【正文】 ing and increases valve opening. In this form of Control, the valve is adjusted t0 make output c equal to input r, but not, readjusted continually to keep the two equal. Open loop control, with certain safeguards added is very mon, for example, in the context of sequence control, that is, guiding a process through a sequence of predetermined steps. However, for systems such as the one at hand, this form of control will normally not yield high performance. A difference between input and output, a system error e = rc would be expected to develop, due to two major effect: 1. Disturbances acting on the system 2. Parameter variation of the system These are prime motivations。正是由于我們的努力，整個(gè)設(shè)計(jì)才能進(jìn)行的那么順利。這正是該項(xiàng)目的難點(diǎn)，也是我們繼續(xù)要開發(fā)研究的。我需要一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、仿真系統(tǒng)。 根軌跡法是一種求解閉環(huán)特征方程根的簡(jiǎn)便圖解方法，它根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)和零點(diǎn)的分布，依據(jù)一些簡(jiǎn)單的規(guī)則，研究開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)變化時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)和零點(diǎn)在 s 平面上的軌跡 。 35 5 總結(jié)和展望 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們用 MATLAB 設(shè)計(jì)了《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面供學(xué)生做實(shí)驗(yàn)使用。對(duì)用戶而言，操作簡(jiǎn)單易學(xué)且無(wú)須編程，參數(shù)輸人與修改是活．具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力，可 以 顯示校正前后系統(tǒng)的特性曲 線，能很直觀漂亮地繪 制出控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線、伯德圖、乃氏 圖和根軌跡圖．這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果。,39。)。Label39。界面仿真方式 (amp。,39。,39。)。Label39。仿真模型 (amp。 6)完成 ： 是為了在用戶結(jié)束使用的時(shí)候退出 MATLAB 或退出實(shí)驗(yàn)窗口所設(shè) 30 立的。 利用上述對(duì)象和 MATLAB 進(jìn)行界面設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行周密的組織、設(shè)計(jì)，來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)界面良好、操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大的圖形用戶界面。在 MATLB 中的 GUI 對(duì)象層次結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖 MATLAB中的 GUI對(duì)象層次結(jié)構(gòu)圖 在 MATLAB 中，每個(gè)圖形對(duì)象都是由一個(gè) 數(shù)字來(lái)標(biāo)識(shí)，叫句柄 (Handle)。 27 圖 校正前實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 校正后實(shí)驗(yàn)結(jié)果 28 3． 3 主界面的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) 作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件， MATLAB 也提供了圖形用戶界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)功能。這樣在運(yùn)行主程序的時(shí)候，該 m 文件會(huì)被自動(dòng)調(diào)用，彈出“實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理”界面，見圖 ： 圖 ‘“ 實(shí)驗(yàn) 原理 與 目的”界面 26 ② 實(shí) 驗(yàn)步驟的生成 利用 MATLAB 軟件的 GUI 界面編程，生成一個(gè) m 文件，再將實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)步驟寫入 m 文件。最后得出根軌跡的窗口 : 圖 根軌跡分析窗口 24 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成模塊的設(shè)計(jì) (1)設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) 為了使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù) 、框圖以及分析和設(shè)計(jì)結(jié)果等能夠在實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面中顯示，我們做了實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成這個(gè)子系統(tǒng)。相應(yīng)的幾何圖形如圖 ： 圖 幾何法超前校正零、極點(diǎn)確定幾何圖 獲得 K 值 繪制校 正前 根軌跡圖 繪制校正 后系統(tǒng)根軌跡圖 顯示校正前后性能指標(biāo) 性能指標(biāo) 結(jié) 束 顯示校正 傳遞函數(shù) 求得校正前系統(tǒng)模型 顯示校正前 性能指標(biāo) 幾何法校正 接受校正參數(shù) 開 始 22 幾何法超前校正的設(shè)計(jì)步驟及其成果 根據(jù)幾何法超前校正的模塊框圖，按照以下步驟： a. 由給定的系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)確定閉環(huán)期望極點(diǎn) S d 在 S 平面上的位置； b. 計(jì)算超前校正裝置應(yīng)提供的相角； c. 設(shè)計(jì)超前校正裝置； d. 計(jì)算校正后系統(tǒng)在閉環(huán)期望極點(diǎn) S d 的增益值，檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求； e. 繪制校正后系統(tǒng)的根軌跡圖，確定除 閉環(huán)期望極點(diǎn)外的其他閉環(huán)極點(diǎn)的位置，并估算這些閉環(huán)極點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)性能的影響。其基本調(diào)用格式為： R=RLOCUS(SYS,K) 其中 SYS 是系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)描述， K 是系統(tǒng)增益向量，也可以缺省并使用 MATLAB 提供的向量； R 是返回的根軌跡數(shù)據(jù)。如果不符合，通過(guò)調(diào)整校正裝置參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行再次校正，直到滿足規(guī)定的性能指標(biāo)為止。） 圖 pushbutton 按鈕下的流程圖 17 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) 根軌跡模塊的實(shí)現(xiàn) (1) 根軌跡設(shè)計(jì)原理 根軌跡法是一種求系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的圖解方法，即根椐系統(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)和零點(diǎn)，研究系統(tǒng)某一個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)的變化時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)分布變化的趨勢(shì)，可用于分析系統(tǒng)，而且是改善系統(tǒng)性能的有效途徑。在各個(gè)pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。在添加完畢后，運(yùn)行調(diào)試直到成功。在添加完畢后，運(yùn)行調(diào)試直到成功。 9 退出 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 SIMULINK仿真 階躍響應(yīng)曲線 方塊圖化簡(jiǎn) 系統(tǒng)方塊圖 系統(tǒng)微分方程 彈簧模型窗口 系統(tǒng)輸入?yún)?shù) 開 /閉環(huán) 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。通?？刂葡到y(tǒng)中建模思想如圖 所示： 圖 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。 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。 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)。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。 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(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）。 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。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。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。 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)。 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)。 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 。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)。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。定義變量，在各個(gè) pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。在各個(gè)pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。定義變量，在模型中，由用戶來(lái)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)。 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。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。 利用 MATLAB 提供的函數(shù) rlocus()，可以通過(guò)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)繪制其閉環(huán)的根軌跡圖。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)。在添加完畢后，運(yùn)行調(diào)試直到成功。 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。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 。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。 ? gco 獲得當(dāng)前圖形窗口內(nèi)當(dāng)前對(duì)象的句柄值。 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(wèn)題進(jìn)行解答。,39。 state=uimenu(fzsyxm,39。clear all39。Call39。D)39。,39。 state=uimenu(fzsyxm,39。clear all39。Call39。可實(shí)現(xiàn)資源共享和多任務(wù)并行的要求。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。 除建模外，我對(duì)系統(tǒng)根軌跡有了較深刻的理解。 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。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(kù)、利用知識(shí)庫(kù)提供在線操作指導(dǎo)等等。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們配合的非常默契，共同克服困難，出謀劃