【正文】 射和核能 等 高科技領(lǐng)域方面的應(yīng)用越來越廣泛。隨著人類社會的進步和人們生活水平的提高，自動控制原理技術(shù)必將在人類的未來當(dāng)中對于人類去認(rèn)識自然改造自然發(fā)揮著難以想象的作用。同時大學(xué)階段的學(xué)習(xí)已經(jīng)把自動控制原理當(dāng)作一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，尤其是電氣自動化、電力系統(tǒng)、船舶與海洋工程等相關(guān)的專業(yè)都已經(jīng)開設(shè)了這門課程 。它們大都將在這個虛擬實驗平臺得以實現(xiàn)與研究分析。在設(shè)計過程中，我們首先要確定一個總體框架， 然后我們再確定好我們要研究的幾個實驗原理項目作為這個框架的子系統(tǒng)，之后在各個實驗原理上設(shè)計兩三個對應(yīng)這個實驗原理的功能實現(xiàn)、認(rèn)證以及分析，在編程設(shè)計方面，我們要由下而上去設(shè)計，設(shè)計好每個部分的編程代碼，最后實現(xiàn)一個整體虛擬實驗平臺的開發(fā) 虛擬實驗平 臺 設(shè)計界面模塊 結(jié)構(gòu)及功能 平臺 模塊 結(jié)構(gòu) 該虛擬實驗平臺設(shè) 虛擬實驗平臺有四大部分構(gòu)成，包括線型系統(tǒng)時域分析、線性系統(tǒng)頻域分析、線型系統(tǒng)根軌跡分析以及控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，如下結(jié)構(gòu)圖： 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 10 時 域 分 析典型輸入下的響應(yīng)曲線虛 擬 實 驗 平 臺頻 域 分 析 根 軌 跡 分 析 控 制 校 正開環(huán)零極點對根軌跡的影響二階系統(tǒng)的響應(yīng)性能指標(biāo)頻域法中的奈奎斯特曲線頻域法中的伯德圖及特性基于頻域法的超前校正根軌跡的繪制與分析基于頻域法的滯后校正 圖 31 虛擬實驗平臺結(jié)構(gòu)圖 平臺功能 該虛擬實驗平臺的功能是以根據(jù)生活中關(guān)于科學(xué)研究、教學(xué)活動、學(xué)生實驗探究為目的所完成的，所以該平臺的功能要設(shè)計成集成的、多樣化的一個實驗平臺，具體的功能如下： （ a）虛擬實驗平臺輸入?yún)?shù)形式多樣化： 如傳遞函數(shù)輸 入的形式，可以任意改變分子分母的參數(shù)。 （ c）虛擬實驗平臺分析功能：比如在時域分析中我們可以得到階躍響應(yīng)性能指標(biāo)（峰值時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間），在頻域分析中我們可以得到 諧振頻率、諧振峰值、頻帶、零頻。 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 11 4 自動控制原理實驗在虛擬實驗平臺的實現(xiàn) 平臺界面的總體要求 我 們在設(shè)計我們所需要的界面基本上都會選擇 GUI作為優(yōu)選工具，以達到事半功倍的效果。每個第二級界面都可以進入到實現(xiàn)它的某種功能的第三級界面，對于線型系統(tǒng)時域分析界面來說，它的所實現(xiàn)的波形圖就在該界面，所以不需要再進入下一級界面面，對于線性系統(tǒng)頻域界面來說，下一級界面包括了奈奎斯特曲線以及伯德圖 ，對于線性系統(tǒng)根軌跡分析界面來說，下一級界面有開環(huán)零極點對根軌跡的影響等，對于控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正實驗界面來說，包括了基于頻域法的超前校正及基于頻域法的滯后校正界面。 主界面的設(shè)計 我們設(shè)計的主界面能夠讓用戶很快地了解該虛擬實驗平臺的大概的功能，并且可以通過簡單的操作在圖形用戶界面上進行程序的編寫。選擇空白操作界面，保存文件名 ，則打開了一個設(shè)計界面， 同時也自動生成了 文件。 然后選擇坐標(biāo)軸（ Axes）控件，它是用來顯示圖形和圖像， 在這里我們要添加一張圖片，我們用 imshow 函數(shù)來實現(xiàn)，在之后生成的 M文件里添加 imshow（ ’ Inco\’ ）這個語句， 選擇面板控件（ Panel），再雙擊屬性查看器，修改屬性 Title為“實驗選擇”，再調(diào)整標(biāo)題文字方向位于正上中央，在拖入四個按鈕控件（ Push Button），按鈕控件是最常用的控件對象，它的 主要特征是在矩形框上加上文字說明，一個按鈕只代表一種操作。 對于上面四個控件按鈕我們也可以再進行菜單的建立，我們可以通過 GUI設(shè)計窗口的工具欄上的 Menu Editor 命令按鈕打開，還可以在菜單欄中點擊“ Tool”，再點擊“ Menu Edior”（菜單編輯器）。 