【正文】 ，‘ 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。 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。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。該系統(tǒng)可以使實驗的方式有一個本質(zhì)的改進，通過網(wǎng)絡(luò)，可以使多個人同時共享一臺設(shè)備，使以前一人一臺的實驗方式變?yōu)榱硕嗳艘慌_實驗設(shè)備的遠程實驗方式，實現(xiàn)真正的實驗設(shè)備的共享方式。學(xué)生只要在相應(yīng)實驗的界面上指定位置輸入數(shù)值（如傳遞函數(shù)的分子、分母），再點擊相應(yīng)按鈕便可得到結(jié)果，讓學(xué)生將主要精力放在對控制理論概念的 理解上。zidong39。,39。Call39。 uimenu(state,39。F)39。同時在摸索過程中不斷的改進我們的界面，使得程序最終可以達到我們預(yù)定的設(shè)計目，即設(shè)計出一個界面良好、操作簡便、功能強大并且具有豐富的在線幫助的圖形用戶。 圖形化用戶界面（ Graphical User Interfaces） ,簡稱 GUI，是一種圖形化的 溝通界面，通過此界面可以很方便地達到一些特定的控制的操作，而這些界面調(diào)用 MATLAB 來進行運算處理操作。我們的目標(biāo)是用戶就可以根據(jù)自己的需要，點擊本模塊上“實驗報告生成”這個按鈕，保存 實驗過程中的目的與原理、相關(guān)數(shù)據(jù)、分析步驟以及實驗結(jié)果等內(nèi)容。如果不設(shè)返回值， MATLAB就自動繪制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡。對于圖 的閉環(huán)系統(tǒng)： 圖 閉環(huán)系統(tǒng)圖 其特征方程為： 1+G（ s） H（ s） =0， 對于滿足此方程的所有 S 的值都是閉環(huán)的極點 ,且滿足 )12(180)()( 0)()( ?? ? ljsHsGj eesHsG 的指數(shù)方程，可將此指數(shù)方程變換為： 1)()( ?sHsG ……… . ……… . ……… . ……… .幅值條件 0180)()( ??? sHsG （ 2l+1） (l=0,1,2 …… .)……… ...相角條件 對于滿足幅值條件和相角條件的 S 值，就是給定參數(shù)的閉環(huán)極點，也即為根軌跡上的點。最后得到的界面見圖 ，在主界面的左上角是用戶輸入?yún)?shù)框，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，并通過其得出與輸入?yún)?shù)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)。（ 2）電學(xué)系統(tǒng)的模型，我們使用的是電阻電容模型。 按照 上述設(shè)計思想和滿足 《自動控 制原理》的課程教學(xué)內(nèi)容 、 科研 、相關(guān) 實驗 和課程設(shè)計等 設(shè)計出本虛擬實驗系統(tǒng)的總體框架（見圖 ） 圖 虛擬實驗系統(tǒng)的總體框架 介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)架后，下面 來具體 對各模塊設(shè)計與實現(xiàn)進行介紹。 MATLAB 簡介及其在控制系統(tǒng)中的運用 MATLAB 語言是當(dāng)今國際上科學(xué)界（尤其是自動控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最具有活力的軟件。同時 利用該軟件可以系統(tǒng)地讓學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計思想的演化過程以及自動控制學(xué)科專業(yè)知識，從而提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力。 本課題就是 利用 MATLAB 的界面設(shè)計功能及其提供的控制系統(tǒng)工具箱可以開出一個用戶界面良好的《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng)，以每個實驗項目為本系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)。 作為一個專業(yè)的科學(xué)計算軟件， MATLAB 的功能首先在應(yīng)用，即應(yīng)用現(xiàn)有函數(shù)和工具（箱）解決具體問題。 我 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的主界面設(shè)計、數(shù)學(xué)建模、根軌跡分析部分 、實驗報告生成及 系統(tǒng)的總體調(diào)試。質(zhì)量m，轉(zhuǎn)動慣量和彈簧 k 如同電路系統(tǒng)中的電容和電感一樣是貯能元件 ,而阻 圖 彈簧滑塊系統(tǒng)圖 尼器α如同電路中的電 阻 是耗能元件。其流程圖見圖 : 13 圖 二階電路階躍響應(yīng)流程圖 （ 3）自動化系統(tǒng)模型 我們這里討論的自動化系統(tǒng)是其中的機電系統(tǒng)，而電機是機電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其類別很多，在這個模型中，我們用 K 表示放大器的放大系數(shù)，其他屬于電機的結(jié)構(gòu) ,在這里就不敘述了。