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1、基于MATLAB的虚拟实验系统的设计主界面及部分模块的设计摘 要自动控制原理是学习自动控制技术的一门重要的专业基础课程，是控制理论的基础。而实验课是自动控制原理整个教学过程中不可缺少的重要组成部分。对于初学自动控制理论课的学生来说由于时间和专业知识的限制，直接利用MATLAB语言编程进行控制系统分析是极不方便的，需要在MATLAB基础上为用户开发出适用于使用的接口界面。本文就是介绍了在MATALB软件环境下开发出的自动控制原理实验教学软件。 它利用MATLAB语言的界面设计功能及其提供的控制系统工具箱对自动控制系统进行建模和进行稳定性分析、根轨迹分析、频域分析,并说明了本软件的特点、功能和效果
2、。结果证明该软件系统可以取代传统模拟实验，它不仅能提高实验教学效率，改善实验效果，而且方便易行，具有推广应用价值。同时利用该软件可以系统地让学生掌握控制系统设计思想的演化过程以及自动控制学科专业知识，从而提高学生分析和解决实际问题的能力。关键词：自动控制原理 建模 MATLAB 虚拟实验系统 GUI （图形用户界面） 仿真 AbstractAutomatic Control Theory is an important professional course in learning Automatic Control. And its a foundation of control theor
3、y. Experiment is an indispensable part in learning Automatic Control Theory. For a beginner of Automatic Control System, it is difficult to use the MATLAB programming language to analysis the control system, due to the limited time and poor professional knowledge. So we need to develop an interface
4、which is easy to use based on MATLAB. This paper is about developing an experimental teaching software of Automatic Control Theory in MATLAB. We make model for automatic control system and analysis the stability, root locus and frequency domain by using the interface design function and automatic co
5、ntrol toolbox. Additionally, we provide the note about the features, functions and effects of the software. Our results demonstrate that this software can replace traditional experiment. It could not only increase the teaching efficiency and improve the experiment teach effect, but also the software
6、 is very convenient. And also this software could make the students to master the evolvement process of design method of automatic control system and professional knowledge of automatic control. Obviously, it will improve the students ability of analysis and solving problems.Keywords : Automatic Con
7、trol Theory Modeling MATLAB Virtual Experimental System GUI Simulation 目 录目 录41 绪论52 虚拟实验系统的总体设计62.1 背景知识介绍62.1.1 虚拟实验系统的现状分析62.1.2 MATLAB简介及其在控制系统中的运用62.2 总体设计原理72.3总体设计框图83系统的部分模块实现与主界面设计93.1建模模块的实现93.1.1 建模设计思想及目标93.1.2 功能介绍及设计步骤103.2 根轨迹模块实现及实验报告生成模块的设计183.2.1 根轨迹模块的实现183.2.2 实验报告生成模块的设计253.3 主界
8、面的设计293.3.1 设计思想及目标293.3.2主界面模块框图303.3.3主界面的具体设计314 系统设计成果及实验举例334.1系统设计成果334.2实验举例345 总结和展望365.1本文工作总结365.2课题展望37参考文献38致谢39附录一 科技文献翻译40附录二 所用函数表46附录三 毕业设计任务书47 基于MATLAB虚拟实验系统的设计1 绪 论在目前有限的课堂教学和实验学时内，运用一定的仿真软件和计算机技术，使学生掌握专业的基本理论和控制系统的设计思想和方法，培养学生科研能力，是专业教学中值得研究和探讨的课题。本课题就是利用MATLAB的界面设计功能及其提供的控制系统工具箱
