【正文】 ......................................... 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。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。 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。 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)。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。 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)。完成后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析、調(diào)試和測試。 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 7 比較、分析 。 所以這三部分的具體實(shí)現(xiàn)原理及方法， 詳見陶睿 同學(xué)的論文，在此不在累述。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)。本設(shè)計(jì)中用的是演繹法 ,即通過定理、定義、公理等已經(jīng)驗(yàn)證了的理論來推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型。我們的主要目標(biāo)是使學(xué)生了解傳遞函數(shù)的求解過程，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。 （ 1） 機(jī)械系統(tǒng)模型（彈簧小車模型） 典型的機(jī)械系統(tǒng)是由阻尼器α、彈簧 k、和質(zhì)量m 或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 組成。定義變量，在各個(gè) pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。在這就不一一畫出每一個(gè)按 鈕后臺(tái)程序的程序流程圖了，以“階躍響應(yīng)曲線”按鈕后臺(tái)程序流程圖為例（本系統(tǒng)中最難的）。在各個(gè)pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。 圖 電阻電容模型 界面 2．電阻電容模型主要按鈕程序的流程圖： 同理，在本模型中的按鈕與彈簧模型中的七個(gè)按鈕所要實(shí)現(xiàn)的功能相同，其中在本模型中“躍響應(yīng)曲線”按鈕的程序流程圖，由所變化。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應(yīng)的參數(shù)，因此必須定義相應(yīng)的全局變量，以便接收用戶在界面上輸入的參數(shù)。右 上角是模型圖，右下角為功能實(shí) 現(xiàn)按鈕，用戶可在此處了解描述系統(tǒng)物理規(guī)律的微分方程、系統(tǒng)的方塊圖，并能得出與輸入?yún)?shù)相對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。 2. 速度控制系統(tǒng)模型的主要按鈕程序的流程圖： 本模型中因?yàn)槎嗔?radiobutton 按鈕，所以 pushbutton 按鈕下的程序?qū)崿F(xiàn)就有了變化， radiobutton 是一個(gè)單選按紐，用戶可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行選擇，現(xiàn)將其中一個(gè) pushbutton 按鈕下的流程圖展現(xiàn)如下 (其他按鈕與其相仿 )： 系統(tǒng)方塊圖 (pushbutton2)（注： radiobutton1（閉環(huán)）與 radiobutton2（開環(huán)）句柄值不可能同時(shí)為 1，因?yàn)橐言诔绦蛑性O(shè)計(jì)它們?yōu)榛コ獍粹o。在根軌跡上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)，每一個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)參數(shù) k，并可以利用幅值條件確定該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 k值。如果認(rèn)為可以滿足設(shè)計(jì)要求，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析檢 驗(yàn)，如果符合了系統(tǒng)規(guī)定的性能指標(biāo)，則設(shè)計(jì)結(jié)束。通過串聯(lián)校正后，最終使系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都能滿足設(shè)計(jì)要求。 利用 MATLAB 提供的函數(shù) rlocus()，可以通過系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)繪制其閉環(huán)的根軌跡圖。其模塊框圖見圖 圖 串聯(lián)校正的模塊框圖 21 下面我以幾何法超前校正對(duì)系統(tǒng)的校正為例，具體說明這個(gè)校正方法及其實(shí)現(xiàn)步驟。作 ? 的角平分線，在角平分線的兩側(cè)作 c? /2分別與坐標(biāo)軸交于兩點(diǎn)，右側(cè)為 零點(diǎn)，左側(cè)為極點(diǎn)，由此可得出校正裝置的零、極點(diǎn)。包括多項(xiàng)式求根， 傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)和增益，傳遞函數(shù)部分分式展開等等。在添加完畢后，運(yùn)行調(diào)試直到成功。 (2)實(shí)驗(yàn)報(bào)告框圖 在根軌跡實(shí)驗(yàn)中 ,我們將實(shí)驗(yàn)報(bào)告分成三頁顯示，在 根軌跡的 主界面上，通過點(diǎn)擊 “ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成 ” 按鈕，得到三個(gè)下拉菜單：（ 1）實(shí)驗(yàn) 原理與目的 ，（ 2）實(shí)驗(yàn) 步驟 ,（ 3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ,實(shí)驗(yàn)報(bào)告框圖如圖 所示： 圖 實(shí)驗(yàn)報(bào)告框圖 其中實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?nèi)容以及思考題；實(shí)驗(yàn)步驟則闡述了根軌跡圖的繪制、根軌跡設(shè)計(jì)校正裝置的四種不同方法以及校正前后系統(tǒng)零、極點(diǎn)和開、閉環(huán)傳遞函數(shù)的求法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果則描繪了校正前系統(tǒng)的特性，主要以根根軌跡界面 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成 實(shí)驗(yàn)原理和目的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn) 步驟 校正后特性 校正前特性 幾何校正 滯后校正 解析法超前校正 最大法超前校正 25 軌跡圖的形式顯示出來；校正后系統(tǒng)的特性是按照四種不同方法的校正，分別對(duì)校正后實(shí)驗(yàn)結(jié)果以根軌跡圖的形式顯示出來。 