1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB GUI 的多功能控制系统仿真仪的设计所在学院 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I摘 要本文研究了基于 MATLAB GUI 的多功能控制系统仿真仪的设计，文中介绍了 MATLAB 软件的组成部分、MATLAB 的特点及其语言特点、MATLAB GUI 的相关知识、开环和闭环控制系统以及闭环控制系统的组成结构等；重点阐述了控制系统的经典控制理论，如：传递函数及典型环节的传递函数；还介绍了研究控制系统所常用的 Bode 图、Nyquist 图、根轨迹图和单位阶跃响应曲线，给出了画这些图形所用到的 MATLAB
2、语言，并对这四种图形一一进行了仿真；最后说明了多功能控制系统仿真仪的设计方法和操作步骤。多功能控制系统仿真仪是一种采用图形曲线研究控制系统的有效方法，为了方便对比，把研究控制系统常用的 Bode 图、Nyquist 图、根轨迹图和单位阶跃响应曲线放在了同一个面板上，输入不同的参数会显示不同的图形曲线。关键词： MATLAB，控制系统，仿真仪英文摘要IIAbstractThis paper studies design based on MATLAB GUI multi-function control system simulation apparatus. The paper introdu
3、ces the component parts of MATLAB, the features of MATLAB and its language, the related knowledge of it and the open loop and closed loop control system and the composition of the closed-loop control system structure, etc. This paper focuses on the control system of the classic control theory, for e
4、xample: the transfer function and the typical link transfer function and transfer function of zero poles model. The paper also describes the research control system of the commonly used Bode figure, Nyquist figure, root locus diagram and the unit step response curve, giving these graphics used the l
5、anguage of MATLAB. Then make simulation for these graphics. The paper gives the design method and procedures of multi-function control system simulation instrument.The multi-function control system simulation instrument is an available method which using a graphic curve to study the control system .
6、In order to facilitate the contrast, we put the control system Bode diagram, Nyquist diagram, root locus diagram and the unit step response curve on the same panel, and enter different parameters w showing different graphs.Keywords: MATLAB, control system, simulation instrument目 录III目 录摘 要 .IAbstrac
7、t（英文摘要） .II目 录 .III第一章 引言 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 本课题的研究对象、目标和方法 .21.3 论文各部分的主要内容 .2第二章 MATLAB GUI .32.1 MATLAB.32.1.1 MATLAB 的 重 要 组 成 部 分 .32.1.2 MATLAB 的主要特点 .42.1.3 MATLAB 的语言特点 .42.2 MATLAB GUI .52.2.1 GUIDE 简介 .52.2.2 创建 GUI.6第三章 控制系统概述 .83.1 开环、闭环控制系统 .83.2 闭环控制系统的组成结构 .93.3 反馈控制系统的品质要求 .113.4 经
