【正文】 與輸入?yún)?shù)相對應的傳遞函數(shù)將其表示成 n u m / d e n 的形式用留數(shù)定理將其展開并求出 r 、 p 、 k ，并給參數(shù)賦值M ! = 0i = 1s = s + r (i )* e x p ( p i )* ti = np l o t 繪制階躍響應曲線結(jié) 束y e snoy e sno 圖 pushbutton6 下程序流程圖 （ 2） 電阻電容模型 電阻電容模型是電學系統(tǒng)模型中最典型的模型 ,也是我們在《電路》重點介紹的，所以在此就不介紹該模型的 結(jié)構(gòu)和組成了。 圖 彈簧小車的界面 ： 我們彈簧模型界面上有七個按鈕，其中“退出”按鈕可以在 GUI 設計是設定它的屬性為 close，運行后就可以實現(xiàn)退出功能了，“系統(tǒng)微分方程 ”、“系統(tǒng)方塊圖”、“方塊圖化簡”、“實驗結(jié)果”、“ SIMULINK 仿真”、“階躍響應曲線”按鈕，都是由調(diào)用后臺程序，來實現(xiàn)按鈕的功能的。在添加完畢后，運行調(diào)試直到成功。彈簧系統(tǒng)圖如示： 根據(jù)建模方法和設計目的，我們設計出如下所示的框架圖 圖 彈簧小車模型框架圖 根據(jù)模型框架，首先新建一個 GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具 10 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，然后運行，得到相應的 M 文件。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。（ 3）自動化系統(tǒng)模型，我們使用的是速度控制系統(tǒng)模型。 9 退出 實驗結(jié)果 SIMULINK仿真 階躍響應曲線 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。再次，用 SIMULINK 進行仿真，最后，將系統(tǒng)的階躍響應曲線畫出。首先我們需要對模型進行分析，通過物理規(guī)律來建立相應的方程，并對所得方程進行拉普拉斯變換，從而求出傳遞函數(shù)。 建模的方法有很多種，其中應用最為廣泛的是：演繹法、歸納法 、混合模型三種方法。通常控制系統(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)簡圖，設定值與反饋量的偏差通過控制器作用于被控對象，達到輸出量跟隨設定值的目的。 8 3 系統(tǒng)的部分模塊實現(xiàn)與主界面設計 建模設計思想及目標 研究控制系統(tǒng)我 們需要根據(jù)其中物理量的變化，把它們彼此之間相互作用的關(guān)系和各自的變化規(guī)律用數(shù)學形式描述出來，此即為建模。 我 負責系統(tǒng)的主界面設計、數(shù)學建模、根軌跡分析部分 、實驗報告生成及 系統(tǒng)的總體調(diào)試。 由于本課題是由我和陶睿 同學共同完成的，在本次設計中陶睿同學 主要負責的穩(wěn)定性分析、頻域分析、數(shù)字 PID 控制、實驗報告生成。 5)美觀、操作簡便： 本文所研制的基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)分析與設計軟件包具有 Widows 程序風格，人觀簡潔，操作簡單，易于應用。 3)分析功能： 根據(jù)各種分析需要求出系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等各種時域性能指標或幅值裕度、相位裕 度等頻域性能指標 。 本軟件的功能是根據(jù)科研、教學、相關(guān)實驗和課程設計等的需要，輔助學習者完成控制系統(tǒng)分析與設計過程中所涉及到的各種計算和繪圖等，提供一個方便的系統(tǒng)分析和綜合的軟件操作平臺．本軟件具有如下的功能： 1）系統(tǒng)輸入形式多樣化： 輸入模型既可以是多項式形式，又可以是零、極點形式，或狀態(tài)空間表達式的形式，只需通過按鈕進行選擇 。在代碼的實現(xiàn)上，我們采用自下而上的編程思想，分別完成每個子系統(tǒng)，在進行分析和調(diào)試后通過確定的接口參數(shù)完成整個系統(tǒng)的拼裝。 SIMULINK 提供了一個用于創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)對角模塊的圖形用戶界面， 使用框圖式動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 SIMULINK 可以方便地建立控制系統(tǒng)原型和控制對象模 型，通過仿真不斷地優(yōu)化和改善用戶的設計。用戶不僅可快速獲得特定問題的準確答案，而且能隨時對各類計算或測試數(shù)據(jù)進行可視化處理。 作為一個專業(yè)的科學計算軟件， MATLAB 的功能首先在應用，即 應用現(xiàn)有函數(shù)和工具（箱）解決具體問題。它起源于矩陣運算，并已經(jīng)發(fā)展成一種高的度集成的計算機語言。我們擬開發(fā)這樣一個輔助教學系統(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。 