态仿真系统, 如图2所示, 通过动态仿真系统, 方便实时数据修改, 实时了解通信各个节点流程。

5 结语

通信技术飞速发展, 通信系统复杂性不断增加, 传统设计已不能适应发展的需要, 通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视, 因此在设计新系统时, 要对原有的系统做出修改或者进行相关研究, 通常要进行建模和仿真, 通过仿真结果来衡量方案的可行性, 从中选择合理的系统配置和参数设置, 然后应用实际。本平台的设计与实现既能验证通信系统学习的效果, 也能进行通信系统的研究。

参考文献

[1]王云岭, 高建树.仿真技术在课堂教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报, 2004 (2) .

[2]张春龙, 成行洁.计算机仿真技术在实践教学中的应用[J].南通职业大学学报, 2002 (1) .

直流调速系统与Matlab仿真 第10篇

现今工控领域应用广泛的直流调速装置便是西门子直流调速装置系列中的6RA70,其容量范围为0.7～1 550 k W,额定电枢电流为15～2 000A。电枢回路使用三相全控桥式电路,用于单象限工作装置的功率部分电路为一组单独的三相桥,而用于四象限工作装置的功率部分则为反并联三相桥。励磁部分采用单相半控桥。

除了上述驱动回路外,6RA70还拥有强大的控制单元,不但可以精确地完成基本的调速要求,同时还具有强大的拓展功能,以应对一些特殊复杂的工艺要求,也为调试人员带来极大的便利。然而,即使6RA70功能如此强大,在实际调试过程中依然会遇到一些细节上的问题,最常见的便是利用装置自动优化功能,得到的速度环节PI值效果不理想。通常调试人员的方法是设定一个经验值,然后看最后效果。但是这个经验值设定多少,不同的调试人员会有不同的设定。对于这个问题,希望通过Matlab建立一套直流调速装置的仿真模型,利用模型计算出相应的PI参数,为调试提供一个数学参考依据。

2 调速原理

6RA70西门子直流调速装置采用双闭环控制系统,通过参数的设定,可以选择外环是速度反馈还是EMF电压反馈。而如今在大部分实际应用中,为了获得更高的调试精度,电机都会在主轴加装同轴编码器,以速度作为反馈值。本文将结合某厂一套飞剪系统进行仿真,其采用电流速度双闭环。以下仿真也是针对电流速度双闭环进行建模。

在直流调速双闭环系统中,电流环为内环,速度环为外环。同时,为了获得良好的静态与动态特性,转速与电流两个调节器都采用PI调节器。此外,速度调节器成为调速系统的主导调节器,使得实际速度良好地跟随速度给定,同时由于PI调节器的使用,稳态误差也将被大大减小;负载若有所波动,也可以被及时地调整;速度调节器的输出限幅还将决定电机所允许的最大电流。而电流调节器作为内环调节器,在速度调节器工作的过程中,它将使实际电流紧紧跟随电流给定(也是速度环的输出量);对于电网电压的波动,还可以起到抗扰动作用;当电动机过载或者堵转时,电流调节器的限幅限制了电枢电流的最大值,起到保护作用,一旦故障消失,整个系统又可以迅速恢复正常。

图1为双闭环调速系统结构框图。

由图1中可以看出,在ASR与ACR之前分别有速度和电流2个滤波环节,Ton,Toi为滤波时间常数。ASR与ACR分别是转速调节器与电流调节器,采用PI调节,以获得良好的静、动态特性。通常会把电力电子变换器近似为Ks/(Tss+1)这样1个一阶惯性环节,Ks由整流单元输出电压与整流单元控制电压的比值决定,Ts为装置平均失控时间,根据整流电路形式的不同,会有不同的取值。整流单元之后是额定励磁下直流电动机的结构框图,它被分成3个部分进行表示,Tm为电机惯性时间常数,Tl电磁惯性时间常数,R为电枢回路总电阻,Ce为电动势系数。α,β分别为转速反馈系数与电流反馈系数。由于电流转速的输入信号前有滤波,产生了延迟,因此为了使反馈信号与控制信号同步,反馈系数需要配置响应的延时。