8、典控制理论 .123.4.1 传递函数的定义 .123.4.2 单位阶跃响应 .133.4.3 Bode（波特）图 .143.4.4 Nyquist（奈奎斯特）曲线 .163.4.5 根轨迹 .17第四章 仿真仪的设计与操作 .194.1 仿真仪的控制面板 .19目 录IV4.2 仿真仪的设计 .204.2.1 GUI 对象布局 .204.2.2 编写 Callback 函数 .224.3 仿真仪的操作 .244.3.1 传递函数为零极点模型 .244.3.2 传递函数为一般形式 .26结论 .28参考文献 .29致谢 .30第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题的背景和意义自动控
9、制原理是研究自动控制技术的基础理论课，是自动控制专业的主要课程之一。在自动控制原理这门课中，要学习控制系统的基本理论、基本概念以及分析和设计方法。在控制系统设计与仿真软件中，具有强大的计算功能、丰富方便的图形功能和动态系统仿真工具的 MATLAB 脱颖而出。但是 MATLAB 也存在一些缺点：一、MATLAB 的解释方式使得其执行效率很低，主要体现在处理图像中；二、MATLAB 不能被用于开发商用软件，因为其程序不能脱离运行环境；三、MATLAB 的程序可以进行任意修改，所以安全性低；四、 MATLAB 不能满足高级用户的需求，因为其编写功能过于简单。在自动控制原理的教学试验中，可以运用 MA
10、TLAB 对软件进行简单的设计开发，并不需要对图像进行复杂处理，对代码的完整性及安全性要求也不苛刻。1.2 本课题的研究对象、目标和方法本课题所做的研究主要是基于 MATLAB GUI 平台，结合控制系统基础理论和 MATLAB 控制系统工具箱，设计出一个控制系统分析与设计的仿真软件，这个软件可以根据给出的传递函数绘制出 bode 图、阶跃响应曲线、Nyquist 图和根轨迹图。其不足之处在于，如果给出的传递函数不是零极点形式，要先通过 MATLAB 语言转换成零极点形式，并且零极点的形式也比较局限。在自动控制原理课程的教学中，实验是一种用来帮助学生理解和掌握课堂中所学内容的重要教学手段。在传
11、统的硬件实验平台上，如果要频繁的改变系统的参数和结构，必须在实验台上大量的更换或调整相应元器件，有时候由于各方面的原因实现起来很困难。近几年来随着 MATLAB 的广泛应用，在自动控制原理的教学过程中出现了使用 MATLAB 来辅助教学，起到了较好的作用。但是单纯的使用 MATLAB 来仿真需要有一定的编程基础。随着虚拟仪器技术第一章 引 言- 2 -的出现和计算机技术的发展，采用 MATLAB GUI 开发的虚拟实验系统，既可以进行虚拟的实验，也可以使用数据采集卡与硬件设备相结合完成。本文利用MATLAB 中的图形用户界面（GUI）和 MATLAB 编程， 设计了自动控制原理课程中的根据传递
12、函数绘制 bode 图、阶跃响应曲线、Nyquist 图和根轨迹图。1.3 论文各部分的主要内容本论文共分为四章。第一章说明了选择这个课题的背景和意义，以及该课题的研究对象、方法和目标，使读者对本课题有一个整体上的认识。第二章介绍了 MATLAB 软件和 MATLAB 的一些特点，重点介绍了控制系统的传递函数、零极点模型、单位阶跃响应、Bode 图、Nyquist 曲线和根轨迹图，并且给出了绘制这些图形的 MATLAB 语言。第三章是 MATLAB GUI 的相关知识，如何用 GUIDE 建立 GUI，以及 GUI 面板中各个部分的介绍。第四章先阐述了仿真仪的设计，详细的写出了设计步骤，包括面
13、板的制作和 MATLAB 编程，然后又通过具体的实例说明了多功能控制系统仿真仪的操作步骤。最后得出结论。第二章 MATLAB GUI- 3 -第二章 MATLAB GUI2.1 MATLABMATLAB 是 MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写，是由美国 Math Works 公司开发的，它把数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能集中于一体。MATLAB 把不同数学分支的算法用函数的形式分成很多个库，用的时候可以直接调用，速度快而且准确率也高。整个 MATLAB 系统是由两部分组成，即 MATLAB 内核与辅助工具箱。2.1.1 MATLAB的 重 要 组 成 部 分MA
