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1、 摘 要1摘摘 要要MATLAB 是一门简单而且很实用的语言，它以其强大的矩阵计算能力和科学计算能力、数据处理与分析能力、灵活多样多变的程序设计流程方式、高质量高效率的图形可视化与 GUI 用户界面设计、与其它高级语言的便捷快速方便接口功能，成为当今国际上学术界和工业界最具有影响力和最具有有活力的多功能应用计算软件。MATLAB 是矩阵matrix+实验室 laboratory 前面三个字母缩写组合而成的，其强大快速有效的矩阵运算能力是当今世界上最好的，目前还没有其它语言能够与其相媲美，而矩阵的运算正是图像GUI 用户设计的根本所在。文章首先在绪论部分重点介绍了自动控制系统的发展情况和发展趋势
2、，以及各个阶段取得了成果。第二章则是通过建立自动控制系统的数学模型，研究了自动控制系统单位阶跃响应的特性。第三章在自动控制系统的数学模型基础之上，分析了 GUI 设计的步骤。最后，本文以 MATLAB 提供的图形用户界面（GUI）为平台对自动控制系统 GUI图形界面程序仿真系统进行设计，达到了很好的效果。关键字关键字：自动控制系统；MATLAB；图形界面程序；GUIAbstract2AbstractMATLAB is a simple and very practical language, it with its powerful matrix computation ability and
3、 scientific computing power, data processing and analysis ability, flexible and changeable programming process way, high quality high efficiency of graphical visualization and GUI user interface design, is convenient quickly and easily interface with other high-level language function, become academ
4、ia and industry in the world, the most influential and most energetic multifunctional application calculation software.MATLAB matrix matrix + lab in front of the laboratory is a combination of three letter abbreviation, its powerful ability to matrix operations quickly and efficiently is one of the
5、best in the world today, there is no other language can instead of comparable, and matrix calculations is the GUI of users in the image.This paper in the introduction part mainly introduces the development situation and the developing trend of automatic control system, and each stage has achieved re
6、sults. Secondly, through the establishment of the mathematical model of the automatic control system, studies the characteristics of the automatic control system for the unit step response. Based on the mathematical model of automatic control system in the third chapter, the steps to design a GUI ar
7、e analyzed. Finally, the article provided in MATLAB graphical user interface (GUI) is a platform of automatic control system for GUI program simulation system design, achieved good results.Keywords: second-order system; MATLAB; graphical user interface; GUI目 录3目目 录录第一章 绪论.11.1 选题依据及研究意义.11.2 自动控制理论介
8、绍及发展史.11.2.1 经典控制理论发展史.21.2.2 现代控制理论发展史.21.3 图像用户界面简介.21.4 本文结构.3第二章 自动控制系统的数学模型与分析.42.1 自动控制系统简介.42.2 二阶自动控制系统数学模型.42.3 二阶自动控制系统动态性能指标.72.3.1 欠阻尼自动控制系统动态响应.72.3.2 自动控制系统性能指标分析.82.3.3 自动控制系统性能指标演示.92.4 自动控制系统的 MATLAB 分析 12第三章 MATLAB 图形界面设计 .163.1 MATLAB 图形界面简介 163.1.1 图形用户界面简介.163.1.2 控件对象及属性.163.2
