基于MATLAB的虚拟实验系统的设计主界面及部分模块的设计毕业论文

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1、基于MATLAB的虚拟实验系统的设计主界面及局部模块的设计摘 要自动控制原理是学习自动控制技术的一门重要的专业根底课程，是控制理论的根底。而实验课是自动控制原理整个教学过程中不可缺少的重要组成局部。对于初学自动控制理论课的学生来说由于时间和专业知识的限制，直接利用MATLAB语言编程进行控制系统分析是极不方便的，需要在MATLAB根底上为用户开发出适用于使用的接口界面。本文就是介绍了在MATALB软件环境下开发出的自动控制原理实验教学软件。 它利用MATLAB语言的界面设计功能及其提供的控制系统工具箱对自动控制系统进行建模和进行稳定性分析、根轨迹分析、频域分析,并说明了本软件的特点、功能和效果

2、。结果证明该软件系统可以取代传统模拟实验，它不仅能提高实验教学效率，改善实验效果，而且方便易行，具有推广应用价值。同时利用该软件可以系统地让学生掌握控制系统设计思想的演化过程以及自动控制学科专业知识，从而提高学生分析和解决实际问题的能力。关键词：自动控制原理 建模 MATLAB 虚拟实验系统 GUI 图形用户界面 仿真 AbstractAutomatic Control Theory is an important professional course in learning Automatic Control. And its a foundation of control theory.

3、 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 wh

4、ich 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 cont

5、rol 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 i

6、s 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 students ability of analysis and solving problems.Keywords : Automatic Contr

7、ol Theory Modeling MATLAB Virtual Experimental System GUI Simulation 目 录目 录41 绪论52 虚拟实验系统的总体设计62.1 背景知识介绍62.1.1 虚拟实验系统的现状分析62.1.2 MATLAB简介及其在控制系统中的运用62.2 总体设计原理7总体设计框图83系统的局部模块实现与主界面设计9建模模块的实现9 建模设计思想及目标9 功能介绍及设计步骤103.2 根轨迹模块实现及实验报告生成模块的设计18 根轨迹模块的实现183.2.2 实验报告生成模块的设计253.3 主界面的设计293.3.1 设计思想及目标29主界

8、面模块框图30主界面的具体设计314 系统设计成果及实验举例33系统设计成果33实验举例345 总结和展望36本文工作总结36课题展望37参考文献38致谢39附录一 科技文献翻译40附录二 所用函数表46附录三 毕业设计任务书47 基于MATLAB虚拟实验系统的设计机械与电气工程系 电气工程及其自动化专业03电气一班 后丽萍 指导老师 *1 绪 论在目前有限的课堂教学和实验学时内，运用一定的仿真软件和计算机技术，使学生掌握专业的根本理论和控制系统的设计思想和方法，培养学生科研能力，是专业教学中值得研究和探讨的课题。本课题就是利用MATLAB的界面设计功能及其提供的控制系统工具箱可以开出一个用户

9、界面良好的?自动控制原理?虚拟实验系统，以每个实验工程为本系统的各个子系统。每个子系统的具体任务包括：界面设计、实验说明帮助文件、数学建模、系统性能分析、仿真实验及结果分析、试验报告生成等。然后利用该套实验系统来对?自动控制原理?课程中的内容进行计算、仿真与研究。这样用仿真实验手段取代传统模拟实验明显提高实验效率、改善实验效果，同时让学习者能够了解了实验过程中参数如何选择，了解实验参数改变的依据，直观地看出参数变化对系统的影响，大大提高了实验效率，取得了良好的实验效果，既调动了学生的积极性和创造性，又培养了学生分析、设计和调试自动控制系统的能力，对创造更开放和有创意的实验环境是很有帮助，同时学

10、习者不需要MATLAB知识就能方便的操作和应用。 本论文从资料查阅总体设计模块设计撰写论文历时三个月，具体流程如下所示： 资料查阅，熟悉课题 确定系统框架并开始搭建总体框架 对各个实验对象进行数学建模，并用M文件编程实现 编制各个实验环节的详细程序代码 程序总体调试，准备材料 撰写论文，科技翻译2 虚拟实验系统的总体设计2.1 背景知识介绍 虚拟实验系统的现状分析以往人们在分析和设计控制系统是都笔算来解决问题，后来逐渐利用计算机采用Basic、Fortran和C语言完成控制系统的计算机辅助设计CACSD。自从MATLAB与1984年诞生以来，这一切都发生了改变。我们知道自动控制原理与系统是自动

11、化、机电一体化等专业教学中重要的专业课，特别是在信息时代，自动化技术是一个最为活泼的推动力，特别是控制理论目前已经开展到一个新阶段：智能控制理论和大系统理论，使得控制理论贯穿与整个社会的各个领域，从自然科学领域到社会科学领域，都可见到控制的踪迹。但是，由于?自动控制原理?又是一门理论性极强的课程，对学生的数学功底特别是积分变换理论和矩阵理论要求很，课程中的很多结论非常抽象。比方：稳定性分析、时域频域分析、根轨迹图、波特Bode图、乃氏Nyquist图、尼氏Nichols图等。而且实验课是?自动控制原理?整个教学过程中不可缺少的重要组成局部，对于初学自动控制理论课的学生来说由于时间和专业知识的限