現(xiàn)在，借助 MATALB 強大的科學運算功能、靈活的仿真功能（ SIMULINK）、便捷的編程功能和 高質(zhì)量的繪圖功能，以及豐富詳盡的控制工具箱（ TOOLBOX），可以用圖形顯示和動畫顯示的方式使教師和學生具體地掌握控制理論中的抽象結(jié)論，并可以隨意改變系統(tǒng)參數(shù)，觀察系統(tǒng)的性能指標的變化，從而對控制理論有一個更深刻的理解，并激發(fā)學習者的開拓意識和創(chuàng)新精神。比如：穩(wěn)定性分析、時域頻域分析、根軌跡圖、波特（ Bode）圖、乃氏（ Nyquist）圖、尼氏（ Nichols）圖等。 我們知道自動控制原理與系統(tǒng)是自動化、機電一體化等專業(yè)教學中重要的專業(yè)課，特別是在信息時代，自動化技術(shù)是一個最為活躍的推動力，特別是控制理論目前已經(jīng)發(fā)展到一個新階段：智能控制理論和大系統(tǒng)理論，使得控制理論貫穿與整個社會的各個領(lǐng)域，從自然科學領(lǐng)域到社會科學領(lǐng)域，都可見到控制的蹤跡。 本論文從資料查閱 — 總體設計－模塊設計 — 撰寫論文歷時三個月，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 ? 對各個實驗對象進行數(shù)學建模，并用 M 文件編程實現(xiàn) ? 編制各個實驗環(huán)節(jié)的詳細程序代碼 ? 程序總體調(diào)試，準備材料 ? 撰寫論文，科技翻譯 5 2 虛擬實驗系統(tǒng)的總體設計 背景知識介紹 虛擬實驗系統(tǒng)的現(xiàn)狀 分析 以往人們在分析和設計控制系統(tǒng)是都筆算來解決問題，后來逐漸利用計算機采用 Basic、Fortran 和 C 語言完成控制系統(tǒng)的計算機輔助設計（ CACSD）。然后利用該套實驗系統(tǒng)來對《自動控制原理》課程中的內(nèi)容進行計算、仿真與研究。 本課題就是 利用 MATLAB 的界面設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)。同時 利用該軟件可以系統(tǒng)地讓學生掌握控制系統(tǒng)設計思想的演化過程以及自動控制學科專業(yè)知識，從而提高學生分析和解決實際問題的能力。 它利用 MATLAB 語言的界面設計功能及其提供的 控制系統(tǒng)工具箱 對自動控制系統(tǒng)進行建模和進行穩(wěn)定性分析、根軌跡分析、頻域分析 ,并說明了本軟件的特點、功能和效果。對于初學自動控制理論課的學生來說．由于時間和專業(yè)知識的限制，直接利用MATLAB 語言編程進行控制系統(tǒng)分析是極不方便的，需要在 MATLAB 基礎上為用戶開發(fā)出適用于使用的接口界面?；?MATLAB 的虛擬實驗系統(tǒng)的設計 —— 主界面及部分模塊的設計 摘 要 自動控制原理是學習自動控制技術(shù)的一門重要的專業(yè)基礎課程， 是控制理論的基礎。而實驗課是自動控制原理整個教學過程中不可缺少的重要組成部分。本文就是介紹了在 MATALB 軟件環(huán)境下開發(fā)出的自動控制原理實驗教學軟件。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效率，改善實驗效果，而且方便易行，具有推廣應用價值。 關(guān)鍵詞： 自動控制原理 建模 MATLAB 虛擬實驗系統(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 虛擬實驗系統(tǒng)的總體設計 ................................. 5 背景知識介紹 ............................................................................ 5 虛擬實驗系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析 ..................................... 5 MATLAB簡介及其在控制系統(tǒng)中的運用 ............................ 5 總體設計原理 ............................................................................ 6 總體設計框圖 ............................................................................. 7 3 系統(tǒng)的部分模塊實現(xiàn)與主界面設計 ......................... 8 建模模塊的實現(xiàn) ......................................................................... 8 建模設計思想及目標 ......................................... 8 功能介紹及設計步驟 ......................................... 9 根軌跡模塊實現(xiàn)及實驗報告生成模塊的設計 ....................... 17 根軌跡模塊的實現(xiàn) ......................................... 17 實驗報告生成模塊的設計 .................................... 24 主界面的設計 .....