【正文】 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 課 題 基于MATLAB的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ——主界面及部分模塊的設(shè)計(jì) 摘 要自動(dòng)控制原理是學(xué)習(xí)自動(dòng)控制技術(shù)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是控制理論的基礎(chǔ)。而實(shí)驗(yàn)課是自動(dòng)控制原理整個(gè)教學(xué)過(guò)程中不可缺少的重要組成部分。對(duì)于初學(xué)自動(dòng)控制理論課的學(xué)生來(lái)說(shuō)．由于時(shí)間和專業(yè)知識(shí)的限制，直接利用MATLAB語(yǔ)言編程進(jìn)行控制系統(tǒng)分析是極不方便的，需要在MATLAB基礎(chǔ)上為用戶開發(fā)出適用于使用的接口界面。本文就是介紹了在MATALB軟件環(huán)境下開發(fā)出的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。 它利用MATLAB語(yǔ)言的界面設(shè)計(jì)功能及其提供的控制系統(tǒng)工具箱對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和進(jìn)行穩(wěn)定性分析、根軌跡分析、頻域分析,并說(shuō)明了本軟件的特點(diǎn)、功能和效果。結(jié)果證明該軟件系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，它不僅能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，改善實(shí)驗(yàn)效果，而且方便易行，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)利用該軟件可以系統(tǒng)地讓學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的演化過(guò)程以及自動(dòng)控制學(xué)科專業(yè)知識(shí)，從而提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理 建模 MATLAB 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) GUI （圖形用戶界面） 仿真 AbstractAutomatic Control Theory is an important professional course in learning Automatic Control. And it’s a foundation of control theory. 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 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 control 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 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 student’s ability of analysis and solving problems.Keywords : Automatic Control Theory Modeling MATLAB Virtual Experimental System GUI　 Simulation 目 錄目 錄 41 緒論 52 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 6 背景知識(shí)介紹 6 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析 6 MATLAB簡(jiǎn)介及其在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用 6 總體設(shè)計(jì)原理 7 83系統(tǒng)的部分模塊實(shí)現(xiàn)與主界面設(shè)計(jì) 9 9 建模設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) 9 功能介紹及設(shè)計(jì)步驟 10 根軌跡模塊實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成模塊的設(shè)計(jì) 18 根軌跡模塊的實(shí)現(xiàn) 18 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成模塊的設(shè)計(jì) 25 主界面的設(shè)計(jì) 29 設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) 29 30 314 系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果及實(shí)驗(yàn)舉例 33 33 345 總結(jié)和展望 36 36 37參考文獻(xiàn) 38致謝 39附錄一 科技文獻(xiàn)翻譯 40附錄二 所用函數(shù)表 46附錄三 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 47 基于MATLAB虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械與電氣工程系 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)03電氣一班 后麗萍 指導(dǎo)老師 ***1 緒 論在目前有限的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)，運(yùn)用一定的仿真軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使學(xué)生掌握專業(yè)的基本理論和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生科研能力，是專業(yè)教學(xué)中值得研究和探討的課題。本課題就是利用MATLAB的界面設(shè)計(jì)功能及其提供的控制系統(tǒng)工具箱可以開出一個(gè)用戶界面良好的《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為本系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)的具體任務(wù)包括：界面設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明（幫助文件）、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)性能分析、仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析、試驗(yàn)報(bào)告生成等。然后利用該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程中的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算、仿真與研究。