基于MATLAB可视化界面频域控制器及其使用方法与流程

本发明涉及一种基于matlab可视化界面频域控制器设计方法，该方法主要通过图形化界面(gui)实现控制器设计，解决控制器设计过程中繁琐的参数计算问题。

背景技术：

在工程控制领域，经常会遇到根据生产实际的要求，提出各项动、稳态性能指标，确定系统的结构、参数，选择合适的元器件，设计一个系统，最后进行校验，使其各项性能指标满足预期的要求。然而，大多数情况下,仅由系统固有部分组成的反馈控制系统，其动、稳态特性较差，甚至不能正常工作。因此,常常在系统中添加某些环节，来改善系统的性能，这个"某些环节"称为校正装置。而整个过程，就是控制系统的校正设计。

在实际工作中，系统校正设计过程是一个反复试探的过程，需要对校正器的参数不断调整、试探，而这个试探、调整的过程，即使拥有丰富的经验积累，仍然需要大量的繁复计算，最后还要通过验算来考验校正器的校正效果，若验算失败，则需要重新进行试探和调整。此外，对于一些结构复杂的系统，采用这种传统方法很可能无法完成校正。因此，寻找一种更简洁、高效的方法来实现控制系统校正设计是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于matlab可视化界面频域控制器及其使用方法，实现简化控制器的设计过程，可以简单的获得参数性能达到目标预期的传递函数。

本发明通过下述技术方案实现：

基于matlab可视化界面频域控制器，

校正前传递函数功能模块，包括：用于输入校正前开环传递函数参数、并构建和计算校正前开环传递函数的校正前传递函数模块；

校正前系统性能功能模块，包括：用于显示校正前开环传递函数的校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标的显示模块；

预期的性能参数与校正模式选择功能模块，包括：用于输入校正模式和预期校正后频域开环性能指标的预期输入模块；

校正器传递函数功能模块：包括：对校正前开环传递函数在校正模式下进行校正重构得到校正后开环传递函数、直到校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标的校正器；用于显示校正后开环传递函数的显示模块；

校正后系统性能指标功能模块：包括：用于显示校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标的显示模块。

基于上述内容，可以看出，本发明的设计原理为：

本发明在已知待校正系统的开环传递函数的前提下，以待校正系统校正后的开环传递函数的截止频率、幅值裕度、相角裕度3个频域指标为约束条件，即以上述校正前传递函数模块基于校正前开环传递函数参数构建的校正前开环传递函数的前提下，再以人为设置预期校正后频域开环性能指标(截止频率、幅值裕度、相角裕度3个频域指标)为约束条件，对控制系统校正方式(校正模式)已及校正参数(预期校正后频域开环性能指标)进行选取，系统会自动的在校正模式下修正校正前开环传递函数，使得校正前开环传递函数的性能指标满足预期校正后频域开环性能指标，此时修正后的开环传递函数，即为校正后开环传递函数，从而实现系统基于频域下的控制器设计。

本发明可以通过将控制器设计算法嵌入到matlab图形界面软件程序中，设计人员全程仅需进行2步操作，即先输入开环传递函数参数，用于构建校正前开环传递函数，在此基础上，再次输入校正模式和约束条件，即可，而传统的公式及繁琐的数字运算都将在软件后台自动运行，通过短时间的运行，便可在可视化界面上得到系统运算得出的控制器。设计人员通过比对计算出的控制器与预期的控制器性能指标的符合情况，从而确定经由该校正方式得出的控制器是否满足性能要求，如果不满足，则需要重新选择校正方式或者频域指标进行迭代设计以获取令人满意的控制器。

使用该界面对控制系统进行校正设计，可以极大的简化控制器的设计过程，操作简洁、直观，而且校正过程不需要进行任何人工计算，其工作效率大大提高。

优选的，所述校正前传递函数模块包括：

用于输入校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数的输入模块，

用于依据校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数构建校正前开环传递函数的构建模块；

用于计算开环传递函数的频域开环性能指标和频域闭环性能指标的计算模块。

优选的，所述校正器包括：

用于在校正模式下、重构校正前开环传递函数的校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数并得到校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数的校正重构模块；

用于依据每次重构后的校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数构建校正后开环传递函数的校正构建模块；

用于计算每次重构后的校正后开环传递函数的校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标的计算模块，

用于比较每次重构后的校正后频域开环性能指标与预期校正后频域开环性能指标的比较模块；

当比较校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标校时，校正重构模块停止重构。

优选的，用于显示校正后开环传递函数的显示模块将校正后开环传递函数的校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数分别显示。

