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1、word目录摘要1Abstract11 绪论21.1 本文研究背景21.2 本文的选题意义2 本文的任务和要求31.3.1 本文任务31.3.2 本文要求32 自动控制原理虚拟实验平台总体概述与其实现工具介绍3 MATLAB工具介绍3 Simulink工具简单介绍42.3 GUI简单介绍与可视化接口环境42.3.1 GUI概念介绍42.3.2 GUI图形用户界面的打开52.4 自动控制原理简单介绍73 虚拟实验平台总体概述73.1 虚拟实验平台设计原如此73.2 虚拟实验平台设计界面模块结构与功能7平台模块结构73.2.2 平台功能84 自动控制原理实验在虚拟实验平台的实现94.1 平台界面的
2、总体要求94.2 主界面的设计94.3线型系统时域分析界面134.3.1 时域分析法的介绍134.3.2 时域分析界面的设计144.4 线型系统根轨迹分析界面17根轨迹法的介绍184.4.2 根轨迹界面的设计184.5 线性系统频域分析界面194.5.1 频域法的介绍194.5.2 频域分析界面的设计204.6 控制系统校正实验界面224.6.1 控制系统校正介绍22控制系统校正实验界面的设计225结论25参考文献26附录127致55 / 1 绪论 本文研究背景对于大学生而言自动控制原理是大学阶段的自动控制工程、机器自动控制操作、物流设备工程等专业的重要的专业根底课程，涉与到自动控制系统的模型
3、建立、系统分析、系统设计的相关根本理论和相关技术设计。它的典型特点是概念比拟抽象，数字含量巨大，计算相当复杂，从而导致学生比拟难于理解和消化，实验是理解和消化相关课程容的非常重要的途径。目前相当多的大学高校的实验教学仍处于传统模拟实验阶段，通过利用集成封闭的传统实验箱，将相应的有源网络模块整个连接成了典型环节和系统，然后施加典型信号，通过示波器仔细观察实验结果。然而对于这种实验方法仍存在明显不足，比如说1实验室的实验箱集成度很高，从而让学生对实验目的和实验计划出现盲目性，所以很容易导致损坏仪器设备。2学生的理论性知识和实验动手操作是互相分开的，导致了学生缺乏主动性学习和创造性性学习。3因为元件
4、的非线性等一些元素，导致了实验结果与理论知识差异较大，相距甚远。为了改变这种现象，我们通过利用MATLAB中的具有可视化编程能力的图形用户界面简称GUI和控制系统工具箱中的有关的丰富的库函数等，开发出了基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台。1.2 本文的选题意义自动控制原理虚拟实验平台就是把真实的相关的自动控制环节、系统和数学建模有机地结合的一个实验操作平台。学生不仅可以在平台上修改相关的实验参数、改变相关的输入信号、观察相应的响应情况，同时还可以观察数学模型的具体的变化情况。MATLAB是面对科学计算的高性能可视化编程仿真软件，GUI是一种的图形用户界面。通过MATLAB/GUI设计和
5、开发自动控制原理虚拟实验平台，不但能很好地解决传统实验存在的问题，加深对自动控制原理理论课程容的理解，更能使学生摆脱复杂的数学公式，对新知识产生浓厚的探索兴趣。在设计过程中，我通过查阅相关的资料，增强了自己的自我学习能力和思考能力，同时通过向教师和同学的虚心求教，增强了自己的沟通能力。 本文的任务和要求1.3.1 本文任务本次毕业设计研究的任务是基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台的实现，简单的要用MATLAB中的GUI建成一个可视化的图形开发平台，在这个平台上去实现自动控制原理各个实验要求和实验功能，验证实验原理。1.3.2 本文要求通过自动控制原理虚拟实验平台实现线型系统的时域分析、