9、自动控制系统 GUI 设计173.2.1 GUI 设计分析173.2.2 GUI 用户界面设计18第四章 自动控制系统 GUI 仿真分析264.1 案例仿真.26第五章 总结与展望.305.1 全文总结.305.2 展望.30参考文献.31致谢.321第一章第一章 绪论绪论1.1 选题依据及研究意义选题依据及研究意义随着当今科学和技术的不断发展以及不断创新，MATLAB 这个强大的多功能软件逐渐的迎来了很大的发展空间。MATLAB 在控制系统中发挥的作用越来越大，几乎所有的控制系统，只要给出传递函数既可以分析、设计、校正其动态和稳态性能。MATLAB 可以分析出系统在给定阶跃函数的情况下，绘制
10、系统的阶跃响应曲线、求取系统开环传递函数的频率特性、绘制系统波特图、绘制系统奈奎斯特图以及分析系统的稳定性等等。同时，随着 MATLAB 不断的更新，其中给图形用户界面（Graphical User Interface, GUI）程序带来了越来越多的发展的空间，使它的应用领域不断的扩大，从而也促使图形用户界面程序能够得到了更加深入、广泛和迅速的发展。图形用户界面程序以及图像处理将会伴随着未来信息领域技术的发展，更加深入到生产和科研活动中，成为人类生产和生活中必不可少的内容。MATLAB 是矩阵（Matrix ）+实验室（Laboratory）的前面三个字母大写组合起来的简称，它是美国 Math
11、Works 公司于 1984 年开始更新至今陆续出产的一种用于科学计算和数据处理以及仿真的软件，在各个行业算法的开发、数据结构和数据分析可视化、数据处理以及数值科学计算等都有很高的计算能力与处理能力。MATLAB 主要包括simulation（仿真）以及 link（链接）两大部分。MATLAB 最主要的特点可以概况如下：(1)具有优秀的友好的工作运行平台与程序编写的环境；(2)具有简单易懂且易用的，符合人们思维的程序语言；(3)具有强大的矩阵计算、数据分析与处理以及科学计算功能，同时在各个行业中还有强大的工具箱和仿真模块用于处理和仿真某些学科；(4)具有优秀的图形显示和处理功能；(5)具有多学
12、科应用与开发，包括广泛的各个专业模块集合工具箱 simulink；(6)具有与其它程序接口的能力和处理发布平台的能力；(7)具有应用软件的设计和开发能力，与 C 语言兼容的能力。1.2 自动控制理论介绍及发展史自动控制理论介绍及发展史控制论一词 Cybernetics，来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。因此”控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的2渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。 根据控制理论的理论基础及所能解决的问题的难易程度，我们把控制理论大体的分为了三个不同的阶段。这种阶段性的发展过程是由简单到
13、复杂、由量变到质变的辩证发展过程。1.2.1 经典控制理论发展史经典控制理论发展史经典控制论阶段（20 世纪 50 年代末期以前） 。经典控制理论，是以传递函数为基础，在频率域对单输入-单输入控制系统进行分析与设计的理论。1、控制系统的特点。单输入-单输出系统的，线性定常或非线性系统中的相平面法也只含两个变量的系统。2、控制思路。基于频率域内传递函数的“反馈”和“前馈”控制思想，运用频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法，解决稳定性问题。3、主要成果。PID 控制规律的产生，PID 控制原理简单易于实现，具有一定的自适应性与鲁棒性，对于无时间延迟的单回路控制系统很有效，在
14、工业过程控制中任然被广泛应用。1.2.2 现代控制理论发展史现代控制理论发展史现代控制论阶段（50 年代末期至 70 年代初期） 。现代控制理论，基于时域内的状态空间分析法，着重时间系统最优化控制的研究。1、控制系统的特点。为多输入-多输出系统，系统可以是线性或非线性，定常或时变的，单变量与多变量，连续与离散系统。2、控制思路。基于时域内的状态方程与输出方程对系统内的状态变量进行实施控制，运用极点配置、状态反馈、输出反馈的方法，解决最优化控制、随机控制、自适应控制问题。1.3 图像用户界面简介图像用户界面简介随着面向对象技术的兴起，图形用户界面设计成为了一种趋势。它不仅可以加快程序的设计工作，
15、还可以减轻设计工作者的负担，基于此，许多带有图形用户界面设计功能的程序设计软件纷纷推出，图形用户界面（GUI）是人与演示机（或程序）之间进行交流互动的重要工具和方法，它主要是以诸如窗口、文本、按钮图标、工具栏以及菜单等图形对象的形式呈现给用户的，给用户提供了一个操作界面，这样，用户就可以用某种方式来选择或者激活图形对象，从而使演示机去执行该图像对象所对应的相关程序，来回应用户的操作。图形用户界面的最大优势在于，用户在使用的过程中无需了解和关心内部程序是如3何进行各项指令的，用户只需要掌握图形界面所提供的各种功能的使用方法就可以轻松的与演示机进行交流互动，而且这种交流互动非常的直观和方便。最为重
16、要的是 MATLAB 恰恰为用户设计图形界面提供了一个高效、方便的集成环境。1.4 本文结构本文结构第一章绪论主要介绍了自动控制理论的发展史，介绍了不同发展时期主要事件，和MATLAB 的产生与发展，介绍了 MATLAB 中图形界面设计的基本功能。第二章是自动控制系统分析，主要研究了自动控制系统的数学模型，根据数学模型研究了系统的在欠阻尼和过阻尼时的阶跃响应，推导了自动控制系统闭环传递函数、特征根、上升时间、调整时间、超调量、延时时间的解析表达式，为今后更好的研究基于MATLAB 软件的关于自动控制系统的研究打下了更加坚实夯厚的基础。第三章主要介绍了 MATLAB 中 GUI 的设计思路，根据用户想要达到的目标，在GUI 中按照系统给出的工具，结合用户的目标设计一个简单、方便、快捷的用户界面程序，使得操作性增强，效率优化，对于分析自动控制系统提高了效率。第四章主要根据毕业论文的要求，验证了第三章利用 MATLAB 中 GUI 设计的用户界面程序的正确性，用户界面程序由 2 个大图、阻尼系数、自然角频率、按钮模块构成，其中 2 个大图用于显