优选的，

校正前频域开环性能指标包括校正前开环剪切频率、校正前相位裕度、校正前幅值裕度，校正前频域闭环性能指标包括校正前带宽、校正前谐振峰值、校正前谐振频率；

预期校正后频域开环性能指标包括预期开环剪切频率、预期相位裕度、预期幅值裕度

校正后频域开环性能指标包括校正后开环剪切频率、校正后相位裕度、校正后幅值裕度，、校正后频域闭环性能指标包括校正后带宽、校正后谐振峰值、校正后谐振频率。

优选的，校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标的标准为：校正后频域开环性能指标大于预期校正后频域开环性能指标。

优选的，所述校正模式为超前校正或滞后校正或pi校正。

优选的，还包括校正前系统开环波特图功能模块，包括：利用matlab可视化界面生成校正前开环传递函数的开环波特图的显示模块；

还包括校正后系统开环波特图功能模块，包括：利用matlab可视化界面生成校正后开环传递函数的开环波特图的显示模块。

优选的，校正前传递函数功能模块、校正前系统性能功能模块、预期的性能参数与校正模式选择功能模块、预期的性能参数与校正模式选择功能模块、校正器传递函数功能模块、校正后系统性能指标功能模块均利用matlab可视化界面生成交互界面，

其中，

校正前传递函数功能模块的校正前传递函数模块利用matlab可视化界面生成用于输入校正前开环传递函数参数的交互界面；

校正前系统性能功能模块的显示模块利用matlab可视化界面生成用于显示校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标的交互界面；

预期的性能参数与校正模式选择功能模块的预期输入模块分别利用matlab可视化界面生成用于校正模式输入和预期校正后频域开环性能指标输入的交互界面；

校正器传递函数功能模块的显示模块利用matlab可视化界面生成用于显示开环传递函数的交互界面；

校正后系统性能指标功能模块的显示模块利用matlab可视化界面生成用于显示校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标的交互界面。

基于matlab可视化界面频域控制器的使用方法，包括以下操作：

s1、对校正前传递函数模块输入校正前开环传递函数参数，校正前传递函数模块计算出校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标后，使用校正前系统性能功能模块的显示模块进行显示；

s2、对预期输入模块输入校正模式和预期校正后频域开环性能指标，校正器传递函数功能模块的校正器对校正前开环传递函数在校正模式下进行校正重构得到校正后开环传递函数，校正器传递函数功能模块的显示模块显示出校正后开环传递函数，并用校正后系统性能指标功能模块的显示模块显示校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标；

s3、查看校正后开环传递函数以及校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标，如果不满足要求，则更换校正模式或/和预期校正后频域开环性能指标后重复s2。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：该计算机具有可热切换、双电源、工作时间长、数据实时备份、可靠性高等特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明基于matlab可视化界面频域控制器及其使用方法系统图。

图2是校正前传递函数功能模块处输入参数的示意图。

图3是校正前系统性能功能模块输出参数的示意图。

图4是预期的性能参数和校正模式选择输入参数的示意图。

图5是校正后系统性能指标功能模块、校正器传递函数功能模块输出参数和波特图显示的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，

基于matlab可视化界面频域控制器，

校正前传递函数功能模块，包括：用于输入校正前开环传递函数参数、并构建和计算校正前开环传递函数的校正前传递函数模块；

校正前系统性能功能模块，包括：用于显示校正前开环传递函数的校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标的显示模块；

预期的性能参数与校正模式选择功能模块，包括：用于输入校正模式和预期校正后频域开环性能指标的预期输入模块；

校正器传递函数功能模块：包括：对校正前开环传递函数在校正模式下进行校正重构得到校正后开环传递函数、直到校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标的校正器；用于显示校正后开环传递函数的显示模块；

校正后系统性能指标功能模块：包括：用于显示校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标的显示模块。

基于上述内容，可以看出，本发明的设计原理为：

本发明在已知待校正系统的开环传递函数的前提下，以待校正系统校正后的开环传递函数的截止频率、幅值裕度、相角裕度3个频域指标为约束条件，即以上述校正前传递函数模块基于校正前开环传递函数参数构建的校正前开环传递函数的前提下，再以人为设置预期校正后频域开环性能指标(截止频率、幅值裕度、相角裕度3个频域指标)为约束条件，对控制系统校正方式(校正模式)已及校正参数(预期校正后频域开环性能指标)进行选取，系统会自动的在校正模式下修正校正前开环传递函数，使得校正前开环传递函数的性能指标满足预期校正后频域开环性能指标，此时修正后的开环传递函数，即为校正后开环传递函数，从而实现系统基于频域下的控制器设计。

本发明可以通过将控制器设计算法嵌入到matlab图形界面软件程序中，设计人员全程仅需进行2步操作，即先输入开环传递函数参数，用于构建校正前开环传递函数，在此基础上，再次输入校正模式和约束条件，即可，而传统的公式及繁琐的运算都将在软件后台自动运行，通过短时间的运行，便可在可视化界面上得到系统运算得出的控制器。设计人员通过比对计算出的控制器与预期的控制器性能指标的符合情况，从而确定经由该校正方式得出的控制器是否满足性能要求，如果不满足，则需要重新选择校正方式或者频域指标进行迭代设计以获取令人满意的控制器。