需要指出的是,在实际应用中,为了补偿电流波动引起的电压波动,减小PI调节器的调节量,从而提高系统的响应速度,6RA70在电流环中加入了预控环节,减小了PI调节器的调节量,大大提高了系统响应速度,但实际上,它对于PI参数的计算不产生任何影响,为了简化仿真模型,便于计算,模型中这部分将不予体现。

3 Matlab仿真

3.1 数学模型的仿真

基于前面所分析的6RA70直流调速装置,以图1为基础,建立数学仿真模型。由于本飞剪系统在整个运行过程不进行弱磁调速,励磁始终为额定励磁。图2为额定励磁时,直流调速系统的数学仿真模型。参数选择结合某厂一台飞剪电机的真实参数进行设置。

3.1.1 电机环节

此飞剪电机为直流电动机,额定电压UN=800V,额定电流IN=2 513 A,额定转速nN=690 r/min,电枢回路电阻Ra=0.033Ω,电感La=0.002 32 H,换算到电机侧的转动惯量J=1 150 kg·m2。电机模型的计算如下:

图1中电机环节的参数为:Tl=0.070 3 s,Tm=0.385 s,Ce=1.039。

3.1.2 整流环节

由于控制信号最大值为10,而电机额定电压为800 V,通过规格化可知整流环节增益为Ks=80;因为整流单元采用三相桥式整流电路,所以整流装置失控时间取经验值3.34 ms。

3.1.3 电流环节

在6RA70装置的实际调试时,通常电流与转速的滤波环节设置为0,所以在建模时将滤波环节省去,与图1有所不同。对于内环电流环,希望在无静差的同时又可以减小超调,因此选用Ⅰ型系统,但是由图2可以看到电动势作为一个扰动量会对传递函数的求解带来许多不便,由于速度环响应要比电流慢许多,在电流变化瞬间,速度是不变的,因此在计算传递函数时将其省略。典型Ⅰ型系统参数求解公式如下:

为了让电流环实现无超调,Ⅰ型系统KT关系系数选择为0.25,结合参数求出电流调节器比例系数KIP=0.67,积分系数KIt=9.536,正负限幅设置为±10;电流反馈系数设置为0.003 98,反馈系数由给定的最大值与额定电流的比值来确定。

3.1.4 转速环节

电流环设计成为一个Ⅰ型系统,而速度环也拥有自己的PI调节器,为了同样达到无静差,速度环将选用Ⅱ型系统,其参数求解公式如下:

同时根据飞剪性能要求快速响应尽量减小超调,中频宽度h选定为8,从而可求的速度调节器比例系数KNP=17.49,积分系数KNt=20.457,正负限幅设置为±10;速度反馈系数设置为0.014 5,反馈系数由给定的最大值与额定转速的比值来确定。

需要指出的是,由于Matlab中的PI调节器有自己特定的写入格式,上面电流转速2个PI调节器所设定的积分系数,并不是6RA70中所设定的积分时间,而是比例系数与积分时间的比值。

根据图2建立模型,设定参数,进行仿真,仿真算法使用ode23tb,仿真时间15 s。飞剪的运行特性要求转鼓在短时加速到最大速度,剪刃到达剪切位时,利用惯性剪切带钢,所以除剪切那一瞬间,其他时段近似于空载。此时速度给定690r/min,负载电流给定300 A(相当于空载运行电流)。仿真结果如图3所示。

由图3可以看出这个系统在电流限幅100%时,3.6 s完成速度升至690 r/min。这套飞剪系统在实际应用中可允许300%的短时过载,换算后可知在3倍过载的情况下,1.2 s便可完成响应,符合工艺要求。

3.2 电路模型的仿真

Matlab中为用户提供了强大的元件库,以便搭建与实际电路相接近的主电路。在数学模型的基础上,运用SimPowerSystems将数学模型中的整流环节和电机环节修改为电路模型,同时增添脉冲触发等环节,如图4所示。