12、制，直接利用MATLAB语言编程进行控制系统分析是极不方便的。现在，借助MATALB强大的科学运算功能、灵活的仿真功能SIMULINK、便捷的编程功能和高质量的绘图功能，以及丰富详尽的控制工具箱TOOLBOX，可以用图形显示和动画显示的方式使教师和学生具体地掌握控制理论中的抽象结论，并可以随意改变系统参数，观察系统的性能指标的变化，从而对控制理论有一个更深刻的理解，并激发学习者的开拓意识和创新精神。目前高校中现成的基于MATLAB的控制理论课程的教学辅助系统几乎是风毛麟角，即使有，也是功能十分简单的仿真分析系统，没有实现真正意义上的辅助教学。我们拟开发这样一个辅助教学系统，具有良好的人机交互界

13、面，方便的系统仿真功能，灵活的系统参数设置功能，强大的图形显示输出功能，同时控制算法可以自行编制。 MATLAB简介及其在控制系统中的运用MATLAB语言是当今国际上科学界尤其是自动控制领域最具影响力、也是最具有活力的软件。它起源于矩阵运算，并已经开展成一种高的度集成的计算机语言。其开发的环境、功能极强的矩阵运算、图形绘制、数据处理、各种工具箱、以及象“草稿纸一样的工作空间等许多优点，使其提供了强大的科学运算、灵活的程序、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其它程序和语言接口功能。作为一个专业的科学计算软件，MATLAB的功能首先在应用，即应用现有函数和工具箱解决具体问题。MATLAB的配套

14、工具箱尤其值得一提，这些工具箱将一流专家学者的理论和经验与MATLAB高技术计算环境的内在效力及灵活性有机地集成为一体。用户不仅可快速获得特定问题的准确答案，而且能随时对各类计算或测试数据进行可视化处理。此外，MATLAB还有一个功能强大的、可视化的、交互环境的工具SIMULINK，用于模拟非线性动态系统。SIMULINK提供了一个用于创立动态系统对角模块的图形用户界面，使用框图式动态系统仿真工具SIMULINK可以方便地建立控制系统原型和控制对象模型，通过仿真不断地优化和改善用户的设计。无论是离散的、连续的、条件执行的、多采样的或混杂的系统，SIMULINK都是描述动态系统模型的最正确工具2

15、.2 总体设计原理本虚拟实验系统是在MATLAB6.5版本的语言平台上开发的，在设计中我们采用自上而下的需求分析，首先确定整个系统的总体框架，然后将每个实验工程作为本框架的各个子系统，确定统一的接口。在代码的实现上，我们采用自下而上的编程思想，分别完成每个子系统，在进行分析和调试后通过确定的接口参数完成整个系统的拼装。完成后对整个系统进行实验分析、调试和测试。本软件的功能是根据科研、教学、相关实验和课程设计等的需要，辅助学习者完成控制系统分析与设计过程中所涉及到的各种计算和绘图等，提供一个方便的系统分析和综合的软件操作平台本软件具有如下的功能：1系统输入形式多样化：输入模型既可以是多项式形式，

16、又可以是零、极点形式，或状态空间表达式的形式，只需通过按钮进行选择。 2)绘图功能：能准确地绘制出系统的Bode图、Nyquist图、根轨迹图及系统任意输入下的响应曲线。 3)分析功能：根据各种分析需要求出系统的超调量、调节时间等各种时域性能指标或幅值裕度、相位裕度等频域性能指标。 4)校正器设计：对需要校正的系统进行串联校正器的计算机辅助设计，并绘制出校正前、后系统的Bode图、单位阶跃响应曲线图，根轨迹图以及阶跃响应曲线图等图形，显示校正前、后系统的时域、频域性能指标，便于设计者进行比拟、分析。 5)美观、操作简便：本文所研制的基于MATLAB的控制系统分析与设计软件包具有Widows程序

17、风格，人观简洁，操作简单，易于应用。总体设计框图按照上述设计思想和满足?自动控制原理?的课程教学内容、科研、相关实验和课程设计等设计出本虚拟实验系统的总体框架见图2.1图2.1 虚拟实验系统的总体框架介绍了系统的总体构架后，下面来具体对各模块设计与实现进行介绍。由于本课题是由我和陶睿同学共同完成的，在本次设计中陶睿同学主要负责的稳定性分析、频域分析、数字PID控制、实验报告生成。所以这三局部的具体实现原理及方法，详见陶睿同学的论文，在此不在累述。我负责系统的主界面设计、数学建模、根轨迹分析局部、实验报告生成及系统的总体调试。下面我来一一给予介绍。3系统的局部模块实现与主界面设计3建模设计思想及

18、目标研究控制系统我们需要根据其中物理量的变化，把它们彼此之间相互作用的关系和各自的变化规律用数学形式描述出来，此即为建模。建立描述控制系统运动的数学模型是控制理论的根底。通常控制系统中建模思想如图2.2所示： 图 控制系统的模型上图是典型的基于偏差控制的反应控制系统简图，设定值与反应量的偏差通过控制器作用于被控对象，到达输出量跟随设定值的目的。建立数学模型就是要找到一种适宜的手段，详细描述被控对象的运动规律，从而为控制器和反应的设计提供可靠的依据。建模的方法有很多种，其中应用最为广泛的是：演绎法、归纳法、混合模型三种方法。本设计中用的是演绎法,即通过定理、定义、公理等已经验证了的理论来推导出数

