【正文】 感謝他們 生活上給我的支持和照顧，在學(xué)習(xí)上給我的關(guān)心和鼓勵(lì)，我才能安心，順利的完成大學(xué)學(xué)業(yè)。 同時(shí)我要感謝機(jī)房的李老師，他每天按時(shí)地為我們開機(jī)房的門，為我們提供了很好的上機(jī)環(huán)境。最重要的是指導(dǎo)老師 教會(huì)我們許多分析 、解決問題的方法，這在書本中無法學(xué)到的，他的 教誨培養(yǎng)了我科學(xué)的思維方法和一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)更使我受益匪淺。 37 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張志涌編著 . 精通 版 . 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 . 2020 [2] 魏克新等編著 . MATLAB 語言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 .1997 [3] 施陽等編著 MATLAB 語言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具 SIMULINK 西安 西 北工業(yè)大學(xué)出版社 1997 [4] 胡壽松 自動(dòng)控制原理 北京 國防工業(yè)出版社 1980 [5] 龐國仲 編著 自動(dòng)控制原理（修訂版） 合肥 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 1998 [6] 薛定宇 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 MATLAB 語言應(yīng)用 北京 清華大學(xué)出版社 1998 [7] 鄭君里 信號(hào)與系統(tǒng) 北京 高等教育出版社 2000 [8] 施曉紅等編著 精通 GUI 圖形界面編程 北京 北京大學(xué)出版社 2020 [9] 魏巍 編著 控制工程工具箱技術(shù) 北京 國防工業(yè)出版社 2020 [9] 陳懷琛等 編著 MATLAB 及在電子信息課程中的應(yīng)用 北京 電子工業(yè)出版社 2000 [10] 樓順天等 基于 MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 工程師軟件應(yīng)用系列 西安 西安電子科技大學(xué)出版社 1998 [11] 吳大正 信號(hào)與線形系統(tǒng)分析 西安 西安電子科技大學(xué)出版社 1998 [12] MATLAB User′ s Mathworks Inc,1998 [13] C L Phillips,R D control Cliffs,:Prentice 38 致 謝 在這里我要感謝所有曾經(jīng)寄予我關(guān)心和幫助的人，這篇論文的完成和他們中的任何一位都是分不開的。同時(shí)，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。該系統(tǒng)可以使實(shí)驗(yàn)的方式有一個(gè)本質(zhì)的改進(jìn)，通過網(wǎng)絡(luò)，可以使多個(gè)人同時(shí)共享一臺(tái) 設(shè)備，使以前一人一臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方式變?yōu)榱硕嗳艘慌_(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享方式。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)中瞬態(tài)性能指標(biāo)的要求的不同，用根軌跡法對系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正，本模塊中用到的校正方法有幾何法超前校正， ? 最大法超 前校正，滯后校正以及解析法校正。 在控制系統(tǒng)的分析中，根軌跡法是 — 種很適用的工程方法 。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(gè)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(jìn)行系統(tǒng)性能分析。學(xué)生只要在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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。 從 WINDOWS 中進(jìn)入自動(dòng)控制原理虛擬實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng) ，單擊系統(tǒng)主界面上的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉菜單中的“根軌跡實(shí)驗(yàn)窗口”按鈕，進(jìn)入根軌跡實(shí)驗(yàn)窗口，如圖所示 圖 根軌跡分析窗口 ? 在輸入?yún)?shù)區(qū)輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ，如 : 被控對象 Gp （ s）： num= [1],den= [1 5 4 0], 反饋通道 H（ s）： num= [1] ， den= [1]， 控制器 Gc （ s） ： num= [1] ， den= [1] ? 點(diǎn)擊求傳遞函數(shù)按鈕 ,在顯示區(qū)得出： 開環(huán)零點(diǎn)：無；開環(huán)極點(diǎn)： 0， 1， 4； Gp （ s） Gc （ s） H（ s） = 0451 123 ??? sss=)4)(1( 1 ?? sss ? 點(diǎn)擊繪制根軌跡，在坐標(biāo)區(qū)顯示出該系統(tǒng)的根軌跡圖 34 圖 系統(tǒng)繪制出的根軌跡圖 ? 點(diǎn)擊滯后超前校正按鈕，在坐標(biāo)區(qū)顯示出校正后的系統(tǒng)根軌跡圖 圖 校正后的根軌跡圖 ? 最后我們點(diǎn)擊試驗(yàn)報(bào)告生成菜單，自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。