图4中首先设置10 kV的三相工厂进线,再通过Y/Y接法的整流变压器和同步变压器,将电压分别变压为800 V与220 V,供三相整流回路与脉冲触发回路使用;考虑到整流环节在工作时会使动力变压器二次侧波形产生畸变,所以需要根据电压与电流来设置阻容保护环节;整流回路将三相交流电压整流为电机所需的直流电压,通过的平波电抗器供直流电动机使用;而脉冲触发环节即需要同步变压器提供电压的同步信号,同时还需要控制回路提供触发角的给定,由于控制原理相同,而控制回路由数学模型修改而来。

为了同数学模型仿真结果进行相应的比较,两个模型设定完全相同的参数进行仿真,仿真算法也使用ode23tb,仿真时间15 s,速度给定690r/min,负载电流为300 A,仿真结果如图5所示。

由图5中可以看出,仿真结果与数学模型大体相同,响应时间3.6 s,稳态电流300 A。但一些细节还是有所差别的,这是由于电路模型比数学模型更为复杂、真实所造成的。比如,电流的超调要比数学模型中要大,这里主要有两方面原因:首先电机环节电路模型要比数学模型更为复杂,原先将电机近似模型化后算出的参数对于新的模型未必是最优的;其次,整流环节同样也相应地复杂化,特别是在仿真开始的一瞬间,如同整流回路合闸,会有一瞬时的冲击电压,这也是造成电流超调偏大的原因。同时发现,在电路模型建立过程中,其实更加贴近现实,从而对电气设计与现场调试具有更加直观的指导意义。例如,变压器与阻容保护的选定,直接影响到装置进线电压的品质,而平波电抗器的选择也会影响到电枢电压的品质等。因此,仿真模型在帮助调试人员确定参数值的同时,也对选定的器件进行着校验。

4 现场的实际应用

6RA70有着强大的自动优化功能,可以自动设置电流环节与速度环节的PI参数,但是常年的实际应用发现电流环参数相对准确,速度环偏差较大。所以众多工程调试人员在实际调试中舍弃自动优化出的速度环节参数,而保留了电流环节参数。

由于真实系统跟模型计算还是有不少差异的,诸如用于模型计算的参数本身就会与实际系统的参数存在误差;直流调速装置的程序中每一个功能块的运行也会占用一定时间。所以在电流环节参数准确的前提下,为了减小电流环节模型与实际不同所引起的误差,笔者在现场调试时也保留了装置自动优化出的电流环节参数,并且使用电流环节优化出的数值带入式(7)。进行计算后利用前面讲述的速度环节计算公式求得PI调节器的比例系数与积分时间。

本飞剪系统自动优化出的电流环节PI调节器参数为:比例系数PI=0.74,积分时间τI=0.086s。将其带入速度环节PI调节器计算公式可得:比例系数Pn=16.8,积分时间τn=0.111 s。经过一些调试改动,最终写入系统的速度环PI调节器参数为:比例系数Pn=14,积分时间τn=0.1 s。并且利用Trace采集实际波形如图6、图7所示。

由图6可看出,启动时波形大体与仿真结果相仿。同时通过图7可知,实际飞剪系统在电流限幅100%时1 s内的加速为29.7%,从而可以推算出速度从0加速到100%须用3.369 s,与仿真结果一致。由结果可以看出,建立系统的模型后,通过计算得出的参数对实际现场调试具有指导意义,可以让调试人员得到一个相对准确的数值,在这个数值的基础上再进行相应的调整,既可以减少调整次数,缩短调试时间,又可以得到良好的调试效果。

同时针对不同的系统要求,中频宽度h也是有不同的取值,h的取值会直接影响速度环计算结果。h减小,上升时间减少,超调增大,抗扰性能增强;h增大,上升时间增大,超调减小,抗扰性能相对变差。工程实践中证明h在3～10之间最佳。在现场,调试人员应根据不同实际情况进行相应的取值。