19、学模型。首先我们需要对模型进行分析，通过物理规律来建立相应的方程，并对所得方程进行拉普拉斯变换，从而求出传递函数。其次，用绘制系统方块图的方法来求出传递函数，这包括系统方块图的绘制，方块图的化简以及最后的结果。再次，用SIMULINK进行仿真，最后，将系统的阶跃响应曲线画出。我们的主要目标是使学生了解传递函数的求解过程，并能直观地从仿真模型中看到实验结果和判断系统是否稳定。3 功能介绍及设计步骤我们的建模主要分为三个主要局部：1机械系统的建模，我们使用的是弹簧小车模型。2电学系统的模型，我们使用的是电阻电容模型。3自动化系统模型，我们使用的是速度控制系统模型。1机械系统模型弹簧小车模型典型的机

20、械系统是由阻尼器、弹簧k、和质量m或转动惯量J组成。质量m，转动惯量和弹簧k 如同电路系统中的电容和电感一样是贮能元件,而阻 图3.2 弹簧滑块系统图尼器如同电路中的电阻是耗能元件。弹簧小车模型是机械系统中一个比拟典型的系统，在这个模型中，我们以m代表物体的质量，B代表阻尼系数，K代表弹簧的虎克系数。弹簧系统图如示：根据建模方法和设计目的，我们设计出如下所示的框架图退出实验结果SIMULINK仿真阶跃响应曲线方块图化简系统方块图系统微分方程弹簧模型窗口系统输入参数开/闭环图3.3 弹簧小车模型框架图根据模型框架，首先新建一个GUI图形用户界面，将模块涉及到的工具箱中的对象控件拖至主界面，选择的

21、控件在按照统一的格式在界面上布置好，然后运行，得到相应的M文件。定义变量，在各个pushbutton按钮下添加完成相应功能的代码。在添加完毕后，运行调试直到成功。最后得出弹簧小车的界面，在主界面的左上角是用户输入参数框，右上角是模型图，右下角为功能实现按钮，用户可在此处了解描述系统物理规律的微分方程、系统的方块图，并通过其得出与输入参数相对应的传递函数。图3.4 弹簧小车的界面2.弹簧模型主要按钮程序的流程图： 我们弹簧模型界面上有七个按钮，其中“退出按钮可以在GUI设计是设定它的属性为close，运行后就可以实现退出功能了，“系统微分方程 、“系统方块图、“方块图化简、“实验结果、“SIMU

22、LINK仿真、“阶跃响应曲线按钮，都是由调用后台程序，来实现按钮的功能的。在这就不一一画出每一个按钮后台程序的程序流程图了，以“阶跃响应曲线按钮后台程序流程图为例本系统中最难的。阶跃响应按钮对应pushbutton6，其程序流程图所示: 图3.5 pushbutton6下程序流程图2 电阻电容模型电阻电容模型是电学系统模型中最典型的模型,也是我们在?电路?重点介绍的，所以在此就不介绍该模型的结构和组成了。1.电阻电容模型的框架设计与实现根据建模方法和设计目的，我们设计出如下所示的框架图二阶电路模型主窗口输入相应的参数系统微分方程系统方框图及化简Simulink仿真阶跃响应图图3.6 二阶电路模

23、型框图根据模型框架，首先新建一个GUI图形用户界面，将模块涉及到的工具箱中的对象控件拖至主界面，选择的控件在按照统一的格式在界面上布置好，然后运行，得到相应的M文件。定义变量，在模型中，由用户来输入相应的参数，因此必须定义相应的全局变量，以便接收用户在界面上输入的参数。在各个pushbutton按钮下添加完成相应功能的代码。在添加完毕后，运行调试直到成功。最后得到的界面见图3.7，在主界面的左上角是用户输入参数框，右上角是模型图，右下角为功能实现按钮，用户可在此处了解描述系统物理规律的微分方程、系统的方块图，并通过其得出与输入参数相对应的传递函数。另外，通过Simulink仿真和系统的阶跃响应

24、图可以直观的看到阶跃输入与输出的关系以及判断系统是否稳定。图 3.7 电阻电容模型界面2电阻电容模型主要按钮程序的流程图：同理，在本模型中的按钮与弹簧模型中的七个按钮所要实现的功能相同，其中在本模型中“跃响应曲线:是否s=s+r(i)*exp(p(i)*t);i=1i=1那么s(1)=ks(1)=km=0将其表示成num/den的形式求出输入参数相对应的传递函数用留数定理将其展开并求出r、p、k令t=0:0.01:3,q=size(t),M=length(k),n=length(r),s=zero(k)开 始从用户区获得数据否是Plot(t,s)绘制阶跃响应曲线结 束图3.8 二阶电路阶跃响应

25、流程图3自动化系统模型我们这里讨论的自动化系统是其中的机电系统，而电机是机电系统中应用最广泛的一种旋转设备，其类别很多，在这个模型中，我们用K 表示放大器的放大系数，其他属于电机的结构,在这里就不表达了。1 模块主体框架图设计与实现,根据建模方法和设计目的，我们设计出如下所示的框架图,见图3.9所示:退出实验结果SIMULINK仿真阶跃响应曲线方框图化简系统方块图系统微分方程速度模型窗口系统输入参数开/闭环?图3.9 速度控制系统模型主窗口根据模型框架，首先新建一个GUI图形用户界面，将模块涉及到的工具箱中的对象控件拖至主界面，选择的控件在按照统一的格式在界面上布置好，然后运行，得到相应的M文

