1、中 文 摘 要I本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB GUI 的控制原理虚拟试验台设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中 文 摘 要II摘 要由于自动控制原理课程理论性强、图形曲线多，教师在教课过程中需要画大量曲线并进行精确的分析，这就给课程讲授带来了困难，同时也不便于学生直观形象的理解相关的基本理论、基本概念和基本的分析方法。对此，本文提出了基于 MATLAB GUI 的虚拟实验台，以辅助该课程的教学，帮助教师更好地讲解课程理论，同时帮助提高学生对课程内容的理解。本文给出了自动控制原理中常见实验项目、有关的 GUI 面板设计及程序设计。在实
2、际应用中，通过给定选定系统的参数即可得到相应的曲线及数据，可进一步分析不同参数对系统的影响。该方法人机界面友好，操作方便，图像数据精确直观，弥补了传统教学中的不足，有助于提高自动控制原理课程的教学质量和学生的理解力。关键词：MATLAB，GUI，自动控制原理，虚拟试验台AbstractIIIAbstractFor “Automatic Control Theory“ course theoretical, many graphic curve, teachers need to draw a large number of curves and precise analysis, so thi
3、s course will become difficulties, it is also hard for students to understanding basic theory, basic concepts basic methods of analysis. This paper presents a MATLAB GUI-based virtual laboratory bench to complement the teaching of the course, to help teachers explain the curriculum theory better, an
4、d enhance students understanding of the course. In this paper, listed common experiment in “Automatic Control Theory“, and given the GUI panel design and program design. Given the corresponding parameter can get curves and data in applications, to further analyze the influence of different parameter
5、s on the system. The method has a friendly interface, easy operation, precise and intuitive image data，make up for deficiencies in the traditional teaching，help to improve the quality of teaching and student understanding of “Automatic Control Theory “course.Keywords: MATLAB, GUI, Principles of Auto
6、matic Control, virtual laboratory bench目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 引 言 .11.1 课题的目的和意义 .11.2 MATLAB 及 GUI 介绍 .1第二章 设计原理 .32.1 时域一阶系统典型环节虚拟实验台设计原理 .32.1.1 数学模型 .32.1.2 单位阶跃响应 .32.2 时域二阶系统典型环节虚拟实验台设计原理 .42.2.1 数学模型 .42.2.2 单位阶跃响应 .42.2.3 暂态性能指标 .62.3 线性系统稳定性分析虚拟实验台设计原理 .72.3.1 用特征方程的根判定系统的稳定性
7、.72.3.2 绘制系统的阶跃响应曲线来判断系统稳定性 .72.4 频域系统分析虚拟实验台设计原理 .72.4.1 频率特性 .72.4.2 频率特性的表示方法 .72.5 校正系统虚拟实验台设计原理 .82.5.1 系统性能指标 .82.5.2 频率法串联超前校正 .92.5.3 频率法串联滞后校正 .102.5.4 PID 校正 .112.6 离散系统虚拟实验台设计原理 .122.6.1 采样 保持器 .12目 录V2.6.2 数学模型的建立 .132.7 非线性系统虚拟实验台设计原理 .132.7.1 具有回环的继电器非线性系统 .132.7.2 奈奎斯特稳定判据在非线性系统中的应用 .
8、14第三章 程序方案设计 .153.1 程序总体设计 .153.2 基于 MATLAB GUI 的虚拟实验台设计 .153.3 程序总体设计 .16第四章 基于 MATLAB GUI 的虚拟试验台设计 .184.1 一阶系统时域分析虚拟试验台 .184.1.1 功能介绍 .184.1.2 界面设计 .184.1.3 主程序设计 .184.1.4 系统仿真运行结果 .194.2 二阶系统时域分析虚拟试验台 .194.2.1 功能介绍 .194.2.2 界面设计 .194.2.3 主程序设计 .204.2.4 系统仿真运行结果 .214.3 稳定性分析虚拟试验台 .214.3.1 功能介绍 .21