重要的模型參數(shù)、輸人數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果可以保存下來。該系統(tǒng)主界面見下圖 圖 系統(tǒng)主界面效果圖 在這個(gè)系統(tǒng)中 實(shí)驗(yàn)全部用軟件來實(shí)現(xiàn)，只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成“自動(dòng)控制原理 課程的實(shí)驗(yàn)，它 太大減少購置儀 器的經(jīng)費(fèi)，不愧為一種“價(jià)廉物美”的替代實(shí)驗(yàn)手段。zidong39。J)39。 uimenu(state,39。Call39。,39。dianlu39。J)39。 uimenu(state,39。Call39。,39。tanhuang39。J)39。 uimenu(state,39。Call39。,39。clear all39。F)39。下面舉一個(gè)“仿真模型”菜單的調(diào)用 %仿真模型 fzsyxm=uimenu(gmain,39。 主界面模塊框圖 主界面的具體設(shè)計(jì) 根據(jù)主界面的模塊框圖，我們就可以在圖形用戶界面（ GUI）里設(shè)計(jì)出我們的主界面，具體設(shè)計(jì)步驟如下： 菜單的建立，在 MATLAB 中可以通過命令行方式和 GUI 設(shè)計(jì)工具中的菜單編輯器 Menu Editor 兩種方式來建立菜單。 3)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目： 這是我們該程序的主體，其包括了 我們所完成的六 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的鏈接，通過相應(yīng)的鏈接我們可以進(jìn)入不同的實(shí)驗(yàn)子窗口，在各個(gè)實(shí)驗(yàn)的窗口中我們就可以完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)在摸索過程中不斷的改進(jìn)我們的界面，使得程序最終可以達(dá)到我們預(yù)定的設(shè)計(jì)目，即設(shè)計(jì)出一個(gè)界面良好、操作簡便、功能強(qiáng)大并且具有豐富的在線幫助的圖形用戶。 ? gcf 獲得當(dāng)前圖形窗口的句柄值。 每創(chuàng)Root 計(jì)算機(jī)屏幕 Figure 圖形窗口對象 Uicontextmenu 對象 Image 對象 Light 對象 Line 對象 Patch 對象 Rectangle 對象 Text 對象 Uimenu 對象 Axes 對象 Uicontrol 對象 29 建一個(gè)對象，就為它建立一個(gè)唯一的句柄，用來唯一地確定該對象。 3)內(nèi)容式菜單對象 (uicontextmenu) ：建立內(nèi)容式菜單用戶界面對象。 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(dá)到一些特定的控制的操作，而這些界面調(diào)用 MATLAB 來進(jìn)行運(yùn)算處理操作。包括校正前系統(tǒng)的 根軌跡和系統(tǒng)的性能指標(biāo) ，以及在選用校正方法校正后系統(tǒng)的相應(yīng)的校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、校正后根軌跡和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。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)步驟”界面，運(yùn)用 GUI 界面編程，結(jié)果如圖。用戶也可以改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的參數(shù)，動(dòng)態(tài)地在“實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成”這個(gè)按鈕下顯示校正前后系統(tǒng)的特性。我們的目標(biāo)是用戶就可以根據(jù)自己的需要，點(diǎn)擊本模塊上“實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成”這個(gè)按鈕，保存 實(shí)驗(yàn)過程中的目的與原理、相關(guān)數(shù)據(jù)、分析步驟以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容。 在 MATLAB 環(huán)境下對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真是，用 mun 和 den 來命名，即num=[bm,bm1，．．．， b1， b0] den=[am， am1，．．． a1， a0]，然后用 MATLAB 中提供的 tf2zp()函數(shù) ,來求取 其傳遞函數(shù) ,零極點(diǎn)和增益 .其基本調(diào)用格式如下 :[Z,p,k]=TF2ZP(NUM,den),所以在本求傳遞函數(shù)按鈕中調(diào)用該函數(shù) ,當(dāng)我們在輸入模塊中輸入 num= [?? ], den= [?? ],點(diǎn)擊求傳遞函數(shù)按鈕 ,就可以求出傳遞函數(shù) , 零極點(diǎn)和增益 （ 4） 根軌跡設(shè)計(jì)成果 在分別實(shí)現(xiàn)根軌跡模 塊圖中的每個(gè)按鈕的功能后 , 根據(jù)模型框架，首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對象控 件拖至主界面，選擇的控件在按照統(tǒng)一的格式在界面上布置好，然后運(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。 我們對上個(gè)模塊的進(jìn)行 幾何法超前校正，得出： a. 校正前性 能指標(biāo) : ： 最大過 調(diào)量 Mp 為 ，調(diào)整 時(shí)間 Ts 為4s,? =,Sd = n?? =1? 。 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(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，確定閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn) ds 的位置，ds 的位置確定后， 計(jì)算該點(diǎn)在復(fù)平面的相角為 ? 