26、件。定义变量，在模型中，由用户来输入相应的参数，因此必须定义相应的全局变量，以便接收用户在界面上输入的参数。在各个pushbutton按钮下添加完成相应功能的代码。在添加完毕后，运行调试直到成功。最后得速度控制系统模型的窗口如下列图3.10所示:图3.10 速度控制系统模型主界面闭环速度控制系统模型界面的左上角是用户输入参数框，在这个参数框中包括供用户选择的按钮，这是由于该系统既可在开环下运行，又可在闭环下运行。右上角是模型图，右下角为功能实现按钮，用户可在此处了解描述系统物理规律的微分方程、系统的方块图，并能得出与输入参数相对应的传递函数。另外，通过SIMLINK仿真和系统的阶跃响应图本模型

27、由于未对电动机里的系数进行合理的设值，所以不能确定传递函数的具体形式，从而未画相应的阶跃相应图。可以直观的看到阶跃输入与输出的关系以及判断系统是否稳定。由于此模型既可在开环(图3.11)下运行，又可以在闭环(图3.10)下运行，所以用户在使用时，必须对其进行选择，否那么，将会显示“请在参数框中选择参数的提示语:图3.11 速度控制系统模型主界面开环图3.12 速度控制系统模型主界面没有选择 在上述两个模型中，在SIMULINK仿真的模块实现中，我们将与系统方块图中相对应的SIMULINK中的模块组合起来，并以创立子模块的形式将其中的主体模块封装到一个子模块当中，用户可以通过双击子模块的方式来获

28、取内部模块的具体信息。2. 速度控制系统模型的主要按钮程序的流程图：本模型中因为多了radiobutton按钮，所以pushbutton按钮下的程序实现就有了变化，radiobutton是一个单项选择按纽，用户可根据实际情况对其进行选择，现将其中一个pushbutton按钮下的流程图展现如下(其他按钮与其相仿)：系统方块图(pushbutton2)注：radiobutton1闭环与radiobutton2开环句柄值不可能同时为1，因为已在程序中设计它们为互斥按钮。图3.13 pushbutton按钮下的流程图3.2 根轨迹模块实现及实验报告生成模块的设计根轨迹模块的实现(1) 根轨迹设计原理根

29、轨迹法是一种求系统闭环极点的图解方法，即根椐系统开环极点和零点，研究系统某一个或某几个参数的变化时，系统闭环极点分布变化的趋势，可用于分析系统，而且是改善系统性能的有效途径。对于图3.14的闭环系统：图3.14 闭环系统图 其特征方程为：1+GsHs=0，对于满足此方程的所有S的值都是闭环的极点,且满足的指数方程，可将此指数方程变换为： . . . .幅值条件2l+1(l=0,1,2 .).相角条件对于满足幅值条件和相角条件的S值，就是给定参数的闭环极点，也即为根轨迹上的点。对于开环系统中的增益k，当k由0变化到无穷大时，在S平面上满足幅角条件的点所构成的图形就是根轨迹图。在根轨迹上的每一点对

30、应于一个闭环极点，每一个闭环极点对应一个参数k，并可以利用幅值条件确定该点对应的k值。设系统的开环传递函数为：GsHs=k(s+Z1)(s+Zm)/(s+P1)(s+Pn)，由幅值和相角条件得出：其中，角是S平面上任一点到闭环零点与正实轴的夹角；角是S平面上任意点到闭环零点的夹角。(2) 设计思想及目标在实际工程中，一个控制系统的被控对象常常是的，其性能指标也是预先给定的，要求设计者选择适宜的结构和参数，使控制器与被控对象能组成一个其性能指标能满足要求的系统，这类问题是控制系统的综合问题，而系统综合的目的是在原控制系统中引入适宜的附加装置，使原有系统的性能缺点得到校正，从而满足工程要求的性能指

31、标。而引入的附加装置即为校正装置，所以对控制系统进行串连校正实质上是选择适宜的校正装置对系统进行校正，使系统的性能附合设计的性能指标用根轨迹法对控制系统进行串连校正，即是根据已选定的串连校正方法，按照一定规律确定出校正装置的参数，进而绘制出校正后系统的根轨迹图，并估计是否满足设计要求。如果认为可以满足设计要求，再对系统进行分析检验，如果符合了系统规定的性能指标，那么设计结束。如果不符合，通过调整校正装置参数对系统进行再次校正，直到满足规定的性能指标为止。或者从给定的性能指标出发，并结合系统的限制条件，应用现代控制理论得方法进行系统校正串连校正结构图如图3.15所示：图3.15 串连校正结构图本

32、模块系统的性能指标是以最大过调量Mp、调整时间Ts和稳态误差系数K的形式给出的，用根轨迹法对系统进行串联校正，首先是使瞬态性能指标满足设计要求，确定出闭环主导极点在S平面上的位置。在设计系统时，如果未校正系统的开环增益为某一数值时，瞬态性能符合设计要求，那么设计校正装置使系统稳态误差满足设计要求；如果未校正系统的开环增益为任何数值时，瞬态性能都不能符合设计要求，那么需设计校正装置使系统的瞬态性能满足设计要求并检验系统的稳态性能，或先使系统的稳态性能满足设计要求，设计出校正装置后，再检验闭环主导极点是否满足主导条件。通过串联校正后，最终使系统的瞬态性能和稳态性能都能满足设计要求。(3) 功能介绍