5 结论

本文首先介绍分析了6RA70直流调速装置的双闭环调速的工作原理,后以此为基础运用Matlab与实际系统参数对数学模型与电路模型分别进行了详尽的仿真,最后将两种模型仿真结果与实际波形进行了相应的对比。

利用建立的仿真模型,结合实际参数,可求出系统的所需参数,从而有的放矢的进行各个参数的调整,以期使得最终的调试结果尽善尽美。在仿真过程中,还可以对各个环节进行监控,来考量选用器件是否合乎标准。

在实际调试过程中,有些实验受限于机械、液压等条件不允许,也可以通过仿真来完成,以求出系统的极限参数,从而限定了参数范围,以免参数设置失当,造成不必要的损失。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]顾春雷,陈忠.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社,2011.

Matlab系统 第11篇

关键词：MATLAB；串级控制；PID整定

笔者在此介绍了一种采用基于MATLAB的增量式PID控制的双容无自衡串级贮槽液料控制系统，并在PID参数整定方法的作用下实现了控制系统的良好控制效果。

1 串级控制系统的相关特点和设计分析

在对纯滞后和时间常数较大的对象控制中可使用串级控制系统，其对于系统控制质量的提高主要表现在以下几个方面，第一，是它能够很好地克服副回路中的二次干扰；第二，它能够使控制对象的时间常数减小；第三，它能够使动态特性在被控过程中得到改善，依此使控制系统的工作频率得以提高；第四，这种串级控制系统还能很好地适应操作条件和负荷的变化。

主回路和主参数的设计选择。在某些条件下，最直接有效的质量指标也可被选为主参数，不然在选择主参数时相关人员还可以选择一个与产品质量有单值函数关系的参数，但是灵敏度和工艺过程的合理性是这个被选主参数必须满足的条件。

副回路和副参数的设计与选定。较强的抑制扰动能力和较快的调节速度是串级控制系统副回路具备的主要优势，所以相关人员可以把尽可能多的一些扰动干扰放在副回路的设计中以充分利用副回路自身的优势，使其减少干扰对主参数的影响以提高其控制质量。

2 基于MATLAB的串级控制系统分析

本文介绍的是一个串联式双容无自衡液位过程，由上方的进料管液料流进贮槽S1，然后再经过管道液料又流进贮槽S2，这时液料的流出受到变频调速器的控制，如果此变频调速器的工作频率是固定不变的，那么一个积分时间常数不变的积分环节就会在贮槽S2中构成，在当前的工艺生产过程中液料位通常被要求在贮槽S2中保持某一定值，令被控制量为h，使S1中进料体积流量q为控制变量，在这种情况下这个串联式双容无自衡液位過程的机构式可列为： =e

在这个串级控制系统中（如上图所示），副参数被选择为贮槽S1，主参数被选择为贮槽S2的液位h，当控制系统运行时来自反馈的贮槽液位测量值就会被变频器收集并实现与设定值的对此，之后相关数据值就会被送入PID模块进行计算，并实现输出频率的自动更改，以对液料流量和电机的转速实现调整，从而使贮槽液位实现稳定，和贮槽S1、S2分别对应的液位传感器1和2将对其对应的贮槽信号的检测结果在A /D转换的作用下传送到计算机，然后分别与两个PID调节器设定值对比，并实现对其差别进行判断和计算。

MATLAB的两个PID算法程序被上位机所调用 ，PID1的输入信号就是贮槽S2液料位信号与事先的系统设定值对比得到的偏差；然后该偏差会在PID1中实现运算并将信号输出，然后就将其作为贮槽S1的系统设定值，然后将贮槽S1液料位信号与该设定值进行对比，再将此偏差输入PID2进行运算，然后利用D/A转换应用于运算结果，从而使电机的输出频率被改变，实现了对水泵转速的调整，从而使控制系统实现了对贮槽S1控制，进而也控制了S2的目的。