這樣用仿真實(shí)驗(yàn)手段取代傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)明顯提高實(shí)驗(yàn)效率、改善實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)讓學(xué)習(xí)者能夠了解了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)如何選擇，了解實(shí)驗(yàn)參數(shù)改變的依據(jù)，直觀地看出參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，又培養(yǎng)了學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力，對(duì)創(chuàng)造更開放和有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是很有幫助，同時(shí)學(xué)習(xí)者不需要MATLAB知識(shí)就能方便的操作和應(yīng)用。 本論文從資料查閱—總體設(shè)計(jì)－模塊設(shè)計(jì)—撰寫論文歷時(shí)三個(gè)月，具體流程如下所示：216。 資料查閱，熟悉課題216。 確定系統(tǒng)框架并開始搭建總體框架216。 對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并用M文件編程實(shí)現(xiàn)216。 編制各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的詳細(xì)程序代碼216。 程序總體調(diào)試，準(zhǔn)備材料216。 撰寫論文，科技翻譯2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 背景知識(shí)介紹 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析以往人們?cè)诜治龊驮O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是都筆算來(lái)解決問(wèn)題，后來(lái)逐漸利用計(jì)算機(jī)采用Basic、Fortran和C語(yǔ)言完成控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CACSD）。自從MATLAB與1984年誕生以來(lái)，這一切都發(fā)生了改變。我們知道自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)是自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)教學(xué)中重要的專業(yè)課，特別是在信息時(shí)代，自動(dòng)化技術(shù)是一個(gè)最為活躍的推動(dòng)力，特別是控制理論目前已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新階段：智能控制理論和大系統(tǒng)理論，使得控制理論貫穿與整個(gè)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，從自然科學(xué)領(lǐng)域到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，都可見(jiàn)到控制的蹤跡。但是，由于《自動(dòng)控制原理》又是一門理論性極強(qiáng)的課程，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底（特別是積分變換理論和矩陣?yán)碚摚┮蠛?，課程中的很多結(jié)論非常抽象。比如：穩(wěn)定性分析、時(shí)域頻域分析、根軌跡圖、波特（Bode）圖、乃氏（Nyquist）圖、尼氏（Nichols）圖等。而且實(shí)驗(yàn)課是《自動(dòng)控制原理》整個(gè)教學(xué)過(guò)程中不可缺少的重要組成部分，對(duì)于初學(xué)自動(dòng)控制理論課的學(xué)生來(lái)說(shuō)．由于時(shí)間和專業(yè)知識(shí)的限制，直接利用MATLAB語(yǔ)言編程進(jìn)行控制系統(tǒng)分析是極不方便的。現(xiàn)在，借助MATALB強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算功能、靈活的仿真功能（SIMULINK）、便捷的編程功能和高質(zhì)量的繪圖功能，以及豐富詳盡的控制工具箱（TOOLBOX），可以用圖形顯示和動(dòng)畫顯示的方式使教師和學(xué)生具體地掌握控制理論中的抽象結(jié)論，并可以隨意改變系統(tǒng)參數(shù)，觀察系統(tǒng)的性能指標(biāo)的變化，從而對(duì)控制理論有一個(gè)更深刻的理解，并激發(fā)學(xué)習(xí)者的開拓意識(shí)和創(chuàng)新精神。目前高校中現(xiàn)成的基于MATLAB的控制理論課程的教學(xué)輔助系統(tǒng)幾乎是風(fēng)毛麟角，即使有，也是功能十分簡(jiǎn)單的仿真分析系統(tǒng)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的輔助教學(xué)。我們擬開發(fā)這樣一個(gè)輔助教學(xué)系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)交互界面，方便的系統(tǒng)仿真功能，靈活的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能，強(qiáng)大的圖形顯示輸出功能，同時(shí)控制算法可以自行編制。 MATLAB簡(jiǎn)介及其在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)界（尤其是自動(dòng)控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最具有活力的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算，并已經(jīng)發(fā)展成一種高的度集成的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。其開發(fā)的環(huán)境、功能極強(qiáng)的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、各種工具箱、以及象“草稿紙”一樣的工作空間等許多優(yōu)點(diǎn)，使其提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其它程序和語(yǔ)言接口功能。作為一個(gè)專業(yè)的科學(xué)計(jì)算軟件，MATLAB的功能首先在應(yīng)用，即應(yīng)用現(xiàn)有函數(shù)和工具（箱）解決具體問(wèn)題。MATLAB的配套工具箱尤其值得一提，這些工具箱將一流專家學(xué)者的理論和經(jīng)驗(yàn)與MATLAB高技術(shù)計(jì)算環(huán)境的內(nèi)在效力及靈活性有機(jī)地集成為一體。用戶不僅可快速獲得特定問(wèn)題的準(zhǔn)確答案，而且能隨時(shí)對(duì)各類計(jì)算或測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。此外，MATLAB還有一個(gè)功能強(qiáng)大的、可視化的、交互環(huán)境的工具SIMULINK，用于模擬非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。