33、及设计步骤根据根轨迹模块的设计目标设计出如下图的总体框图： 几何法超前校正绘制根轨迹图根轨迹分析 最大法超前校正根轨迹法进行串联校正滞后校正求系统传递函数解析法超前校正 图3.16 模块设计总体框图绘制根轨迹按钮的实现在MATLAB中，提供了求系统根轨迹的函数rlocus()，其函数命令调用格式为：rlocus(sys) 、 rlocus(sys,k) 、r,k=rlocus(sys)。rlocus(sys)函数命令用来绘制SIOS的LIT对象的根轨迹图。给定前向通道传递函数G(s)，反应通道为kH(s)的受控对象其增益k取值为0。利用MATLAB提供的函数rlocus()，可以通过系统的开环

34、传递函数绘制其闭环的根轨迹图。其根本调用格式为：R=RLOCUS(SYS,K)其中SYS是系统的开环传递函数描述，K是系统增益向量，也可以缺省并使用MATLAB提供的向量；R是返回的根轨迹数据。如果不设返回值，MATLAB就自动绘制系统的闭环传递函数的根轨迹。例如，本模块中提供的参数如下：被控对象Gs：num= 1,den= 1 5 4 0,所以Gs=反应通道Hs：num= 1 ，den= 1，所以Hs=1控制器Gs ：num= 1 ，den= 1，所以Gs=1 点击绘制根轨迹按钮，绘制出如下图的根轨迹：图3. 系统生产得根轨迹根轨迹法对系统进行串联校正的实现：本模块采用了几何法超前校正、最大

35、法超前校正、滞后校正以及解析法超前校正对系统进行校正。其模块框图见图图3.18 串联校正的模块框图下面我以几何法超前校正对系统的校正为例，具体说明这个校正方法及其实现步骤。其它三种校正方法与几何法超前校正方法类似，在此就不具体介绍了。几何法超前校正按钮的模块框图获得K值绘制校正前根轨迹图 绘制校正后系统根轨迹图显示校正前后性能指标 性能指标结 束显示校正传递函数求得校正前系统模型显示校正前性能指标几何法校正接受校正参数开 始 图3.19 几何超前校正模块框图几何法超前校正是根据要求的动态品质指标，确定闭环主导极点的位置，的位置确定后，计算该点在复平面的相角为。再计算使根轨迹通过主导极点所需的补

36、偿角，=-180-。作的角平分线，在角平分线的两侧作/2分别与坐标轴交于两点，右侧为零点，左侧为极点，由此可得出校正装置的零、极点。相应的几何图形如图3.20：图3.20 几何法超前校正零、极点确定几何图几何法超前校正的设计步骤及其成果根据几何法超前校正的模块框图，按照以下步骤：a. 由给定的系统瞬态性能指标确定闭环期望极点S d在S平面上的位置；b. 计算超前校正装置应提供的相角；c. 设计超前校正装置；d. 计算校正后系统在闭环期望极点S d的增益值，检验系统的稳态误差系数是否满足设计要求；e. 绘制校正后系统的根轨迹图，确定除闭环期望极点外的其他闭环极点的位置，并估算这些闭环极点和零点对

37、系统瞬态性能的影响。我们对上个模块的进行几何法超前校正，得出：a.校正前性能指标: ：最大过调量Mp为0.2，调整时间Ts为4s,=0.5,S=-=-1j1.73。G(s)= s+1s+4GsGsHs=k/s(s+4)(s+4) d.绘制校正后系统的根轨迹图如下图： 图1 几何法校正后根轨迹图求系统传递函数MATALB提供了许多功能强大的内部函数可以构建和处理系统的传递函数。包括多项式求根，传递函数的零极点和增益，传递函数局部分式展开等等。能够非常方便快捷地建立起系统的传递函数模型。在MATLAB 环境下对控制系统进行仿真是，用mun和den来命名，即num=bm,bm-1，b1，b0den=

38、am，am-1，a1，a0，然后用MATLAB中提供的tf2zp()函数,来求取其传递函数,零极点和增益.其根本调用格式如下:Z,p,k=TF2ZP(NUM,den),所以在本求传递函数按钮中调用该函数,当我们在输入模块中输入num= , den= ,点击求传递函数按钮,就可以求出传递函数, 零极点和增益4根轨迹设计成果在分别实现根轨迹模块图中的每个按钮的功能后, 根据模型框架，首先新建一个GUI图形用户界面，将模块涉及到的工具箱中的对象控件拖至主界面，选择的控件在按照统一的格式在界面上布置好，然后运行，得到相应的M文件。定义变量，在模型中，由用户来输入相应的参数，在各个pushbutton按

39、钮下添加完成相应功能的代码。在添加完毕后，运行调试直到成功。最后得出根轨迹的窗口:图2 根轨迹分析窗口 实验报告生成模块的设计 (1)设计思想及目标为了使实验过程中的实验目的与原理、实验步骤、数据、框图以及分析和设计结果等能够在实验模块界面中显示，我们做了实验报告生成这个子系统。我们的目标是用户就可以根据自己的需要，点击本模块上“实验报告生成这个按钮，保存实验过程中的目的与原理、相关数据、分析步骤以及实验结果等内容。即当用户做完实验后系统可以自动生成相应形式的实验报告，然后可以直接打印出实验报告。(2)实验报告框图在根轨迹实验中,我们将实验报告分成三页显示，在根轨迹的主界面上，通过点击“实验报