9、可以开出一个用户界面良好的自动控制原理虚拟实验系统，以每个实验项目为本系统的各个子系统。每个子系统的具体任务包括：界面设计、实验说明（帮助文件）、数学建模、系统性能分析、仿真实验及结果分析、试验报告生成等。然后利用该套实验系统来对自动控制原理课程中的内容进行计算、仿真与研究。这样用仿真实验手段取代传统模拟实验明显提高实验效率、改善实验效果，同时让学习者能够了解了实验过程中参数如何选择，了解实验参数改变的依据，直观地看出参数变化对系统的影响，大大提高了实验效率，取得了良好的实验效果，既调动了学生的积极性和创造性，又培养了学生分析、设计和调试自动控制系统的能力，对创造更开放和有创意的实验环境是很有
10、帮助，同时学习者不需要MATLAB知识就能方便的操作和应用。 本论文从资料查阅总体设计模块设计撰写论文历时三个月，具体流程如下所示： 资料查阅，熟悉课题 确定系统框架并开始搭建总体框架 对各个实验对象进行数学建模，并用M文件编程实现 编制各个实验环节的详细程序代码 程序总体调试，准备材料 撰写论文，科技翻译2 虚拟实验系统的总体设计2.1 背景知识介绍2.1.1 虚拟实验系统的现状分析以往人们在分析和设计控制系统是都笔算来解决问题，后来逐渐利用计算机采用Basic、Fortran和C语言完成控制系统的计算机辅助设计（CACSD）。自从MATLAB与1984年诞生以来，这一切都发生了改变。我们知
11、道自动控制原理与系统是自动化、机电一体化等专业教学中重要的专业课，特别是在信息时代，自动化技术是一个最为活跃的推动力，特别是控制理论目前已经发展到一个新阶段：智能控制理论和大系统理论，使得控制理论贯穿与整个社会的各个领域，从自然科学领域到社会科学领域，都可见到控制的踪迹。但是，由于自动控制原理又是一门理论性极强的课程，对学生的数学功底（特别是积分变换理论和矩阵理论）要求很，课程中的很多结论非常抽象。比如：稳定性分析、时域频域分析、根轨迹图、波特（Bode）图、乃氏（Nyquist）图、尼氏（Nichols）图等。而且实验课是自动控制原理整个教学过程中不可缺少的重要组成部分，对于初学自动控制理论
12、课的学生来说由于时间和专业知识的限制，直接利用MATLAB语言编程进行控制系统分析是极不方便的。现在，借助MATALB强大的科学运算功能、灵活的仿真功能（SIMULINK）、便捷的编程功能和高质量的绘图功能，以及丰富详尽的控制工具箱（TOOLBOX），可以用图形显示和动画显示的方式使教师和学生具体地掌握控制理论中的抽象结论，并可以随意改变系统参数，观察系统的性能指标的变化，从而对控制理论有一个更深刻的理解，并激发学习者的开拓意识和创新精神。目前高校中现成的基于MATLAB的控制理论课程的教学辅助系统几乎是风毛麟角，即使有，也是功能十分简单的仿真分析系统，没有实现真正意义上的辅助教学。我们拟开发
13、这样一个辅助教学系统，具有良好的人机交互界面，方便的系统仿真功能，灵活的系统参数设置功能，强大的图形显示输出功能，同时控制算法可以自行编制。2.1.2 MATLAB简介及其在控制系统中的运用MATLAB语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最具有活力的软件。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高的度集成的计算机语言。其开发的环境、功能极强的矩阵运算、图形绘制、数据处理、各种工具箱、以及象“草稿纸”一样的工作空间等许多优点，使其提供了强大的科学运算、灵活的程序、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其它程序和语言接口功能。作为一个专业的科学计算软件，MATLAB的功能首先在应
14、用，即应用现有函数和工具（箱）解决具体问题。MATLAB的配套工具箱尤其值得一提，这些工具箱将一流专家学者的理论和经验与MATLAB高技术计算环境的内在效力及灵活性有机地集成为一体。用户不仅可快速获得特定问题的准确答案，而且能随时对各类计算或测试数据进行可视化处理。此外，MATLAB还有一个功能强大的、可视化的、交互环境的工具SIMULINK，用于模拟非线性动态系统。SIMULINK提供了一个用于创建动态系统对角模块的图形用户界面，使用框图式动态系统仿真工具SIMULINK可以方便地建立控制系统原型和控制对象模型，通过仿真不断地优化和改善用户的设计。无论是离散的、连续的、条件执行的、多采样的或
15、混杂的系统，SIMULINK都是描述动态系统模型的最佳工具2.2 总体设计原理本虚拟实验系统是在MATLAB6.5版本的语言平台上开发的，在设计中我们采用自上而下的需求分析，首先确定整个系统的总体框架，然后将每个实验项目作为本框架的各个子系统，确定统一的接口。在代码的实现上，我们采用自下而上的编程思想，分别完成每个子系统，在进行分析和调试后通过确定的接口参数完成整个系统的拼装。完成后对整个系统进行实验分析、调试和测试。本软件的功能是根据科研、教学、相关实验和课程设计等的需要，辅助学习者完成控制系统分析与设计过程中所涉及到的各种计算和绘图等，提供一个方便的系统分析和综合的软件操作平台本软件具有如下的功能：1）系统输入形式多样化：输入模型既可以是多项式形式，又可以是零、极点形式，或状态空间表达式的形式，只需通过按钮进行选择。 2)绘图功能：能准确地绘制出系统的Bode图、Nyquist图、根轨迹图及系统任意输入下的响应曲线。 3)分析功能：根据各种分析需要求出系统的超调量、调节时间等各种时域性能指标或幅值裕度、相位裕度等频域性能指标。 4)校正器设计：对需要校正的系统进行串联校正器的计算机辅助设计，并绘制出校正前、后系统的Bode图、单位阶跃响应曲线图，根轨迹图以及阶跃响应曲线图等图形，显示校正前、后系
