【正文】 k值。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。 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。）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。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，并能得出與輸入?yún)?shù)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)。在添加完畢后，運行調(diào)試直到成功。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應(yīng)的參數(shù)，因此必須定義相應(yīng)的全局變量，以便接收用戶在界面上輸入的參數(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)。 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按鈕所要實現(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。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)。在各個pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。 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 圖 二階電路模型框圖 12 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(yīng)的 M 文件。在這就不一一畫出每一個按鈕后臺程序的程序流程圖了，以“階躍響應(yīng)曲線”按鈕后臺程序流程圖為例（本系統(tǒng)中最難的）。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)?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)。定義變量，在各個 pushbutton 按鈕下添加完成相應(yīng)功能的代碼。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） 機械系統(tǒng)模型（彈簧小車模型） 典型的機械系統(tǒng)是由阻尼器α、彈簧 k、和質(zhì)量m 或轉(zhuǎn)動慣量 J 組成。（ 2）電學(xué)系統(tǒng)的模型，我們使用的是電阻電容模型。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。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。本設(shè)計中用的是演繹法 ,即通過定理、定義、公理等已經(jīng)驗證了的理論來推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型就是要找到一種合適的手段，詳細描述被控對象的運動規(guī)律，從而為控制器和 反饋的設(shè)計提供可靠的依據(jù)。建立描述控制系統(tǒng)運動的數(shù)學(xué)模型是控制理論的基礎(chǔ)。下面 我來 一一 給予 介紹。 所以這三部分的具體實現(xiàn)原理及方法， 詳見陶睿 同學(xué)的論文，在此不在累述。 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。 4)校正器設(shè)計： 對需要校正的系統(tǒng)進行串聯(lián)校正器的計算機輔助設(shè)計，并繪制出校正前、后系統(tǒng)的 Bode 圖、單位階躍響應(yīng)曲線圖， 根軌跡圖以及階躍響 7 應(yīng)曲線圖等圖形， 顯示校正前、后系統(tǒng)的時域、頻域性能指標(biāo)，便于設(shè)計者進行比較、分析 。 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。完成后對整個系統(tǒng)進行實驗分析、調(diào)試和測試。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 都是描述動態(tài)系統(tǒng)模型的最佳工具 總體設(shè)計原理 本虛擬實驗系統(tǒng)是在 版本的語言平臺上開發(fā)的， 在設(shè)計中我們采用自上而下的需求分析，首先確定整個系統(tǒng)的總體框架，然后將每個實驗項目作為本框架的各個子系統(tǒng)，確定統(tǒng)一的接口。 此外， MATLAB 還有一個功能強大的 、可視化的、交互環(huán)境的工具 SIMULINK，用于模擬非線性動態(tài)系統(tǒng)。 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。其開發(fā)的環(huán)境、功能極強的矩陣運算、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，使其提供了強大的科學(xué)運算、靈活的程序、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、便捷的與其 它程序和語言接口功能。 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。 目前高校中現(xiàn)成的基于 MATLAB 的控制理論課程的教學(xué)輔助系統(tǒng)幾乎是風(fēng)毛麟角，即使有，也是功能十分簡單的仿真分析系統(tǒng)，沒有實現(xiàn)真正意義上的輔助教學(xué)。而且實驗課是《自動控制原理》整個教學(xué)過程中不可缺少的重要組成部分，對于初學(xué)自動控制理論課的學(xué)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。 但是，由于《自動控制原理》又是一門理論性極強的課程，對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底（特別是積分變換理論和矩陣?yán)碚摚┮蠛?，課程中的很多結(jié)論非常抽象。自從MATLAB 與 1984 年誕生以來，這一切都發(fā)生了改變。這樣用仿真實驗手段取代傳統(tǒng)模擬實驗明顯提高實驗效率、改善實驗效果， 同時讓 學(xué)習(xí)者能夠 了解了實驗過程中參數(shù)如何選擇，了解實驗參數(shù)改變的依據(jù) ，直觀地看出參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，大大提高了實驗效率，取得了良好的實驗效果，既調(diào)動了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，又培養(yǎng)了學(xué)生分析、設(shè)計和調(diào)試自動控制系統(tǒng)的能力，對創(chuàng)造更開放和有創(chuàng)意的實驗環(huán)境是很有幫助，同時學(xué)習(xí)者不需要 MATLAB 知識就能方便的操作和應(yīng)用。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。 附錄一 科技文獻翻譯 ..................................... 38 附錄二 所用函數(shù)表 ....................................... 44 附錄三 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 ................................... 45 4 基于 MATLAB 虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計 機械與電氣工程系 電氣工程及其自動化專業(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)和實驗學(xué)時內(nèi)，運用一定的仿真軟件和計算機技術(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。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。 它利用 MATLAB 語言的界面設(shè)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(xué)自動控制理論課的學(xué)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(chǔ)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(shè)計 —— 主界面及部分模塊的設(shè)計 摘 要 自動控制原理是學(xué)習(xí)自動控制技術(shù)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程， 是控制理論的基礎(chǔ)。而實驗課是自動控制原理整個教學(xué)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(xué)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(xué)效率，改善實驗效果，而且方便易行，具有推廣應(yīng)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(shè)計 ............