40、告生成按钮，得到三个下拉菜单：1实验原理与目的，2实验步骤,3实验结果,实验报告框图如下图： 根轨迹界面实验报告生成实验原理和目的实验结果实验步骤校正后特性校正前特性几何校正滞后校正解析法超前校正最大法超前校正 图3 实验报告框图 其中实验目的与原理包括实验目的，内容以及思考题；实验步骤那么阐述了根轨迹图的绘制、根轨迹设计校正装置的四种不同方法以及校正前后系统零、极点和开、闭环传递函数的求法；实验结果那么描绘了校正前系统的特性，主要以根轨迹图的形式显示出来；校正后系统的特性是按照四种不同方法的校正，分别对校正后实验结果以根轨迹图的形式显示出来。实验报告生成完成以后，由系统原先给定的参数及特性，

41、再根据实验过程中的四种不同的校正方法，用户可以根据自己的需要，通过点击“实验报告生成这个按钮，随心所欲地显示校正前后系统的特性，如根轨迹图以及传递函数等。用户也可以改变实验系统中的参数，动态地在“实验报告生成这个按钮下显示校正前后系统的特性。(3)实验报告的生成用户界面上建立一个FIGURE文件，并生成M文件，再将自己在实验过程中用到的实验目的与原理、参数，分析的过程以及设计结果等导入到实验报告中，最后编译M文件程序后，完成整个子系统的实验的调用。在主函数主界面中对生成实验报告各函数的调用相类似，下面是调用函数chaoqianfa()即：用超前校正法生成实验报告时主函数中的主要代码： func

42、tion Untitled_21_Callback(hObject, eventdata, handles)global nump denp numh denh l14 l27 l24 l26figure(chaoqianfa)实验目的和实验原理的生成利用MATLAB软件的GUI界面编程，生成一个m文件，再将该实验的目的、内容和相关的原理写入m文件。这样在运行主程序的时候，该m文件会被自动调用，弹出“实验目的与原理4：4 “实验原理与目的界面实验步骤的生成利用MATLAB软件的GUI界面编程，生成一个m文件，再将实验的详细步骤写入m文件。这样在运行主程序的时候，该m文件会被自动调用，弹出“实验

43、步骤界面，运用GUI界面编程，结果如图。5 “实验步骤界面实验结果显示同样利用GUI界面生成m文件和fig文件。然后将用户在实验过程中涉及到的校正前后相关参数、公式设置成全局变量，然后将其导入该m文件。根据用户进行的不同系统分析，在主界面中调用相应的fig文件，显示不同的实验分析结果。包括校正前系统的根轨迹和系统的性能指标，以及在选用校正方法校正后系统的相应的校正环节传递函数、校正后根轨迹和系统的性能指标。67。 图6 校正前实验结果图7 校正后实验结果33 主界面的设计 设计思想及目标作为强大的科学计算软件，MATLAB也提供了图形用户界面的设计和开发功能。图形化用户界面Graphical

44、User Interfaces,简称GUI，是一种图形化的沟通界面，通过此界面可以很方便地到达一些特定的控制的操作，而这些界面调用MATLAB来进行运算处理操作。GUI是未来的趋势，因为人类对于图形辨识的能力远远超过其他表达方式，因此借助GUI程序能够设计出专属某个主题的图形化界面。MATLAB中的根本图形用户界面对象分为3类：1)界面控件对象(uicontrol)：能建立按钮、列表框、编辑框等图形用户界面对象。2)下拉式菜单对象(uimenu):能建立下拉式菜单和子菜单等图形用户界面对象。3)内容式菜单对象 (uicontextmenu) ：建立内容式菜单用户界面对象。图形对象不仅包括界面控

45、件对象，下拉式菜单对象和内容式菜单对象，而且还包括图形、坐标轴、线条、曲面、文本和它们的子对象。其中，计算机屏幕是根对象，它是其他对象的父对象；图形窗口是计算机屏幕的子对象；坐标轴，界面控件对象，下拉式菜单对象和内容式菜单对象是图形窗口的子对象；图像、线条、曲面、等是坐标轴的子对象。在MATLB中的GUI对象层次结构如下图：Root计算机屏幕Figure图形窗口对象Uicontextmenu对象Image对象Light对象Line对象Patch对象Rectangle对象Text对象Uimenu对象Axes对象Uicontrol对象 图3.28 MATLAB中的GUI对象层次结构图在MATLAB

46、中，每个图形对象都是由一个数字来标识，叫句柄(Handle)。每创立一个对象，就为它建立一个唯一的句柄，用来唯一地确定该对象。计算机屏幕作为根对象，其对象句柄通常为零；其他的图形对象句柄是浮点值。MATLAB可以获得图形，坐标轴，uicontrol，uicontextmenu，uimenu和其他对象的句柄。具体地讲，可以通过下述3个函数来获得对象句柄值。 gcf 获得当前图形窗口的句柄值。 gca 获得当前图形窗口内当前坐标轴的句柄值。 gco 获得当前图形窗口内当前对象的句柄值。利用上述对象和MATLAB进行界面设计的方法，进行周密的组织、设计，来设计出一个界面良好、操作简便、功能强大的图形

