【正文】 ......................................... 8 功能介紹及設計步驟 ......................................... 9 根軌跡模塊實現(xiàn)及實驗報告生成模塊的設計 ....................... 17 根軌跡模塊的實現(xiàn) ......................................... 17 實驗報告生成模塊的設計 .................................... 24 主界面的設計 .......................................................................... 28 設計思想及目標 ........................................... 28 ........................................... 29 .......................................... 30 4 系統(tǒng)設計成果及實驗舉例 ................................ 32 系統(tǒng)設計成果 ........................................................................... 32 實驗舉例 .................................................................................. 33 5 總結和展望 ........................................... 35 本文工作總結 ........................................................................... 35 課題展望 .................................................................................. 36 參考文獻 ............................................... 37 致謝 ................................................... 38 附錄一 科技文獻翻譯 ..................................... 39 附錄二 所用函數(shù)表 ....................................... 45 附錄三 畢業(yè)設計任務書 ................................... 46 4 基于 MATLAB 虛擬實驗系統(tǒng)的設計 1 緒 論 在目前有限的課堂教學和實驗學時內，運用一定的仿真軟件和計算機技術，使學生掌握專業(yè)的基本理論和控制系統(tǒng)的設計思想和方法，培養(yǎng)學生科研能力，是專業(yè)教學中值得研究和探討的課題。這樣用仿真實驗手段取代傳統(tǒng)模擬實驗明顯提高實驗效率、改善實驗效果， 同時讓 學習者能夠 了解了實驗過程中參數(shù)如何選擇，了解實驗參數(shù)改變的依據(jù)，直觀地看出參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，大大提高了實驗效率，取得了良好的實驗效果，既調動了 學生的積極性和創(chuàng)造性，又培養(yǎng)了學生分析、設計和調試自動控制系統(tǒng)的能力，對創(chuàng)造更開放和有創(chuàng)意的實驗環(huán)境是很有幫助，同時學習者不需要 MATLAB 知識就能方便的操作和應用。 但是，由于《自動控 制原理》又是一門理論性極強的課程，對學生的數(shù)學功底（特別是積分變換理論和矩陣理論）要求很，課程中的很多結論非常抽象。 目前高校中現(xiàn)成的基于 MATLAB 的控制理論課程的教學輔助系統(tǒng)幾乎是風毛麟角，即使有，也是功能十分簡單的仿真分析系統(tǒng)，沒有實現(xiàn)真正意義上的輔助教學。其開發(fā)的環(huán)境、功能極強的矩陣運算、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，使其提供了強大的科學運算、 6 靈活的程序、高質量的圖形可視化與界面設計、便捷的與其它程序和語言接口功能。 此外， MATLAB 還有一個功能強大的 、可視化的、交互環(huán)境的工具 SIMULINK，用于模擬非線性動態(tài)系統(tǒng)。完成后對整個系統(tǒng)進行實驗分析、調試和測試。 4)校正器設計： 對需要校正的系統(tǒng)進行串聯(lián)校正器的計算機輔助設計，并繪制出校正前、后系統(tǒng)的 Bode 圖、單位階躍響應曲線圖， 根軌跡圖以及階躍響應曲線圖等圖形， 顯示校正前、后系統(tǒng)的時域、頻域性能指標，便于設計者進行 7 比較、分析 。 所以這三部分的具體實現(xiàn)原理及方法， 詳見陶睿 同學的論文，在此不在累述。建立描述控制系統(tǒng)運動的數(shù)學模型是控制理論的基礎。本設計中用的是演繹法 ,即通過定理、定義、公理等已經驗證了的理論來推導出數(shù)學模型。我們的主要目標是使學生了解傳遞函數(shù)的求解過程，并能直觀地從仿真模型中看到實驗結果和判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。 （ 1） 機械系統(tǒng)模型（彈簧小車模型） 典型的機械系統(tǒng)是由阻尼器α、彈簧 k、和質量m 或轉動慣量 J 組成。定義變量，在各個 pushbutton 按鈕下添加完成相應功能的代碼。在這就不一一畫出每一個按 鈕后臺程序的程序流程圖了，以“階躍響應曲線”按鈕后臺程序流程圖為例（本系統(tǒng)中最難的）。在各個pushbutton 按鈕下添加完成相應功能的代碼。 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按鈕所要實現(xiàn)的功能相同，其中在本模型中“躍響應曲線”按鈕的程序流程圖，由所變化。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應的參數(shù)，因此必須定義相應的全局變量，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 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)相對應的傳遞函數(shù)。 