6、线性系统的根轨迹分析、线型系统的频域分析、控制系统的串联校正实验，然后重点介绍线性系统的时域分析的具体的原理、方法、实现的功能、实验操作过程以与仿真图形。2 自动控制原理虚拟实验平台总体概述与其实现工具介绍MATLAB工具介绍 我们在设计自动控制原理虚拟实验平台的时候需要用到MATLAB设计工具，以此搭建我们所想要的虚拟实验平台，为了对后面更好地的设计与实验，我们需要了解MATLAB的开展历史以与它的功能，掌握软件的实际操作原理。在20世纪80年代以来，为了研究某种问题，各种计算机语言接连出现，当然，在数学研究当中，为了更好地更方便地数值计算、科学研究、工程计算等其他方面，MATLAB软件应运
7、而生。MATLAB是由美国人MathWorks公司推出，是MATrix LABoratory的缩写，中文名称是矩阵实验室。自推广以来，得到了社会上的普遍认同以与广泛的应用，开展至今推出了各种版本，里面的功能越来越丰富和强大，同时它的语言易于掌握，所以深受各大高等学校的喜爱以与科学研究人员的使用，尤其在欧美高校，MATLAB软件的使用成为了学生的必备的学习技能。毋庸置疑，MATLAB的功能相当强大，可以用于数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真以与图形处理，同时具有容强大的工具箱进展设计开发。MATLAB是一个具有很强的开放性软件，除了可以利用的部函数外，我们可以自己对里
8、面的源文件进展修改或者可以参加自己编写好的文件进展设计使用。 Simulink工具简单介绍Simulink是Math Works软件公司在1990年推出来的，它是实现控制系统进展构造模型、仿真设计和分析的软件包，简单来说就是MATLAB软件功能的一种拓展，它提供了不同功能的根本系统模块，我们只要知道这些模块的输入、输出以与它的功能，而不必知道各种模块的里面具体的功能与实现，只要通过各种模块的调用与连接就能构造出我们所需要的系统模型，文件存储形式以.mdl形式存取，最后我们可以基于此进展方针与分析。对于简单的控制系统来说，我们可以利用相关的函数和相关的线性方程进展求解，但对更为复杂的系统来说，我
9、们之前的方法就不可以实现了，所以如此必须使用Simulink进展仿真与分析。GUI简单介绍与可视化接口环境2.3.1 GUI概念介绍由菜单、窗口、对话框等各种图形元素构成的用户界面被叫做图形用户界面，英文名称是Graphical User Interface，简称GUI。它是计算机与用户进展信息交流的窗口和平台，在自动控制原理虚拟实验平台设计当中它赋予着主要设计工作。对于GUI操作应该是易于理解的便于操作的，当我们点击某项操作的时候，用户图形界面就已经开始了它的功能操作。MATLAB作为一款强大的科学计算软件，同时也提供了图形用户界面设计的功能，它包括了三类图形用户界面对象，包括用户界面控件对
10、象、下拉式菜单对象和快捷菜单对象。根据我们所想要的图形用户界面对象，我们可以设计出界面非常友好、操作相当方便的图形用户界面。在MATLAB软件中，为GUI开发提供了一个非常方便且高效的集成开发环境GUIDE。GUIDE主要是一个界面设计工具集，所有GUI设计都被MATLAB支持在这个集成的环境中。GUIDE将所有设计好的GUI设计模型保存在一个.fig文件当中，并且同时生成了.m文件，对于.fig文件设计，它包括了GUI图形窗口以与图形窗口对象，对于.m文件而言，它包括了GUI设计、控制函数与其定义为子函数的用户控件回调函数。GUIDE在GUI设计过程中直接自动生成了.m文件框架，它所具有的优