使用该界面对控制系统进行校正设计，可以极大的简化控制器的设计过程，操作简洁、直观，而且校正过程不需要进行任何人工计算，其工作效率大大提高。

优选的，所述校正前传递函数模块包括：

用于输入校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数的输入模块，

用于依据校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数构建校正前开环传递函数的构建模块；

用于计算开环传递函数的频域开环性能指标和频域闭环性能指标的计算模块。

优选的，所述校正器包括：

用于在校正模式下、重构校正前开环传递函数的校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数并得到校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数的校正重构模块；

用于依据每次重构后的校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数构建校正后开环传递函数的校正构建模块；

用于计算每次重构后的校正后开环传递函数的校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标的计算模块，

用于比较每次重构后的校正后频域开环性能指标与预期校正后频域开环性能指标的比较模块；

当比较校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标校时，校正重构模块停止重构。

优选的，用于显示校正后开环传递函数的显示模块将校正后开环传递函数的校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数分别显示。

优选的，

校正前频域开环性能指标包括校正前开环剪切频率、校正前相位裕度、校正前幅值裕度，校正前频域闭环性能指标包括校正前带宽、校正前谐振峰值、校正前谐振频率；

预期校正后频域开环性能指标包括预期开环剪切频率、预期相位裕度、预期幅值裕度

校正后频域开环性能指标包括校正后开环剪切频率、校正后相位裕度、校正后幅值裕度，、校正后频域闭环性能指标包括校正后带宽、校正后谐振峰值、校正后谐振频率。

优选的，校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标的标准为：校正后频域开环性能指标大于预期校正后频域开环性能指标。

优选的，所述校正模式为超前校正或滞后校正或pi校正。

优选的，还包括校正前系统开环波特图功能模块，包括：利用matlab可视化界面生成校正前开环传递函数的开环波特图的显示模块；

还包括校正后系统开环波特图功能模块，包括：利用matlab可视化界面生成校正后开环传递函数的开环波特图的显示模块。

优选的，校正前传递函数功能模块、校正前系统性能功能模块、预期的性能参数与校正模式选择功能模块、预期的性能参数与校正模式选择功能模块、校正器传递函数功能模块、校正后系统性能指标功能模块均利用matlab可视化界面生成交互界面，

其中，

校正前传递函数功能模块的校正前传递函数模块利用matlab可视化界面生成用于输入校正前开环传递函数参数的交互界面；

校正前系统性能功能模块的显示模块利用matlab可视化界面生成用于显示校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标的交互界面；

预期的性能参数与校正模式选择功能模块的预期输入模块分别利用matlab可视化界面生成用于校正模式输入和预期校正后频域开环性能指标输入的交互界面；

校正器传递函数功能模块的显示模块利用matlab可视化界面生成用于显示开环传递函数的交互界面；

校正后系统性能指标功能模块的显示模块利用matlab可视化界面生成用于显示校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标的交互界面。

参考图后对于上述基于matlab可视化界面频域控制器的具体来说：本发明由6部分组成，见图1。分别为校正前传递函数功能模块(transferfunctionbeforecalibration)，校正前系统性能功能模块(performanceindicatorsbeforecalibration)，预期的性能参数与校正模式选择功能模块(expectedperformanceindicatorsandcalibratemode)，校正器传递函数功能模块(thetransferfunctionofthecorrector)，校正后系统性能指标功能模块(performanceindicatorsaftercalibration)，校正前系统开环波特图功能模块和校正后系统开环波特图功能模块(bodediagrambeforeandafterthecalibration)。

校正前传递函数功能模块(transferfunctionbeforecalibration)主要功能为设计人员输入待校正系统的传递函数的入口、计算待校正系统校正前频域开环、闭环性能指标。该模块为后续控制器设计提供校正基础。其中，numparameters，denparameters分别为校正前多项式分子系数和校正前多项式分母系数。

校正前系统性能功能模块(performanceindicatorsbeforecalibration)主要功能为显示校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标。该指标的计算可以给设计人员提供关于待校正系统的诸多信息。校正前频域开环性能指标包括校正前开环剪切频率、校正前相位裕度、校正前幅值裕度，校正前频域闭环性能指标包括校正前带宽、校正前谐振峰值、校正前谐振频率；其中cut-offfrequency为校正前开环剪切频率，phasemargin为校正前相位裕度，magnitudemargin为校正前幅值裕度，bandwidth为校正前带宽，resonantpeak为校正前谐振峰值，resonantfrequency为校正前谐振频率。根据频域指标计算结果，设计人员可以非常轻松的判断出待校正系统的稳定性，同时，也可以大致得出系统的时域性能优劣状况。

