【正文】 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)的開出率。 通過這次畢業(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。)。 模型三：自動(dòng)化控制模型(amp。,39。Label39。,39。 主界面模塊框圖 我們?cè)O(shè)計(jì)得主界面是讓用戶可以很快的了解該軟件的功能并可以很簡(jiǎn)單的通過圖形用戶界面來對(duì)該程序進(jìn)行操作。 GUI 是未來的趨勢(shì)，因?yàn)槿祟悓?duì)于圖形辨識(shí)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他表達(dá)方式，因此借助 GUI 程序能夠設(shè)計(jì)出專屬某個(gè)主題的圖形化界面。即 當(dāng)用戶做完實(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。 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。對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)中的增益 k，當(dāng) k 由 0 變化到無窮大時(shí)，在 S 平面上滿足幅角條件的點(diǎn)所構(gòu)成的圖形就是根軌跡圖。另外，通過 Simulink仿真和系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖可以直觀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 。（ 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。 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。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)語言。 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 !未定義書簽。 附錄一 科技文獻(xiàn)翻譯 ..................................... 38 附錄二 所用函數(shù)表 ....................................... 44 附錄三 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 ................................... 45 4 基于 MATLAB 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械與電氣工程系 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 03 電氣一班 后麗萍 指導(dǎo)老師 *** 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。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 6 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、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。 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。 （ 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。 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。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。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。 (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(yè)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。 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。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(kù)就可以設(shè)計(jì)出適合不同用戶的平臺(tái)。Call39。,39。clear all39。Z)39。 其中