設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： G（ s） H（ s） =k(s+Z1)．．． (s+Zm)/(s+P1)．．． (s+Pn)， 由幅值和相角條件得出： ??MJ j1 _? ?? ????Ni i ll1 0 ),2,1()12(180 ?? ??????NiijPs1M1jZsk ＝１ 其中， θ 角 是 S 平面上任一點到閉環(huán)零點與正實軸的夾角； ? 角 是 S 平面上任意點 到閉環(huán)零點的夾角。其它三種校正方法與幾何法超前校正方法類似，在此就不具體介紹了。實驗報告生成完成以后，由系統(tǒng)原先給定的參數(shù)及特性，再根據(jù)實驗過程中的四種不同的校正方法，用戶可以根據(jù)自己的需要，通過點擊“實驗報告生成”這個按鈕，隨心所欲地顯示校正前后系統(tǒng)的特性，如根軌跡圖以及傳遞函數(shù)等。 2)下拉式菜單對象 (uimenu):能建立下拉式菜單和子菜單等圖形用戶界面對象。 2)模型元件庫： 這個部分包含有 5 個元件庫，是配合實驗操作窗口所設(shè)計的，是為了方便用戶的建模，使得用戶不需要再進入 MATLAB 的 SIMULINK 來調(diào)用相應(yīng)的模塊。,39。界面仿真方式 (amp。)。,39。 最后生成新的 M 文件 : 文件 ,在運行該文件 ,得到圖的主界 面 圖 虛擬實驗系統(tǒng)的主界面 32 4 系統(tǒng)設(shè)計成果及實驗舉例 系統(tǒng)設(shè)計成果 經(jīng)過三個月的努力，我們建立了一個用戶界面良好的《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng) 。我還了解了 MATLAB 的控制系統(tǒng)工具箱，它是 MATLAB 中的一個重要的領(lǐng)域型工具箱，主要用于線性定常系統(tǒng)的分析、設(shè)計與仿真。大大減少實驗室的投入，降低辦學(xué)成本。我需要一個基于網(wǎng)絡(luò)平臺的遠程實驗、 仿真系統(tǒng)。 35 5 總結(jié)和展望 本次畢業(yè)設(shè)計我們用 MATLAB 設(shè)計了《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng)，主要設(shè)計友好的人機界面供學(xué)生做實驗使用。,39。Label39。,39。)。仿真模型 (amp。 利用上述對象和 MATLAB 進行界面設(shè)計的方法，進行周密的組織、設(shè)計，來設(shè)計出一個界面良好、操作簡便、功能強大的圖形用戶界面。 27 圖 校正前實驗結(jié)果 圖 校正后實驗結(jié)果 28 3． 3 主界面的設(shè)計 設(shè)計思想及目標(biāo) 作為強大的科學(xué)計算軟件， MATLAB 也提供了圖形用戶界面的設(shè)計和開發(fā)功能。最后得出根軌跡的窗口 : 圖 根軌跡分析窗口 24 實驗報告生成 模塊的設(shè)計 (1)設(shè)計思想及目標(biāo) 為了使實驗過程中的實驗?zāi)康呐c原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)、框圖以及分析和設(shè)計結(jié)果等能夠在實驗?zāi)K界面中顯示，我們做了實驗報告生成這個子系統(tǒng)。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)。） 圖 pushbutton 按鈕下的流程圖 17 根軌跡模塊實現(xiàn)及實驗報告生成模塊的設(shè)計 根軌跡模塊的實現(xiàn) (1) 根軌跡設(shè)計原理 根軌跡法是一種求系統(tǒng)閉環(huán)極點的圖解方法，即根椐系統(tǒng)開環(huán)極點和零點，研究系統(tǒng)某一個或某幾個參數(shù)的變化時，系統(tǒng)閉環(huán)極點分布變化的趨勢，可用于分析系統(tǒng)，而且是改善系統(tǒng)性能的有效途徑。在添加完畢后，運行調(diào)試直到成功。 9 退出 實驗結(jié)果 SIMULINK仿真 階躍響應(yīng)曲線 方塊圖化簡 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)計步驟 我們的建模主要分為三個主要部分：（ 1）機械系統(tǒng)的建模，我們使用的是彈簧小車模型。 5)美觀、操作簡便： 本文所研制的基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計軟件包具有 Widows 程序風(fēng)格，人觀簡潔，操作簡單，易于應(yīng)用。我們擬開發(fā)這樣一個輔助教學(xué) 系統(tǒng)，具有良好的人機交互界面，方便的系統(tǒng)仿真功能，靈活的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能，強大的圖形顯示輸出功能，同時控制算法可以自行編制。結(jié)果證明 該軟件系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)模擬實驗，它不僅能提高實驗教學(xué)效率，改善實驗效果，而且方便易行，具有推廣應(yīng)用價值。