预期的性能参数与校正模式选择功能模块(expectedperformanceindicatorsandcalibratemode)根据校正前系统开环、闭环性能指标情况(一般情况下这些指标是不满足设计需求的)，设计人员可根据实际情况，手动键入预期的系统开环指标，然后选择相应的校正模式，点击确定，便可开始进行系统的控制器的设计。即在图中，校正模式有三种选择：anticiparorycalibrate--超前校正，hysteresiscalibrate--滞后校正、piclibrate--pi校正，操作人员先选择则任意一种模式，然后输入系统开环指标，即预期校正后频域开环性能指标输入，在本模块中具体的需要输入cut-offfrequency为预期开环剪切频率，phasemargin为预期前相位裕度，magnitudemargin为预期前幅值裕度。

校正器传递函数功能模块(thetransferfunctionofthecorrector)，该模块主要实现校正环节计算出的控制器传递函数的显示。其中，numparameters，denparameters分别为控制器递函数多项式的分子、分母系数，也就是说，校正器传递函数功能模块对校正前开环传递函数在校正模式下进行校正重构得到校正后开环传递函数、直到校正后频域开环性能指标满足预期校正后频域开环性能指标的校正器；用于显示校正后开环传递函数的显示模块；numparameters，denparameters分别为校正后开环传递函数的校正后多项式分子系数和校正后多项式分母系数。

校正后系统性能指标功能模块(performanceindicatorsaftercalibration)，该模块用于显示校正后系统的频域性能指标情况，分别为校正后系统的开环指标与闭环指标。通过校正前与校正后以及预期的性能指标满足情况的对比，设计人员可以非常容易的判断出该控制器设计是否合理的结论。如果不合理，则应重新选择预期的性能指标或者校正方式。其中，校正后系统的开环指标与闭环指标具体为：校正后频域开环性能指标包括校正后开环剪切频率、校正后相位裕度、校正后幅值裕度，、校正后频域闭环性能指标包括校正后带宽、校正后谐振峰值、校正后谐振频率。其中cut-offfrequency为校正后开环剪切频率，phasemargin为校正后相位裕度，magnitudemargin为校正后幅值裕度，bandwidth为校正后带宽，resonantpeak为校正后谐振峰值，resonantfrequency为校正后谐振频率。根据频域指标计算结果，设计人员可以非常轻松的判断出待校正系统的稳定性。在图中，其参数性能中都达到了预期的性能指标的要求，其中magnitudemargin的指标为inf为无穷大，phasemargin的指标大于50°，cut-offfrequency的的指标大于1.2rad/s。因此，此时的校正后开环传递函数满足要求，可以显示其校正后开环传递函数。

校正前系统开环波特图功能模块和校正后系统开环波特图功能模块(bodediagrambeforeandafterthecalibration)可以通过波特图可以确切地提供系统的稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的各种性能。该模块主要功能为显示校正前与校正后系统的开环对数频率特性情况，通过图形的方式设计人员可以对所设计的控制器性能情况有一个更加直观的认识。

实施例2

基于matlab可视化界面频域控制器的使用方法，包括以下操作：

s1、对校正前传递函数模块输入校正前开环传递函数参数，校正前传递函数模块计算出校正前频域开环性能指标和校正前频域闭环性能指标后，使用校正前系统性能功能模块的显示模块进行显示；

s2、对预期输入模块输入校正模式和预期校正后频域开环性能指标，校正器传递函数功能模块的校正器对校正前开环传递函数在校正模式下进行校正重构得到校正后开环传递函数，校正器传递函数功能模块的显示模块显示出校正后开环传递函数，并用校正后系统性能指标功能模块的显示模块显示校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标；

s3、查看校正后开环传递函数以及校正后频域开环性能指标和校正后频域闭环性能指标，如果不满足要求，则更换校正模式或/和预期校正后频域开环性能指标后重复s2。

对于实施例2具体的来说：

1)见图2，先输入系统传递函数。由numparameters，denparameters组成校正前开环传递函数参数，阶次由高至低。

2)见图3，点击confirm(确认)按键，获取校正前系统频域下开环、闭环性能指标以及校正前系统开环波特图；

3)见图4，选择校正方式。可供选择的校正方式有三种(anticiparorycalibrate--超前校正，hysteresiscalibrate--滞后校正、piclibrate--pi校正)；

4)见图5，输入预期的性能指标，开环截止频率、相位裕度、幅值裕度，并点击confirm(确认按键)，等待生成所设计的控制器；

5)查看所设计出的控制器，以及校正后系统性能指标、波特图曲线，如果该校正方式不满足要求，则返回第3步，重新选择校正方式或者预期性能指标，然后重新开始设计；

6)经过上述设计步骤，所设计的控制器满足预期的性能指标，则整个设计工作结束。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。