。如果不設(shè)返回值， MATLAB就自動(dòng)繪制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡。 rlocus(sys)函數(shù)命令用來繪制 SIOS 的 LIT 對象的根軌跡圖?；蛘邚慕o定的性能指標(biāo)出發(fā)，并結(jié)合系統(tǒng)的限制條件，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論 得 方法進(jìn)行系統(tǒng)校正串連校正結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 串連校正結(jié)構(gòu)圖 本模塊系統(tǒng)的性能指標(biāo)是以最 大過調(diào)量 Mp、 調(diào)整時(shí)間 Ts 和穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù) K的形式給出的，用根軌跡法對系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正，首先是使瞬態(tài)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，確定出閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)在 S 平面上的位置。 18 (2) 設(shè)計(jì)思想及目標(biāo) 在實(shí)際工程中，一個(gè)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(jì)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(gè)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(diǎn)得到校正，從而滿足工程要求的性能指標(biāo)。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(diǎn) ,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(diǎn)，也即為根軌跡上的點(diǎn)。）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。在添加完畢后，運(yùn)行調(diào)試直到成功。 1 模塊主體框架圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) , 根據(jù)建模方法和設(shè)計(jì)目的，我們設(shè)計(jì)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)。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(shí)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)。 根據(jù)建模方法和設(shè)計(jì)目的，我們設(shè)計(jì)出如下所示的框架圖 圖 二階電路模型框圖 12 根據(jù)模型框架， 首先新建一個(gè) GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對象控 件拖至主界面，選擇的控件在按照統(tǒng)一的格式在界面上布置好，然后運(yùn)行，得到相應(yīng)的 M 文件。最后得出彈簧小車的界面，見圖 ，在主界面的左上角是用戶輸入?yún)?數(shù)框，右上角是模型圖，右下角為功能實(shí)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)。彈簧小車模型是機(jī)械系統(tǒng)中一個(gè)比較典型的系統(tǒng)，在這個(gè)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)。（ 2）電學(xué)系統(tǒng)的模型，我們使用的是電阻電容模型。其次，用繪制系統(tǒng)方塊圖的方法來求出傳遞函數(shù)，這包括系統(tǒng)方塊圖的繪制，方塊圖的化簡以及最后的結(jié)果。建立數(shù)學(xué)模型就是要找到一種合適的手段，詳細(xì)描述被控對象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而為控制器和反饋的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。下面 我來 一一 給予 介紹。 按照 上述設(shè)計(jì)思想和滿足 《自動(dòng)控制原理》的課程教學(xué)內(nèi)容 、 科研 、相關(guān) 實(shí)驗(yàn) 和課程設(shè)計(jì)等 設(shè)計(jì)出本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體框架（ 見圖 ） 圖 虛擬實(shí)驗(yàn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。 2)繪圖功能： 能準(zhǔn)確地繪制出系統(tǒng)的 Bode 圖、 Nyquist 圖、根軌跡圖及系統(tǒng)任意輸入下的響應(yīng)曲線。無論是離散的、連續(xù)的、條件執(zhí)行的、多采樣的或混雜的系統(tǒng)， SIMULINK 都是描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的最佳工具 總體設(shè)計(jì)原理 本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在 版本的語言平臺(tái)上開發(fā)的， 在設(shè)計(jì)中我們采用自上而下的需求分析，首先確定整個(gè)系統(tǒng)的總體框架，然后將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為本框架的各個(gè)子系統(tǒng)，確定統(tǒng)一的接口。 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(yàn)與 MATLAB 高技術(shù)計(jì)算環(huán)境的內(nèi)在效力及靈活性