3 串级系统的PID参数整定

在串级系统的整定中试凑法、两步和一步整定法是主要运用的工程整定方法。具体如下，首先应选一适当的副调节器，对其设置要根据纯比例控制规律并放大倍数KC2，在主调节器的设置中也应先置于纯比例控制规律作用下，然后将实现整个控制系统的工作，并在这个过程中利用相关单回路整定方法使主调节器参数实现调整，并在施行干扰的情况下，观察相关的运行状况，并在KC1和KC2相互匹配原理的支持下实现对调节器参数的改进，经过对系统的多次调试，当液位在贮槽S2中实现快速稳定于设定值时，反馈值也与设定值相同，当液位稳定后将扰动干扰加于贮槽S1，如果在副回路的校正作用下液位还受到影响的话，为了克服这种扰动的干扰主回路应该对此进一步实施调节，而保证扰动影响的消除，使液位处在设定值上。

Matlab系统 第12篇

实验教学是该课程理论学习中必不可少的部分。但是,在实验教学中面临很多问题,诸如高校需要花费大量的经费购置实验仪器;硬件实验仪器易于损坏、操作复杂、中间过程可视性差等。虚拟实验技术的出现使上述问题迎刃而解。虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目,所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[3]。虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境(平台仿真)之上,并且注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性。虚拟实验是现代实验教学的发展模式,它能够有效地补充和完善硬件实验,缓解实验设备不足和滞后等问题;允许出现误操作,获得“零”维护保障, 便于开展设计型、综合型实验;二次开发和维护容易。因此,研究信号与系统虚拟实验技术能够有效地补充完善课程的实验教学。

1 开发工具 MATLAB简介

MATLAB作为虚拟实验仿真最常用软件之一,在进行实验项目开发时能够有效弥补某些传统硬件实验箱的不足,利用其图形用户界面设计技术和强大的仿真功能完成原来在物理设备上所要完成的理论实验,不仅可将抽象理论知识运用图形、文字、数据等多种形式展现,更为实验教学提供一个界面友好、操作简便的虚拟环境[4]。

MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写,是美国MathWorks公司推出的商业化科技应用软件,是一套适合多学科的、功能强大的工程计算和系统仿真软件[5]。它也是一种面向对象的交互式程序设计语言,具有友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言、高效的数值计算及符号计算功能、完备的图形处理功能以及功能丰富的应用工具箱等特点。在利用其进行工程计算和系统仿真时,可以略去复杂的理论推导过程,使得编程快捷方便,易于实现。

MATLAB的GUI工具[6]是一种包含多种图形对象的界面,主要包括图形显示、功能按钮控件以及用户自定义的功能菜单等,利用属性、事件过程、菜单等编辑器,可以构建一个功能完善,界面良好的交互式操作平台,实现人机信息的交互。在设计界面内,用户可以根据提示完成整个工程,而不必关心工程内部如何进行工作。GUI设计主要依附于MATLAB环境提供的基本科学计算,同时也可利用GUIDE进行设计,方便的穿件各种图形句柄对象,实现仿真平台的用户界面设计。

2 虚拟实验系统设计

笔者借助于MATLAB软件及其GUI工具,开发设计可视化的信号与系虚拟实验平台,通过简单友好的交互式界面,完善实验教学。

2.1 系统模块结构

从信号与系统的理论教学内容着手分析,结合传统的信号与系统硬件实验箱实现的实验项目,将信号与系统虚拟实验系统分为信号实验和系统实验两大部分[7],然后针对每部分实验再分别从连续时间和离散时间两个方面进行虚拟仿真实现。信号实验方面主要包括:信号的表示和仿真、信号的时域运算、信号的变换(傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换);系统实验方面主要包括系统的时域分析、频域分析、S域分析以及Z域分析。同时兼顾连续和离散两种特性,对虚拟实验系统进行模块划分逐一实现,系统模块结构划分如图1所示。