11、点如下： a.m文件在.fig文件生成的同时就已经生成了一些必要的代码。 b管理图形对象句柄并执行回调函数的子程序。 c支持自动插入回调函数原型。 d提供了管理全局变量的便利途径。2.3.2 GUI图形用户界面的打开在MATLAB中打开GUI可以以下的操作方法（1） 选择菜单栏上的“File选项，再选择“New选项，最后得到“GUI命令。（2） 在命令窗口mend Windows当中输入“Guide命令或者输入“Guide Filename，同样可以打开可视化接口。（3） 选择菜单栏上的“GUIDE快速启动按钮，可以直接打开界面。MATLAB软件为GUI图形用户界面设计总共准备了4种模板，包括
12、Blank GUI默认、GUI with Uicontrols带控件对象的GUI模板、GUI with Axes and Menu带坐标轴与菜单的GUI模板与Modal Question Dialog带模式问话对话框的GUI模板。如如下图图2-1GUI的初始化界面如果没有设计好的可视化图形文件，我们要选择空白的可视化文件，即Blank GUI空白，然后点击OK按钮，就会显示出GUI设计窗口，如如下图2-2。图2-2GUI设计窗口从GUI设计窗口可以看出，共有五个设计工具，它们分别是：a 对象属性查看器Property：可以查看每个对象的属性值，同时可以修改设置对象的属性值。b 菜单编辑器Men
13、u Editor：对下拉式菜单进展创建、设计和修改。c 位置调整工具Alignment Tool：多个对象通过该工具左右、上下进展位置进展调整。d 对象浏览器Object Browser：可以观察当前设计阶段的各个句柄图形对象。e Tab顺序编辑器Tab Order Editor:通过该工具，设置当按下键盘上的Tab键时，对象被选中的先后顺序。通过控件的布局，相应的生成了m函数文件，对于空间的性能，我们可以通过在回调函数里面进展相应的修改，以达到自己的要求，通过这样的方法可以很方便的设计出友好的，简洁的，功能强大的图形界面。2.4 自动控制原理简单介绍随着计算机技术的飞快的开展和广泛的应用，自
14、动控制原理理论和技术在宇宙航空、机器人控制、导弹制导卫星发射和核能等高科技领域方面的应用越来越广泛。同时自动控制原理技术的应用围现在已扩展到生物、医学、环境等生活中的其他领域，成为人们生活当中不可或缺的一局部。随着人类社会的进步和人们生活水平的提高，自动控制原理技术必将在人类的未来当中对于人类去认识自然改造自然发挥着难以想象的作用。所以对于一个工程技术人员，学习自动控制原理有关的知识有必要的。同时大学阶段的学习已经把自动控制原理当作一门专业根底课程，尤其是电气自动化、电力系统、船舶与海洋工程等相关的专业都已经开设了这门课程。自动控制原理的主要容包括控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频
15、域分析发以与控制系统校正与综合等方面知识。它们大都将在这个虚拟实验平台得以实现与研究分析。3虚拟实验平台总体概述 虚拟实验平台设计原如此本次所设计的虚拟实验平台是基于MATLAB7.0以上的版本所开发出来的，在整个设计当中，为了更好地让大家看清整个的设计流程，我们是采用的自上而下、由上一级转到下一级而设计。在设计过程中，我们首先要确定一个总体框架，然后我们再确定好我们要研究的几个实验原理项目作为这个框架的子系统，之后在各个实验原理上设计两三个对应这个实验原理的功能实现、认证以与分析，在编程设计方面，我们要由下而上去设计，设计好每个局部的编程代码，最后实现一个整体虚拟实验平台的开发3.2 虚拟实验平台设计界面模块结构与功能3.2.1 平台模块结构该虚拟实验平台设虚拟实验平台有四大局部构成，包括线型系统时域分析、线性系统频域分析、线型系统根轨迹分析以与控制系统串联校正，如下结构图：图3-1虚拟实验平台结构图该虚拟实验平台的功能是以根据生活中关于科学研究、教学活动、学生实验探究为目的所完成的，所以该平台的功能要设计成集成的、多样化的一个实验平台，具体的功能如下：a虚拟
