【正文】 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(zhuān)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(zhuān) 業(yè)教學(xué)中值得研究和探討的課題?；?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(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程， 是控制理論的基礎(chǔ)。 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(hù)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 .................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 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(zhuān)業(yè)教學(xué)中重要的專(zhuān)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(jiàn)到控制的蹤跡。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(yǔ)言。在代碼的實(shí)現(xiàn)上，我們采用自下而上的編程思想，分別完成每個(gè)子系統(tǒng)，在進(jìn)行分析和調(diào)試 后通過(guò)確定的接口參數(shù)完成整個(gè)系統(tǒng)的拼裝。 由于本課題是由我和陶睿 同學(xué)共同完成的，在本次設(shè)計(jì)中陶睿同學(xué) 主要負(fù)責(zé)的穩(wěn)定性分析、頻域分析、數(shù)字 PID 控制、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成。 建模的方法有很多種，其中應(yīng)用最為廣泛的是：演繹法、歸納法、混合模型三種方法。（ 3）自動(dòng)化系統(tǒng)模型，我們使用的是速度控制系統(tǒng)模型。 圖 彈簧小車(chē)的界面 ： 我們彈簧模型界面上有七個(gè)按鈕，其中“退出”按鈕可以在 GUI 設(shè)計(jì)是設(shè)定它的屬性為 close，運(yùn)行后就可以實(shí)現(xiàn)退出功能了，“系統(tǒng)微分方程 ”、“系統(tǒng)方塊圖”、“方塊圖化簡(jiǎn)”、“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”、“ SIMULINK 仿真”、“ 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)”按鈕，都是由調(diào)用后臺(tái)程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)按鈕的功能的。另外，通過(guò) Simulink仿真和系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖可以直觀(guān)的看到階躍輸入與輸出的關(guān)系以及判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定 。最后得速度控制系統(tǒng)模型的窗口如下 圖 所示 : 圖 速度控制系統(tǒng)模型主界面（閉環(huán)） 速度控制系統(tǒng)模型界面的左上角是用戶(hù)輸入?yún)?shù)框，在這個(gè)參數(shù)框中包括 退出 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 SIMULINK仿真 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 方框圖化簡(jiǎn) 系統(tǒng)方塊圖 系統(tǒng)微分方程 速度模型窗口 系統(tǒng)輸入?yún)?shù) 開(kāi) /閉環(huán) ? 15 供用戶(hù)選擇的按鈕 ，這是由于該系統(tǒng)既可在開(kāi)環(huán)下運(yùn)行，又可在閉環(huán)下運(yùn)行。對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中的增益 k，當(dāng) k 由 0 變化到無(wú)窮大時(shí)，在 S 平面上滿(mǎn)足幅角條件的點(diǎn)所構(gòu)成的圖形就是根軌跡圖。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，如果未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為某一數(shù)值時(shí)，瞬態(tài)性能符合設(shè)計(jì)要求，則設(shè)計(jì)校正裝置使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；如果未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為任何數(shù)值時(shí)， 瞬態(tài)性能都不能 符合設(shè)計(jì)要求，則需設(shè)計(jì)校正裝置使系統(tǒng)的瞬態(tài)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求并檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 ，或先使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出校正 裝置后， 再 檢驗(yàn)閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)是否滿(mǎn)足主導(dǎo)條件。 例如，本模 塊 中提供的參數(shù)如下： 被控對(duì)象 Gp （ s）： num= [1],den= [1 5 4 0], 所以 Gp （ s） = 0451 123 ??? sss 反饋通道 H（ s）： num= [1] ， den= [1]， 所以 H（ s） =1 控制器 Gc （ s） ： num= [1] ， den= [1]， 所以 Gc （ s） =1 點(diǎn)擊繪制根軌跡按鈕，繪制出如圖 所示的根軌跡： 根軌跡分析 繪制根軌跡圖 根軌跡法 進(jìn)行串聯(lián)校正 求系統(tǒng)傳遞函數(shù) 幾何法超前校正 最大法超前校正 滯后校正 解析 法超前校正 20 圖 系統(tǒng)生產(chǎn)得 根軌跡 ② 根軌跡法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正的實(shí)現(xiàn)： 本模塊采用了幾何法超前校正、 ? 最大法超前校正、滯后校正以及解析法超前校正對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。 的傳遞函數(shù) Gc (s)= s+1／ s+4 Gp （ s） Gc （ s） H（ s） =k/s(s+4)(s+4) ： 圖 幾何法校正后根軌跡圖 23 ③ 求系統(tǒng)傳遞函數(shù) MATALB 提供了許多功能 強(qiáng)大的內(nèi)部函數(shù)可以構(gòu)建和處理系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。即 當(dāng)用戶(hù)做完實(shí)驗(yàn)后系統(tǒng)可以自動(dòng)生成相應(yīng)形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告， 然后可以直接打印出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 “實(shí)驗(yàn)步驟”界面 ③ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 同樣利用 GUI 界面生 成 m 文件和 fig 文件。 GUI 是未來(lái)的趨勢(shì)，因?yàn)槿祟?lèi)對(duì)于圖形辨識(shí)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他表達(dá)方式，因此借助 GUI 程序能夠設(shè)計(jì)出專(zhuān)屬某個(gè)主題的圖形化界面。計(jì)算機(jī)屏幕作為根對(duì)象，其對(duì)象句柄通常為零；其他的圖形對(duì)象句柄是浮點(diǎn)值。 主界面模塊框圖 我們?cè)O(shè)計(jì)得主界面是讓用戶(hù)可以很快的了解該軟件的功能并可以很簡(jiǎn)單的通過(guò)圖形用戶(hù)界面來(lái)對(duì)該程序進(jìn)行操作。在本次設(shè)計(jì)中我采用了 GUI 設(shè)計(jì)工具中的菜單編輯器 Menu Editor。,39。 模 型 一 ： 彈 簧 小 車(chē) 模 型(amp。Label39。)。,39。,39。 模型三：自動(dòng)化控制模型(amp。Label39。)。保存下來(lái)的 模型 參數(shù)可用于重復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與仿真 ；保存下來(lái)的輸人數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果可以作為撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的素材。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)我強(qiáng)化了自己的自動(dòng)控制理論，學(xué)會(huì)了用 MATLAB進(jìn)行控制理論和控制工程研究的基本思路和方法。 可以用于分析系統(tǒng)，而且指出了改善系統(tǒng)性能的有效途徑。這將使更多的學(xué)生可以進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、仿真軟件的缺乏，改善了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)狀況，提高實(shí)驗(yàn)的開(kāi)出