2.2 系统GUI界面设计

GUI界面是由窗口、菜单、按钮、文字说明等对象构成的用户界面,用户通过一定的方法激活这些图形对象,使计算机产生某些动作或变化[8]。本系统的GUI界面设计主要是利用MATLAB中的GUIDE工具进行设计。设计中用到的控件有:静态文本框(Static text)、可编辑文本框(Editable text)、框架(Frames)、命令按钮(Push buttons)、列表框(List boxes)等;设计中涉及到的GUI界面主要包括虚拟实验平台主界面、每一个具体实验项目界面以及对应的仿真实例子界面等,其中进入虚拟实验系统主界面如图2所示。

3 仿真实例分析

3.1 实例一:信号波形仿真

在该课程的理论学习中,对常用的连续信号和离散信号一直没有比较直观的认识,很多只是停留在信号的数学表达式层面,并对由硬件实验箱实现的信号波形持有怀疑态度。虚拟实验仿真平台的设计,使得可以选择想要观察学习的信号,通过输入相关参数进行计算仿真,便可以直观地观察到信号的波形。以正弦信号f(t)=Asin(ωt+θ)和正弦序列f(k)=Asin(ωk+n)为例,对两种信号分别输入相应的参数值,计算输出的信号仿真波形分别如图3和图4所示,并且从两图中能直观地看出信号的三要素,即幅值A、频率ω和初相θ(或n)。

3.2 实例二:系统时域分析

对于线性时不变系统,连续时间系统以常系数微分方程来描述,离散时间系统以常系数差分方程来描述。如果系统的输入信号及初始状态已知,通过数学方法便可以很容易求出系统的冲激响应、阶跃响应、零输入响应和零状态响应。由于运用数学工具进行求解,得出的结果仍为数学表达式,学生很难直观地认识系统的激励和响应之间的关联。在本虚拟实验系统中,可以对激励和响应进行仿真输出,这样使得我们对其具有实时性、直观性和逼真性认识和理解。

以二阶LTI连续时间系统为例,其微分方程为:

undefined

取C0=1,C1=7,C2=10,E0=1,E1=1,E2=2,系统的激励e(t)=2sin(πt),起始状态r(0)=-6/5,r′(0)=2,输入相应参数,系统输出仿真结果如图5所示。

4 结论

主要介绍了基于MATLAB的信号与系统虚拟实验系统的设计思路和方法,并对具体实例虚拟仿真实现。该系统的实现对信号与系统课程的理论教学起到很好的辅助作用,通过虚拟仿真实现,摆脱了抽象的数学公式,加深了对复杂理论的理解和掌握,并且系统操作简单快捷,大大地提高了实验教学效果。

摘要：针对“信号与系统”课程理论性强、概念抽象、直观性较差等特点,利用MATLAB软件构建实现信号与系统虚拟实验仿真平台,通过对相关参数进行设置,在交互式平台上直观显示仿真实验结果,克服硬件实验系统的局限性,促进对抽象理论的快速理解,培养学生的创新意识和创新能力,实现更好的实验效果。

关键词：MATLAB,信号与系统,虚拟实验系统,GUI,仿真

参考文献

[1]杜世民.MATLAB在“信号与系统”教学中的应用研究[J].电气电子教学学报,2009(6):89-91.

[2]郑君里,应启珩,杨为理.信号与系统[M].第二版.北京:高等教育出版社,2008.

[3]黄琴,熊大红,沈岳,戴小鹏.基于MATLAB的信号与系统虚拟实验系统设计[J].计算机与现代化,2010(12):186-191.

[4]刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M].第二版.北京:高等教育出版社,2008.

[5]张化光,刘鑫蕊,孙秋野.MATLAB/SIMULINK实用教程[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[6]王峰,周昌雄.基于MATLAB的“信号与系统”实验平台设计[J].苏州市职业大学学报,2011(1):22-24.

[7]张昱,周绮敏.信号与系统实验教程[M].北京:人民邮电出版社,2009.