【正文】 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助。無論是軟件的使用，還是理論的運用，我都有很大的收獲。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。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。 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。下面我們具體舉根軌跡實驗說明。 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。,39。Z)39。Call39。clear all39。 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。,39。T)39。Call39。首先新建一個 GUI（圖形用戶界面），根據主界面的模型框架，在菜單編輯器建立菜單，然后運行，得到相應的 M 文件。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。 MATLAB可以獲得圖形，坐標軸， uicontrol， uicontextmenu， uimenu 和其他對象的句柄。 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。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。 (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。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。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。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。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。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，并能得出與輸入參數(shù)相對應的傳遞函數(shù)。 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。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）。 （ 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。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。 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。完成后對整個系統(tǒng)進行實驗分析、調試和測試。其開發(fā)的環(huán)境、功能極強的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據處理、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。 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。 關鍵詞： 自動控制原理 建模 MATLAB 虛擬實驗系統(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 虛擬實驗系統(tǒng)的總體設計 ................................. 5 背景知識介紹 ............................................................................ 5 虛擬實驗系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析 ..................................... 5 MATLAB簡介及其在控制系統(tǒng)中的運用 ............................ 5 總體設計原理 ............................................................................ 6 總體設計框圖 ............................................................................. 7 3 系統(tǒng)的部分模塊實現(xiàn)與主界面設計 ......................... 8 建模模塊的實現(xiàn) ......................................................................... 8 建模設計思想及目標 ......................................... 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 ......................