47、用户界面。同时在摸索过程中不断的改良我们的界面，使得程序最终可以到达我们预定的设计目，即设计出一个界面良好、操作简便、功能强大并且具有丰富的在线帮助的图形用户。主界面模块框图我们设计得主界面是让用户可以很快的了解该软件的功能并可以很简单的通过图形用户界面来对该程序进行操作。主界面模块框图如图3.29:在我们得主界面上有六个窗口组成：1)实验操作窗口： 通过该连接可以将用户导入实验操作的子窗口，该窗口的设计目的是为了让用户有个可以实现自己模型的平台，这个平台是为了那些不满足于现有的实验工程的用户，结合模型元件库就可以设计出适合不同用户的平台。2)模型元件库： 这个局部包含有5个元件库，是配合实验

48、操作窗口所设计的，是为了方便用户的建模，使得用户不需要再进入MATLAB的SIMULINK来调用相应的模块。3)仿真实验工程： 这是我们该程序的主体，其包括了我们所完成的六个实验工程的链接，通过相应的链接我们可以进入不同的实验子窗口，在各个实验的窗口中我们就可以完成各个实验工程。4)仿真模型： 这个局部包括了三个仿真实验模型，其分别是机械，电路和自动化模型，在其各自的窗口中我们可以通过图形用户界面很方便的了解自动化控制中几个比拟典型的模型，对于学习自动化理论的用户来说是相当方便的。5)帮助： 这个局部是为了让用户在使用该软件的时候尽快的了解软件的使用方法和为了用户在使用软件时遇到的一些问题进行

49、解答。6)完成 ： 是为了在用户结束使用的时候退出MATLAB或退出实验窗口所设立的。 虚拟实验系统主界面实验操作窗口模型元件库仿真模型帮助仿真试验工程输入元件库输出元件库连续线性环节元件库非线性元件库离散线性环节元件库弹簧小车模型电路模型自动化模型自动控制系统稳定性根轨迹实验窗口频域分析窗口自控系统静态误差线性二阶系统实验指导关于虚拟实验系统退出实验数字PID控制退出MATLAB完成 3.29 主界面模块框图3主界面的具体设计根据主界面的模块框图，我们就可以在图形用户界面GUI里设计出我们的主界面，具体设计步骤如下：菜单的建立，在MATLAB中可以通过命令行方式和GUI设计工具中的菜单编辑器

50、Menu Editor两种方式来建立菜单。在本次设计中我采用了GUI设计工具中的菜单编辑器Menu Editor。首先新建一个GUI图形用户界面，根据主界面的模型框架，在菜单编辑器建立菜单，然后运行，得到相应的M文件。在得到的M文件中，定义变量，进行各个模块的调用。下面举一个“仿真模型菜单的调用%仿真模型fzsyxm=uimenu(gmain,Label,仿真模型(&F),Call,clear all);state=uimenu(fzsyxm,Label,模型一：弹簧小车模型(&T),Call,clear all); uimenu(state,Label,界面仿真方式(&J),Call,tan

51、huang);state=uimenu(fzsyxm,Label,模型二：电路模型(&D),Call,clear all);uimenu(state,Label,界面仿真方式(&J),Call,dianlu);state=uimenu(fzsyxm,Label,模型三：自动化控制模型(&Z),Call,clear all);uimenu(state,Label,界面仿真方式(&J),Call,zidong);其中，tanhuang 、dianlu 、zidong分别是弹簧小车模型、电路模型、自动化控制模型的M文件。最后生成新的M文件:mian.m文件,在运行该文件,得到图的主界面0 虚拟实验系

52、统的主界面4 系统设计成果及实验举例4.1 系统设计成果经过三个月的努力，我们建立了一个用户界面良好的?自动控制原理?虚拟实验系统。该系统主界面见下列图图 系统主界面效果图在这个系统中实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成“自动控制原理 课程的实验，它太大减少购置仪器的经费，不愧为一种“价廉物美的替代实验手段。该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。可实现资源共享和多任务并行的要求。对用户而言，操作简单易学且无须编程，参数输人与修改是活具有屡次或重复仿真运行的控制能力，可以显示校正前后系统的特性曲线，能很直观漂亮地绘制出控制系统的阶跃响应曲线、伯德图、乃氏图和根轨迹图

53、这些很强的交互能力使其在自动控制原理的实验中可以发挥理想的效果。重要的模型参数、输人数据、设计与仿真结果可以保存下来。保存下来的模型参数可用于重复进行系统分析、设计与仿真；保存下来的输人数据、设计与仿真结果可以作为撰写实验报告的素材。下面我们具体举根轨迹实验说明。在此，我们以根轨迹实验为例简要地说明本虚拟实验系统在?自动控制原理?实验中的应用，展示一下本虚拟实验系统的功能。从WINDOWS中进入自动控制原理虚拟实验系统，单击系统主界面上的仿真实验工程下拉菜单中的“根轨迹实验窗口按钮，进入根轨迹实验窗口，如下图图 根轨迹分析窗口l 在输入参数区输入实验数据，如:被控对象Gs：num= 1,den

