【正文】 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)生來說．由于時(shí)間和專業(yè)知識(shí)的限制，直接利用MATLAB 語言編程進(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 2 Abstract Automatic 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 3 目 錄 目 錄 ................................................... 3 1 緒論 .................................................. 4 2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ................................. 5 背景知識(shí)介紹 ............................................................................ 5 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析 ..................................... 5 MATLAB簡(jiǎn)介及其在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用 ............................ 5 總體設(shè)計(jì)原理 ............................................................................ 6 總體設(shè)計(jì)框圖 ............................................................................. 7 3 系統(tǒng)的部分模塊實(shí)現(xiàn)與主界面設(shè)計(jì) ......................... 8 建模模塊的實(shí)現(xiàn) ......................................................................... 8 建模設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) ......................................... 8 功能介紹及設(shè)計(jì)步驟 ......................................... 9 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) ....................... 17 根軌跡模塊的實(shí)現(xiàn) ......................................... 17 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成模塊的設(shè)計(jì) .................................... 24 主界面的設(shè)計(jì) .......................................................................... 28 設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) ........................................... 28 ........................................... 29 .......................................... 30 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果及實(shí)驗(yàn)舉例 ................................ 32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果 ........................................................................... 32 實(shí)驗(yàn)舉例 .................................................................................. 33 5 總結(jié)和展望 ........................................... 35 本文工作總結(jié) ........................................................................... 35 課題展望 .................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) ............................................... 37 致謝 ................................................... 38 附錄一 科技文獻(xiàn)翻譯 ..................................... 39 附錄二 所用函數(shù)表 ....................................... 45 附錄三 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 ................................... 46 4 基于 MATLAB 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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 ： ? 資料查閱，熟悉課題 ? 確定系統(tǒng)框架并開始搭建總體框架 ? 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) ? 編制各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的詳細(xì)程序代碼 ? 程序總體調(diào)試，準(zhǔn)備材料 ? 撰寫論文，科技翻譯 5 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)是都筆算來解決問題，后來逐漸利用計(jì)算機(jī)采用 Basic、Fortran 和 C 語言完成控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CACSD）。自從 MATLAB 與 1984 年誕生以來，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)生來說．由于時(shí)間和專業(yè)知識(shí)的限制，直接利用 MATLAB 語言編程進(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、 6 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