每個子系統(tǒng)的具體任務(wù)包括：界面設(shè)計、實驗說明（幫助文件）、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)性能分析、仿真實驗及結(jié)果分析、試驗報告生成等。 MATLAB 的配套工具箱尤其值得一提，這些工具箱將一流專家學(xué)者的理論和經(jīng)驗與 MATLAB 高技術(shù)計算環(huán)境的內(nèi)在效力及靈活性有機地集成為一體。下面 我來 一一 給予 介紹。彈簧小車模型是機械系統(tǒng)中一個比較典型的系統(tǒng)，在這個模型中，我們以 m 代表物體的質(zhì)量， B 代表阻尼系數(shù)， K 代表彈簧的虎克系數(shù)。 1 模塊主體框架圖設(shè)計與實現(xiàn) , 根據(jù)建模方法和設(shè)計目的，我們設(shè)計出如下所示的框 架圖 ,見圖 所示 : 用留數(shù)定理將其展開并求出 r、 p、k 令 t=0::3,q=size(t),M=length(k),n=length(r),s=zero(k) 求出輸入?yún)?shù)相對應(yīng)的傳遞函數(shù) 將其表示成 num/den 的形式 m=0 則 s(1)=k s(1)=k i=1 i=1 s=s+r(i)*exp(p(i)*t)。 18 (2) 設(shè)計思想及目標(biāo) 在實際工程中，一個控制系統(tǒng)的被控對 象常常是已知的，其性能指標(biāo)也是預(yù)先給定的，要求設(shè)計者選擇合適的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使控制器與被控對象能組成一個其性能指標(biāo)能滿足要求的系統(tǒng)，這類問題是控制系統(tǒng)的綜合問題，而系統(tǒng)綜合的目的是在原控制系統(tǒng)中引入合適的附加裝置，使原有系統(tǒng)的性能缺點得到校正，從而滿足工程要求的性能指標(biāo)。 幾何法超前校正按鈕的模塊框圖 圖 幾何超前校正 模塊框圖 幾何法超前校正是根據(jù)要求的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，確定閉環(huán)主導(dǎo)極點 ds 的位置，ds 的位置確定后，計算該點在復(fù)平面的相角為 ? 。用戶也可以改變實驗系統(tǒng)中的參數(shù)，動態(tài)地在“實驗報告生成”這個按鈕下顯示校正前后系統(tǒng)的特性。 3)內(nèi)容式菜單對象 (uicontextmenu) ：建立內(nèi)容式菜單 用戶界面對象。 3)仿真實驗項目： 這是我們該程序的主體，其包括了 我們所完成的六 個實驗項目的鏈接，通過相應(yīng)的鏈接我們可以進入不同的實驗子窗口，在各個實驗的窗口中我們就可以完成各個實驗 項目。clear all39。J)39。 uimenu(state,39。Call39。該系統(tǒng)主界面見下圖 圖 系統(tǒng)主界面效果圖 在這個系統(tǒng)中 實驗全部用軟件來實現(xiàn)，只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成“自動控制原理 課程的實驗，它 太大減少購置儀 器的經(jīng)費，不愧為一種“價廉物美”的替代實驗手段。從分析系統(tǒng)的角度來講，我掌握了簡單控制系統(tǒng)的建模方法，例如列寫系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的微分方程，從微分方程經(jīng)過拉氏變換繪制系統(tǒng)方框圖，然后對于具體系統(tǒng)通過一定的算法得到系統(tǒng)的總傳 遞函數(shù)，基于所得到的傳遞函數(shù)進行系統(tǒng)性能分析。同時，還可以便于學(xué)生自學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。 我們所設(shè)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。等三部分都生成好后，就可以打印出實驗報告，本次實驗結(jié)束。Call39。 state=uimenu(fzsyxm,39。D)39。clear all39。,39。 ? gco 獲得當(dāng)前圖形窗口內(nèi)當(dāng)前對 象的句柄值。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系統(tǒng)進行校正，校正后的根軌跡和系統(tǒng)性能指標(biāo)見圖 。在添加完畢后，運行調(diào)試直到成功。 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。 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?qū)崿F(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(shè)計它們?yōu)榛コ獍粹o。在各個pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。我們的主要目標(biāo)是使學(xué)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(jié)果和判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。 4)校正器設(shè)計： 對需要校正的系