54、= 1 5 4 0,反应通道Hs：num= 1 ，den= 1，控制器Gs ：num= 1 ，den= 1l 点击求传递函数按钮,在显示区得出：开环零点：无；开环极点：0，-1，-4；GsGsHs=l 点击绘制根轨迹，在坐标区显示出该系统的根轨迹图图 系统绘制出的根轨迹图l 点击滞后超前校正按钮，在坐标区显示出校正后的系统根轨迹图图4.4 校正后的根轨迹图l 最后我们点击试验报告生成菜单，自动生成试验报告。45、和实验结果图7。等三局部都生成好后，就可以打印出实验报告，本次实验结束。5 总结和展望5.1本文工作总结本次毕业设计我们用MATLAB设计了?自动控制原理?虚拟实验系统，主要设计友好的

55、人机界面供学生做实验使用。学生只要在相应实验的界面上指定位置输入数值如传递函数的分子、分母，再点击相应按钮便可得到结果，让学生将主要精力放在对控制理论概念的理解上。通过这次毕业设计时机我强化了自己的自动控制理论，学会了用MATLAB进行控制理论和控制工程研究的根本思路和方法。MATLAB语言的数值计算和绘图功能非常强大，而且精度可以满足要求，这就直接省去了我们的绘图时间。我还了解了MATLAB的控制系统工具箱，它是MATLAB中的一个重要的领域型工具箱，主要用于线性定常系统的分析、设计与仿真。从分析系统的角度来讲，我掌握了简单控制系统的建模方法，例如列写系统各个环节的微分方程，从微分方程经过拉

56、氏变换绘制系统方框图，然后对于具体系统通过一定的算法得到系统的总传递函数，基于所得到的传递函数进行系统性能分析。此次毕业设计建模这一块我们重在介绍如何通过MATLAB工具求取系统每个环节传递函数，然后通过一定的算法得到总传递函数。除建模外，我对系统根轨迹有了较深刻的理解。根轨迹法是一种求解闭环特征方程根的简便图解方法，它根据系统的开环传递函数极点和零点的分布，依据一些简单的规那么，研究开环系统某一参数变化时，闭环系统极点和零点在s平面上的轨迹。在控制系统的分析中，根轨迹法是种很适用的工程方法。可以用于分析系统，而且指出了改善系统性能的有效途径。在设计控制系统时，根轨迹法是有效的，因为它指出了系

57、统开环极点和零点应该怎样变化，才能使系统的性能满足设计指标。对于给定被控系统，按照预先给定系统的参数绘制出系统的根轨迹图，并按照给定的瞬态性能指标要求用根轨迹分析法设计串联校正补偿器以及求出校正前后系统的传递函数。在设计过程中，根据设计中瞬态性能指标的要求的不同，用根轨迹法对系统进行串联校正，本模块中用到的校正方法有几何法超前校正，最大法超前校正，滞后校正以及解析法校正。 当然在这次毕业设计中我们也有许多缺乏之处：由于在毕业设计初期全局考虑不够周全，把实验报告的生成考虑的不够细致，导致在最后生成实验报告时，不得不把实验报告局部安排在每个分析实验的界面之下；本来打算把编写的软件进行打包生成可执行

58、文件，由于时间仓促也没有实现；关于MATLAB与C语言等其他高级语言的接口问题也没有涉及，总之本实验系统也还有较多的需要完善的地方。 我们所设计的虚拟实验系统软件只是一个单机的仿真软件，对于用户而言，必须每台客户机都装有一套软件，软件投入资金大，同时，对客户机的要求又高，以运行很庞大的仿真软件。我需要一个基于网络平台的远程实验、仿真系统。该系统可以使实验的方式有一个本质的改良，通过网络，可以使多个人同时共享一台设备，使以前一人一台的实验方式变为了多人一台实验设备的远程实验方式，实现真正的实验设备的共享方式。这将使更多的学生可以进行必要的实验，弥补了实验设备、仿真软件的缺乏，改善了学校的实验状况

59、，提高实验的开出率。同时可以降低对运行的硬件平台的要求，降低软件的投入，减少软件运行维护的费用，降低客户机的配置要求。大大减少实验室的投入，降低办学本钱。同时，还可以便于学生自学，培养学生的自学能力和创新能力。要真正实现基于网络的远程实验、仿真、数据分析等，非常困难。必须对那些仿真软件平台进行研究分析和大量的二次开发工作，包括远程实验、仿真平台的理论研究、平台的搭建、数据的传输、数据的平安、数据的共享、实验在线监视系统、学生实验情况的专家知识库、利用知识库提供在线操作指导等等。这正是该工程的难点，也是我们继续要开发研究的。参 考 文 献1 张志涌编著. . 北京:北京航空航天大学出版社. 20

60、032 魏克新等编著. MATLAB语言与自动控制系统设计. 北京:机械工业出版社.19973 施阳等编著 MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK 西安 西北工业大学出版社 19974 胡寿松 自动控制原理 北京 国防工业出版社 19805 庞国仲 编著 自动控制原理修订版 合肥 中国科学技术大学出版社 19986 薛定宇 反应控制系统设计与分析-MATLAB语言应用 北京 清华大学出版社 19987 郑君里 信号与系统 北京 高等教育出版社 20008 施晓红等编著 精通GUI图形界面编程 北京 北京大学出版社 20039 魏巍 编著 控制工程工具箱技术 北京 国防工业出版社 20049 陈怀琛等 编著 MATLAB及在电子信息课程中的应用 北京 电子工业出版社 200010 楼顺天等 基于