9、4.3.2 设计步骤 .214.3.3 主程序设计 .224.3.4 系统仿真运行结果 .234.4 根轨迹分析虚拟试验台 .234.4.1 功能介绍 .234.4.2 界面设计 .234.4.3 主程序设计 .244.4.4 系统仿真运行结果 .24目 录VI4.5 频域分析虚拟试验台 .254.5.1 功能介绍 .254.5.2 界面设计 .254.5.3 主程序设计 .254.5.4 系统仿真运行结果 .264.6 校正系统虚拟试验台 .264.6.1 功能介绍 .264.6.2 界面设计 .274.6.3 主程序设计 .274.6.4 系统仿真运行结果 .294.7 离散系统虚拟试验台
10、 .304.7.1 功能介绍 .304.7.2 界面介绍 .304.7.3 主程序设计 .304.7.4 系统仿真运行结果 .314.8 非线性系统 .324.8.1 功能介绍 .324.8.2 界面设计 .324.8.3 主程序设计 .324.8.4 系统仿真运行结果 .33第五章 用户管理程序的设计 .345.1 登录系统的设计 .345.2 系统界面 .34结 论 .35参考文献 .36致 谢 .37第一章 引 言- 1 -第一章 引 言随着教育规模的不断扩大和高校教学课程的不断更新，许多高校教学过程中出现了无法满足现代教学需要的现象。计算机辅助教学将计算机运用于现代教学中，提高了教学质
11、量，增强了学生对课程的理解。本文所设计的虚拟实验台具有人机界面友好，易于操作等特点。1.1 课题的目的和意义自动控制原理课程是许多高校电气自动化类专业的一门专业基础课，在教学上占有十分重要的地位。该课程主要研究控制理论的基本概念、基本理论、基本分析方法和实际应用。由于课程理论概念抽象，涉及烦琐的数学理论和推导过程，在授课过程中，教师需在黑板上画大量的曲线，当分析的因素较多时，往往难以用有限的几种颜色将他们分开，而且曲线的准确度也难以保证，因而影响学生的理解与接受能力，难以掌握基本问题、思想和方法。因此利用计算机平台，通过计算机和软件来实现教学过程中的绘图及图像分析，来提高教师的教学质量，使学生
12、直观的理解课程理论，以实现教学改革。1.2 MATLAB 及 GUI 介绍MATLAB 是在 20 世纪 80 年代中期，由美国 Mathworks 公司推出的一款高性能数值计算软件，主 要 用 于 算 法 开 发 、 科 学 计 算 以 及 交 互 式 程 序 设 计等 。 它 在 一 个 简 单 的 视 窗 环 境 中 进 行 如 数 据 分 析 、 数 值 计 算 、 计 算 数 据 可视 化 以 及 非 线 性 系 统 的 建 模 仿 真 等 工 作 ， 这 就 给 出 了 一 种 新 的 处 理 方 法 ，这 种 方 法 可 以 用 于 工 程 计 算 、 科 学 分 析 ， 并 可
13、 在 科 学 领 域 里 进 有 效 地 数 值 计算 ， 在 现 如 今 的 科 学 计 算 软 件 里 计 算 水 平 最 高 。 它 包含强大的控制系统软件包，提供强大的矩阵运算和图形图像处理能力，能解决很多控制系统中需要的数值计算。如经典控制理论中的传递函数、稳态分析、对数幅相频率特性等都可用 MATLAB 实现。图形用户界面（GUI）是在图形界面下创建与用户交互的控件元素，使用户可以通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、操作这些交互控件实现特定的功能，并且可以返回结果数据，显示在程序界面相应的显示区域中。构成 GUI的对象主要有窗口、菜单、按钮、文字说明等。它即能嵌入已有的仿真程序，第
14、一章 引 言- 2 -又能把仿真的图形化结果以人机交互的动态方式呈现给用户，从而给人以深刻的印象，同时仿真代码不可见，为一些不熟悉 MATLAB 的人提供了操作界面的可能。虚拟试验台是在 MATLAB GUI 的基础上进行设计的一款实验平台，它通过 GUI 设计面板，并调用 MATLAB 程序，进行仿真，达到预期的效果。这将大大节约教学中的画图分析时间，提高教师的教学质量，使学生更加直观容易的理解控制系统的有关基本概念、基本理论和基本分析方法，同时也将节约大量的实验器材，节约实验经费，避免了因器材不足的问题带来的困扰。第二章 设计原理- 3 -第二章 设计原理本章介绍了自动控制原理中常见实验原
15、理，包括的实验有：一阶系统的时域分析、二阶系统的时域分析、线性系统的稳定性分析、根轨迹分析、频域特性分析、校正系统、离散系统、非线性系统。2.1 时域一阶系统典型环节虚拟实验台设计原理2.1.1 数学模型由于典型的一阶惯性环节含有储能元件，因此对于突变的输入信号，输出信号不能立即跟踪输入，而是具有一定的惯性。惯性环节的微分方程为(21)()()dctTrt其传递函数为(22）()1CsGRT式中，T 为惯性环节的时间常数， 为系统的输出信号， 为系统的输入信()ct ()rt号。一阶系统惯性环节的结构图下所示。 1TsR(s) C(s)图 2-1 一阶系统惯性环节结构图2.1.2 单位阶跃响应
16、在零初始条件下，当输入为单位阶跃信号时，惯性环节输出量的拉氏变换为第二章 设计原理- 4 -(23)1()KCsTsT将上式进行拉氏反变换后，得到惯性环节的单位阶跃响应为(2-4)()1tTcte2.2 时域二阶系统典型环节虚拟实验台设计原理2.2.1 数学模型典型二阶系统微分方程为(25)2()()()dctdctTrt其传递函数为(2221() nGsTss6）式中，T 为时间常数； 为阻尼比； 为无阻尼自然振荡角频率。1nT二阶系统的结构图如下所示。 2()nsR（s）C（s）图 2-2 二阶系统的结构图2.2.2 单位阶跃响应在单位阶跃输入作用下，典型二阶系统输出的拉氏变换为(27）2221()n nsCss