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 13 圖 41 設(shè)置菜單后的菜單編輯器 通過該圖形我們可以看到，菜單編輯器的左上角的第一個按鈕 的作用是用來創(chuàng)建一級菜單項，第二個按鈕是用來使用來創(chuàng)建一級菜單的子菜單，要想創(chuàng)建這個子菜單，我們必須要先點擊一級菜單項后，選中左上角的第二個按鈕來創(chuàng)建。 同時也分別在各自的 Tag屬性中修改，分別為 One、 Time、 Two、 Rlocus、 Three、 Frequency、 Four、 Modify。同時 我們必須在各自對應(yīng)的 Callback屬性中進行修改 。One_Callback39。Time_Callback39。Two_Callback39。Rlocus_Callback39。Three_Callback39。Frequency_Callback39。Four_Callback39。Modify_Callback39。 得到主界面圖形，如圖 42： 圖 42 主界面圖 線性系統(tǒng)時域分析界面 時域分析法的介紹 時域分析法是以拉普拉斯變換為工具，利 用傳遞函數(shù)直接在時間域上研究自動控制系統(tǒng)的一種方法。時域響應(yīng)指的是系統(tǒng)在外部的輸入（設(shè)定值輸入或是擾動輸入）作用下的輸出過程，典型的時域響應(yīng)有單位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)、單位滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 15 斜坡響應(yīng)、單位加速度響應(yīng)、單位正弦響應(yīng)。對于分子與分母參數(shù)的設(shè)定是任意的隨機的，這更加使問題研究的深入與透徹。為了實現(xiàn)控件的功能，我們需要編寫相應(yīng)的程序代碼。下面 是部分程序代碼： function radiobutton4_Callback(hObject, eventdata, handles) set(hObject,39。,1)。Value39。 set(,39。,0)。String39。 %獲取控件 Tag屬性為 edit1的控件里面的數(shù)值作為分子 den=str2num(get(,39。))。data\39。 if (fla==0) G=tf(num,den)。 %開環(huán)階段響應(yīng) axes() plot(t,y,39。,2) elseif(fla==1) G=tf(num,den)。 %閉環(huán)階段響應(yīng) axes() plot(t,y,39。,2) hold on [Y,k]=max(y)。 %求峰值時間 plot([tp tp],[0 Y],39。,39。,)。r39。Linewidth39。 plot(tp,0,39。, 39。,39。, 39。,39。,39。,6)。 str=[str0,39。]。String39。 %求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值 M=fix(1000*(YC)/C)/10。 str=[str0,39。]。String39。 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 17 while y(n)*C %通過循環(huán)，求取輸出第一次到達終值的 10%的時間 n=n+1。 while y(n)*C %通過循環(huán)，求取輸出第一次到達終值的 90%的時間 m=m1。 %求上升時間 str0=num2str(risetime)。s39。 set(,39。,str) %顯示上升時間 i=length(t)。(y(i)*C) i=i1。 %求調(diào)節(jié)時間 str0=num2str(Settingtime)。s39。 set(,39。,str) %顯示 調(diào)節(jié)時間 plot(Settingtime,0,39。, 39。,39。, 39。,39。,39。,6)。 che=length(F)。%求衰減比 str0=num2str(rate)。%39。 set(,39。,str) %顯示衰減比 else set(,39。,39。222。165。245。200。) %求衰減比 end end grid on xlabel(39。) ylabel(39。) 完成回調(diào)函數(shù)后，我們點擊運行一下，得到線性系統(tǒng)時域分析圖，從圖中我們可以 看到階躍響應(yīng)曲線，以及系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如圖 43： 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 19 圖 43 線型系統(tǒng)時域分析圖 線型系統(tǒng)根軌跡分析界面 根軌跡法的介紹 根軌跡分析法是一種求系統(tǒng)閉環(huán)極點的圖解方法，它由開環(huán)傳遞函數(shù)來求取閉環(huán)特征根的軌跡的 規(guī)律，不用求解高階系統(tǒng)的特征根。