SIMULINK提供了一個(gè)用于創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)角模塊的圖形用戶界面，使用框圖式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具SIMULINK可以方便地建立控制系統(tǒng)原型和控制對(duì)象模型，通過(guò)仿真不斷地優(yōu)化和改善用戶的設(shè)計(jì)。無(wú)論是離散的、連續(xù)的、條件執(zhí)行的、多采樣的或混雜的系統(tǒng)，SIMULINK都是描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的最佳工具 總體設(shè)計(jì)原理，在設(shè)計(jì)中我們采用自上而下的需求分析，首先確定整個(gè)系統(tǒng)的總體框架，然后將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為本框架的各個(gè)子系統(tǒng)，確定統(tǒng)一的接口。在代碼的實(shí)現(xiàn)上，我們采用自下而上的編程思想，分別完成每個(gè)子系統(tǒng)，在進(jìn)行分析和調(diào)試后通過(guò)確定的接口參數(shù)完成整個(gè)系統(tǒng)的拼裝。完成后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析、調(diào)試和測(cè)試。本軟件的功能是根據(jù)科研、教學(xué)、相關(guān)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等的需要，輔助學(xué)習(xí)者完成控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及到的各種計(jì)算和繪圖等，提供一個(gè)方便的系統(tǒng)分析和綜合的軟件操作平臺(tái)．本軟件具有如下的功能：1）系統(tǒng)輸入形式多樣化：輸入模型既可以是多項(xiàng)式形式，又可以是零、極點(diǎn)形式，或狀態(tài)空間表達(dá)式的形式，只需通過(guò)按鈕進(jìn)行選擇。 2)繪圖功能：能準(zhǔn)確地繪制出系統(tǒng)的Bode圖、Nyquist圖、根軌跡圖及系統(tǒng)任意輸入下的響應(yīng)曲線。 3)分析功能：根據(jù)各種分析需要求出系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等各種時(shí)域性能指標(biāo)或幅值裕度、相位裕度等頻域性能指標(biāo)。 4)校正器設(shè)計(jì)：對(duì)需要校正的系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并繪制出校正前、后系統(tǒng)的Bode圖、單位階躍響應(yīng)曲線圖，根軌跡圖以及階躍響應(yīng)曲線圖等圖形，顯示校正前、后系統(tǒng)的時(shí)域、頻域性能指標(biāo)，便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行比較、分析。 5)美觀、操作簡(jiǎn)便：本文所研制的基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)軟件包具有Widows程序風(fēng)格，人觀簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，易于應(yīng)用。按照上述設(shè)計(jì)思想和滿足《自動(dòng)控制原理》的課程教學(xué)內(nèi)容、科研、相關(guān)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)出本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體框架（） 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體框架介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)架后，下面來(lái)具體對(duì)各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。由于本課題是由我和陶睿同學(xué)共同完成的，在本次設(shè)計(jì)中陶睿同學(xué)主要負(fù)責(zé)的穩(wěn)定性分析、頻域分析、數(shù)字PID控制、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成。所以這三部分的具體實(shí)現(xiàn)原理及方法，詳見(jiàn)陶睿同學(xué)的論文，在此不在累述。我負(fù)責(zé)系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、根軌跡分析部分、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成及系統(tǒng)的總體調(diào)試。下面我來(lái)一一給予介紹。3系統(tǒng)的部分模塊實(shí)現(xiàn)與主界面設(shè)計(jì)研究控制系統(tǒng)我們需要根據(jù)其中物理量的變化，把它們彼此之間相互作用的關(guān)系和各自的變化規(guī)律用數(shù)學(xué)形式描述出來(lái)，此即為建模。建立描述控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是控制理論的基礎(chǔ)。： 控制系統(tǒng)的模型上圖是典型的基于偏差控制的反饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，設(shè)定值與反饋量的偏差通過(guò)控制器作用于被控對(duì)象，達(dá)到輸出量跟隨設(shè)定值的目的。建立數(shù)學(xué)模型就是要找到一種合適的手段，詳細(xì)描述被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而為控制器和反饋的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。建模的方法有很多種，其中應(yīng)用最為廣泛的是：演繹法、歸納法、混合模型三種方法。本設(shè)計(jì)中用的是演繹法,即通過(guò)定理、定義、公理等已經(jīng)驗(yàn)證了的理論來(lái)推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型。首先我們需要對(duì)模型進(jìn)行分析，通過(guò)物理規(guī)律來(lái)建立相應(yīng)的方程，并對(duì)所得方程進(jìn)行拉普拉斯變換，從而求出傳遞函數(shù)。其次，用繪制系統(tǒng)方塊圖的方法來(lái)求出傳遞函數(shù)，這包括系統(tǒng)方塊圖的繪制，方塊圖的化簡(jiǎn)以及最后的結(jié)果。再次，用SIMULINK進(jìn)行仿真，最后，將系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線畫出。我們的主要目標(biāo)是使學(xué)生了解傳遞函數(shù)的求解過(guò)程，并能直觀地從仿真模型中看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。 功能介紹及設(shè)計(jì)步驟我們的建模主要分為三個(gè)主要部分：（1）機(jī)械系統(tǒng)的建模，我們使用的是彈簧小車模型。（2）電學(xué)系統(tǒng)的模型，我們使用的是電阻電容模型。（3）自動(dòng)化系統(tǒng)模型，我們使用的是速度控制系統(tǒng)模型。（1）機(jī)械系統(tǒng)模型（彈簧小車模型）典型的機(jī)