2. 速度控制系統(tǒng)模型的主要按鈕程序的流程圖： 本模型中因為多了 radiobutton 按鈕，所以 pushbutton 按鈕下的程序實現(xiàn)就有了變化， radiobutton 是一個單選按紐，用戶可根據(jù)實際情況對其進行選擇，現(xiàn)將其中一個 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)）句柄值不可能同時為 1，因為已在程序中設計它們?yōu)榛コ獍粹o。在根軌跡上的每一點對應于一個閉環(huán)極點，每一個閉環(huán)極點對應一個參數(shù) k，并可以利用幅值條件確定該點對應的 k值。如果認為可以滿足設計要求，再對系統(tǒng)進行分析檢 驗，如果符合了系統(tǒng)規(guī)定的性能指標，則設計結束。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)性能都能滿足設計要求。 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系統(tǒng)的校正為例，具體說明這個校正方法及其實現(xiàn)步驟。作 ? 的角平分線，在角平分線的兩側作 c? /2分別與坐標軸交于兩點，右側為 零點，左側為極點，由此可得出校正裝置的零、極點。包括多項式求根， 傳遞函數(shù)的零極點和增益，傳遞函數(shù)部分分式展開等等。在添加完畢后，運行調試直到成功。 (2)實驗報告框圖 在根軌跡實驗中 ,我們將實驗報告分成三頁顯示，在 根軌跡的 主界面上，通過點擊 “ 實驗報告生成 ” 按鈕，得到三個下拉菜單：（ 1）實驗 原理與目的 ，（ 2）實驗 步驟 ,（ 3） 實驗結果 ,實驗報告框圖如圖 所示： 圖 實驗報告框圖 其中實驗目的與原理包括實驗目的，內容以及思考題；實驗步驟則闡述了根軌跡圖的繪制、根軌跡設計校正裝置的四種不同方法以及校正前后系統(tǒng)零、極點和開、閉環(huán)傳遞函數(shù)的求法；實驗結果則描繪了校正前系統(tǒng)的特性，主要以根根軌跡界面 實驗報告生成 實驗原理和目的 實驗結果 實驗 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，分別對校正后實驗結果以根軌跡圖的形式顯示出來。 在主函數(shù)（主界面）中對生成實驗 報告各函數(shù)的調用相類似，下面是調用函數(shù) chaoqianfa()即：用超前校正法生成實驗報告時主函數(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 實驗目的和實驗原理的生成 利用 MATLAB 軟件的 GUI 界面編程，生成一個 m 文件，再將該實驗的目的、內容和相關的原 理寫入 m 文件。然后將用戶在實驗過程中涉及到的校正前后相關參數(shù)、公式設置成全局 變量，然后將其導入該 m 文件。校正前系統(tǒng)根軌跡和性能指標見圖 ，選用最大法超前校正對系統(tǒng)進行校正，校正后的根軌跡和系統(tǒng)性能指標見圖 。 MATLAB 中的基本圖形用戶界面對象分為 3 類： 1)界面控件對象 (uicontrol)：能建立按鈕、列表框、編輯框等圖形用戶界面對象。其中，計 算機屏幕是根對象，它是 其他對象的父對象；圖形窗口是計算機屏幕的子對象；坐標軸，界面控件對象，下拉式菜單對象和內容式菜單對象是圖形窗口的子對象；圖像、線條、曲面、等是坐標軸的子對象。 MATLAB可以獲得圖形，坐標軸， uicontrol， uicontextmenu， uimenu 和其他對象的句柄。 ? gco 獲得當前圖形窗口內當前對象的句柄值。主界面模塊框圖如圖 : 在我們得主界面上有六個窗口組成： 1)實驗操作窗口： 通過該連接可以將用戶導入實驗操作的子窗口，該窗口的設計目的是為了讓用戶有個可以實現(xiàn)自己模型的平臺 ，這個平臺是為了那些不滿足于現(xiàn)有的實驗項目的用戶，結合模型元件庫就可以設計出適合不同用戶的平臺。 5)幫助： 這個部分是為了讓用戶在使用該軟件的時候盡快的了解軟件的使用方法和為了用戶在使用軟件時遇到的一些問題進行解答。首先新建一個 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，然后運行，得到相應的 M 文件。,39。Call39。 state=uimenu(fzsyxm,39。T)39。clear all39。,39。Call39。 虛擬實驗系統(tǒng)主界面 實驗操作窗口 模型元件庫 仿真模型 幫助 仿真試驗項目 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 自動化模型 自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 根軌跡實驗窗口 頻域分析窗口 自控系統(tǒng)靜態(tài)誤差 線性二階系統(tǒng) 實驗指導 關于虛擬實驗系統(tǒng) 退出實驗 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、自動化控制模型的 M 文件?？蓪崿F(xiàn)資源共享和多任務并行的要求。下面我們具體舉根軌跡實驗說明。等三部分都生成好后，就可以打印出實驗報告，本次實驗結束。 MATLAB 語言的數(shù)值計算和繪圖功能非常強大，而且精度可以滿足要求，這就直接省去了我們的繪圖時間。 除建模外，我對系統(tǒng)根軌跡有了較深刻的理解。在設計控制系統(tǒng)時，根軌跡法是有效的，因為它指出了系統(tǒng)開環(huán)極點和零點應該怎樣變化，才能使系統(tǒng)的性能滿足設計指標。 我們所設計的虛擬實驗系統(tǒng) 軟件只是一個單機的仿真軟件，對于用戶而言，必須每臺客戶機都裝有一套軟件，軟件投入資金大，同時，對客戶機的要求又高，以運行很龐大的仿真軟件。同時可以降低對運行的硬件平臺的要求，降低軟件的投入，減少軟件運行維護的費用，降低客戶機的配置要求。必須對那些仿真軟件平臺進行研究分析和大量的二次開發(fā)工作， 包括遠程實驗、仿真平臺的理論研究、平臺的搭建、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的安全、數(shù)據(jù)的共享、實驗在線監(jiān)視系統(tǒng)、學生實驗情況的專家知識庫、利用知識庫提供在線操作指導等等。無論是軟件的使用，還是理論的運用，我都有很大的收獲。在整個設計過程中，我們配合的非常默契，共同克服困難，出謀劃策。 再次，我要感謝大學四年所有教過我的老師和我們的輔導員，感謝他們四年來對我的教誨和幫