根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)的零點和極點，通過一個或幾個參數(shù)的變化，來研究系統(tǒng)極點變化情況。 與分析 界面設(shè)計包括三個部分的參數(shù)的輸入，一個是開環(huán)增益的參數(shù)的參數(shù)的輸入，一個是零點參數(shù)的輸入，另一個是極點參數(shù)的輸入，通過這些參數(shù)的輸入， 我們可以得到根軌跡一些性能的分析。 圖 44 線型系統(tǒng)根軌跡 分析圖 然后我們點擊一下開環(huán)根軌跡按鈕，得到開環(huán)根軌跡曲線，如圖 45： 然后我們可以改變一些參數(shù)，來繼續(xù)觀察開環(huán)根軌跡曲線。我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入開環(huán)零點，則會改變漸近線的條數(shù)和漸近線的傾角；當(dāng)增加開環(huán)零點的個數(shù)，相當(dāng)于增加微分作用，使得根軌跡向左移動或是彎曲，這樣的好處是大大的提高了控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性 ， 同時我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加的開環(huán)零點 越來越接近坐標(biāo)軸的原點的時候，它的微分作用就會越來越強，表明了控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性非常 的好；當(dāng)加入開環(huán)極點的時候，則會改變漸近線的條數(shù)的漸近線的傾角，增加開環(huán)極點的個數(shù)，等于是增強了積分的作用，從而導(dǎo)致了根軌跡向右移動或者是彎曲，從而降低了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在頻域法中其基本思想是將控制系統(tǒng)中的各個變量看做成信號來處理，而且這些信號都是由正弦信號合成的，同時它們的頻率是不同的。而頻域特性是指穩(wěn)態(tài)輸出與輸入之比在正弦信號的作用下相對 頻域的有關(guān)特性。 圖 46 線型系統(tǒng)頻 域分析圖 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 23 圖 47 伯德圖 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 24 圖 48 奈奎斯特曲線 控制系統(tǒng)校正實驗界面 控制系統(tǒng)校正介紹 在實際的社會生活中，我們往往對一個系統(tǒng)設(shè)計的過程中，為了達到某些性能指標(biāo)和設(shè)計要求，需要進行參數(shù)的選擇或是對原有的控制系統(tǒng)進行元件的添加，這就是我們所要研究的控制系統(tǒng)的校正問題。 控制系統(tǒng)校正實驗界面的設(shè)計 在我們的控制系統(tǒng)校正實驗中，我們主要研究 基于頻率法的串聯(lián) 超 前校正以及 串聯(lián) 滯后校正，通過單位階躍響應(yīng)曲線、伯德圖來具體研究。同時我們改變 參數(shù)的輸入，并加以分析。 在設(shè)計開發(fā)的過程中遇到了很多的困難，但這份曲折的過程鍛煉了我的獨立思考的能力與分析能力， 讓我明白了解決一個問題必須要首先要了解它的基本原理，只有 這樣處理問題才能事半功倍，達到預(yù)期的效果，同時也提高了我與他人的溝通能力，謙虛地向別人求教， 也很感謝我的指導(dǎo)老師。 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 28 參考文獻 [1]馮程 ,初俊博 ,汪微檳 .基于 Matlab 的虛擬實驗平臺在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 [J].科技風(fēng) ,2020(02) [2]劉金頌 ,張慶陽 ,蘇曉峰 ,楊蕾 .Matlab 軟件在自動控制原理實驗中的應(yīng)用 [J].實驗技術(shù)與管理 ,2020(06) [3]李東 ,馮喬 ,李敏 .高職院校電類課程虛擬實驗系統(tǒng)的項目實施 [J]電子 世界 ,2020(03) [4]張佳 .基于小型光電跟蹤系統(tǒng)的 PID控制實驗 [J].實驗室研究與探索 ,2020(11) [5]劉中 ,袁少強 ,張軍香 .自動控制原理實驗課的改革與實踐 [J].實驗室研究與探索 ,2020(11) [6]王煥然 ,徐穎秦 .自動控制原理虛擬實驗平臺的設(shè)計與開發(fā) [J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 .2020(04) [7]彭道剛 ,楊平 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