在主函數(shù)（主界面）中對(duì)生成實(shí)驗(yàn) 報(bào)告各函數(shù)的調(diào)用相類似，下面是調(diào)用函數(shù) chaoqianfa()即：用超前校正法生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)主函數(shù)中的主要代碼： function Untitled_21_Callback(hObject, eventdata, handles) global nump denp numh denh l14 l27 l24 l26 figure(chaoqianfa) ① 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理的生成 利用 MATLAB 軟件的 GUI 界面編程，生成一個(gè) m 文件，再將該實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和相關(guān)的原 理寫入 m 文件。然后將用戶在實(shí)驗(yàn)過程中涉及到的校正前后相關(guān)參數(shù)、公式設(shè)置成全局 變量，然后將其導(dǎo)入該 m 文件。校正前系統(tǒng)根軌跡和性能指標(biāo)見圖 ，選用最大法超前校正對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，校正后的根軌跡和系統(tǒng)性能指標(biāo)見圖 。 MATLAB 中的基本圖形用戶界面對(duì)象分為 3 類： 1)界面控件對(duì)象 (uicontrol)：能建立按鈕、列表框、編輯框等圖形用戶界面對(duì)象。其中，計(jì) 算機(jī)屏幕是根對(duì)象，它是 其他對(duì)象的父對(duì)象；圖形窗口是計(jì)算機(jī)屏幕的子對(duì)象；坐標(biāo)軸，界面控件對(duì)象，下拉式菜單對(duì)象和內(nèi)容式菜單對(duì)象是圖形窗口的子對(duì)象；圖像、線條、曲面、等是坐標(biāo)軸的子對(duì)象。 MATLAB可以獲得圖形，坐標(biāo)軸， uicontrol， uicontextmenu， uimenu 和其他對(duì)象的句柄。 ? gco 獲得當(dāng)前圖形窗口內(nèi)當(dāng)前對(duì)象的句柄值。主界面模塊框圖如圖 : 在我們得主界面上有六個(gè)窗口組成： 1)實(shí)驗(yàn)操作窗口： 通過該連接可以將用戶導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)操作的子窗口，該窗口的設(shè)計(jì)目的是為了讓用戶有個(gè)可以實(shí)現(xiàn)自己模型的平臺(tái) ，這個(gè)平臺(tái)是為了那些不滿足于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的用戶，結(jié)合模型元件庫就可以設(shè)計(jì)出適合不同用戶的平臺(tái)。 5)幫助： 這個(gè)部分是為了讓用戶在使用該軟件的時(shí)候盡快的了解軟件的使用方法和為了用戶在使用軟件時(shí)遇到的一些問題進(jìn)行解答。首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），根據(jù)主界面的模型框架，在菜單編輯器建立菜單，然后運(yùn)行，得到相應(yīng)的 M文件。,39。Call39。 state=uimenu(fzsyxm,39。T)39。clear all39。,39。Call39。 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面 實(shí)驗(yàn)操作窗口 模型元件庫 仿真模型 幫助 仿真試驗(yàn)項(xiàng)目 輸入元件庫 輸出元件庫 連續(xù)線性環(huán)節(jié)元件庫 非線性元件庫 離散線性環(huán)節(jié)元件庫 彈簧小車模型 電路模型 自動(dòng)化模型 自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 根軌跡實(shí)驗(yàn)窗口 頻域分析窗口 自控系統(tǒng)靜態(tài)誤差 線性二階系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 退出實(shí)驗(yàn) 數(shù)字PID控制 退出MATLAB 完成 31 state=uimenu(fzsyxm,39。D)39。clear all39。,39。Call39。 state=uimenu(fzsyxm,39。Z)39。clear all39。,39。Call39。 其中，‘ tanhuang’ 、‘ dianlu’ 、‘ zidong’分別是彈簧小車模型、電路模型、自動(dòng)化控制模型的 M 文件?？蓪?shí)現(xiàn)資源共享和多任務(wù)并行的要求。下面我們具體舉根軌跡實(shí)驗(yàn)說明。等三部分都生成好后，就可以打印出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。 MATLAB 語言的數(shù)值計(jì)算和繪圖功能非常強(qiáng)大，而且精度可以滿足要求，這就直接省去了我們的繪圖時(shí)間。 除建模外，我對(duì)系統(tǒng)根軌跡有了較深刻的理解。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，根軌跡法是有效的 ，因?yàn)樗赋隽讼到y(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)和零點(diǎn)應(yīng)該怎樣變化，才能使系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。 我們所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 軟件只是一個(gè)單機(jī)的仿真軟件，對(duì)于用戶而言，必須每臺(tái)客戶機(jī)都裝有一套軟件，軟件投入資金大，同時(shí)，對(duì)客戶機(jī)的要求又高，以運(yùn)行很龐大的仿真軟件。同時(shí)可以降低對(duì)運(yùn)行的硬件平臺(tái)的要求，降低軟件的投入，減少軟件運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，降低客戶機(jī)的配置要求。必須對(duì)那些仿真軟件平臺(tái)進(jìn)行研究分析和大量的二次開發(fā)工作，包括遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、仿真平臺(tái)的理論研究、平臺(tái)的搭建、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的安全、數(shù)據(jù)的共享、實(shí)驗(yàn)在線監(jiān)視系統(tǒng)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的專家知識(shí)庫、利用知識(shí)庫提供在線操作指導(dǎo)等等。無論是軟件的使用，還是理論的運(yùn)用，我都有很大的收獲。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我們配合的非常默契，共同克服困難，出謀劃策。 再次，我要感謝大 學(xué)四年所有教過我的老師和我們的輔導(dǎo)員，感謝他們四年來對(duì)我的教誨和幫