14、TLAB 主要由下面 5 个部分组成。（1）MATLAB 的开发环境开发环境是一组很实用的工具，利用这组工具，用户可以方便的使用MATLAB 函数和软件。这其中的很多工具都是图形用户接口，它包括MATLAB 桌面和 commend window、commend history、工作空间、file 和搜索路，还有浏览器用来帮助查看信息。（2）MATLAB 的数字函数库这个函数库是一个相当大的计算算法库，包括基本的函数（如sum、 sine、cosine） 、复杂的算法和更复杂的函数运算，例如矩阵求逆、矩阵的特征值、Bessel 函数和快速 Fourier 变换等。（3）MATLAB 的语言MAT
15、LAB 语言是一个级别较高的矩阵和数组编程语言，这种语言的特点是具有流程控制语句、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编辑等。它既能编写执行比较快速的小型程序，也可以编写庞大的算法比较复杂的应用程序。（4）MATLAB 的图形处理系统第二章 MATLAB GUI- 4 -MATLAB 的图象处理库，既能生成平面和立体图形的可视化、图像处理、平面动画和演示的高级命令，也能生成完全由用户自己定制的图形，在MATLAB 应用程序中所创建的完整的图形用户接口的低级命令。（5）MATLAB 的应用程序接口API这个函数库为用户提供了编写与 MATLAB 接口的 C 和 Fortran 的程序，其中包括从
16、 MATLAB 的动态链接中调用指令和读写 MATLAB 文件中的程序。2.1.2 MATLAB的主要特点MATLAB 语言的基本数据单位是数组，它包括控制流语句、函数、数据结构、输入/输出以及面向对象的高级语言，具有以下主要的特点： 该语言具有丰富的运算符和强大的库函数，语言简洁，编程效率比较高。MATLAB 语言不仅能提供运算符号，还能提供实用的矩阵和向量运算符。 MATLAB 既可以给面向对象编程，还具有结构化的控制语句（比如while 循环、 for 循环、break 语句、switch 语句以及 if 语句） 。 具有强大的图形功能。MATLAB 不仅可以对二维、三维数据进行可视化、
17、图像处理和动画制作，还能修改图形和编制完整图形用户界面。 具有功能强大的工具箱。MATLAB 包括功能性工具箱和学科性工具箱两类工具箱。功能性工具箱主要用来扩充 MATLAB 的对符号的计算、对图形的仿真和对文字的处理，还可以与硬件进行连接。学科性工具箱专业性比较强，它可以对对象进行优化、统计和处理。 容易扩充。MATLAB 除了内部函数外，其余的主要文件盒工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可以修改源文件并加入自己的文件，它们与库函数一样可以被调用。2.1.3 MATLAB的语言特点MATLAB 语言数值计算功能强大、图像处理能力强，有其他语言比不上的优点，如它的工具箱就应用于很多领域。此外
18、，MATLAB 能和其他语言很好的结合使用，使计算机的软件开发上了一个层次。第二章 MATLAB GUI- 5 -目前，MATLAB 不仅能在台式机上进行运行，也能在 PC、Sun Space 工作站、Silicon Graphics 工作站和惠普工作站等地方运行。如果单纯的使用MATLAB 语言进行编程，则编写的程序可以直接复制到其他机型上使用。可以说，MATLAB 是和及其类型及操作系统基本上无关的软件。MATLAB 语言的运算精度比较高。一般情况下，矩阵类运算可以达到的数量级精度，它符合一般科学与工程运算要求。这种条件数很大，当矩150阵中某个参变量有微笑的变化时，就可能导致最终变化很大
19、的现象在数学上被称为坏条件现象。对于这类问题，要采用合适的算法，最后可能才会得出正确的结论。但是使用 MATLAB 就会很少出现这样的问题。 2.2 MATLAB GUI人与机器（或程序）之间交互作用的工具和方法称为用户界面，如人们日常所用的键盘、鼠标、话筒等。MATLAB GUI 是 MATLAB 的人机交互界面。图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）则是由窗口、光标、按钮、文字说明、菜单等对象组成的一个用户界面。用户通过鼠标或键盘选择、激活这些图形对象，使计算机实现计算、绘图等。创建 MATLAB 图形用户界面的组件分为三类：一、图形化控件，如按钮、标签、
20、编辑框等；二、静态元素，有窗口和文本字符串；三、菜单和坐标系。GUI 的每一个组件都必须安排在图像窗口中。2.2.1 GUIDE简介GUIDE 来源于 Graphical User Interface Development Environment,是MATLAB 图形用户界面开发环境的简称，它能为 GUI 的建立提供一系列工具，这些工具极大地简化了设计和建立 GUI 的过程。使用 GUIDE 编辑器编辑GUI，要分别编辑两个文件：一个是 FIG 文件（.fig ） ，包含了 GUI 对象的属性设置及其布局信息；另一个是 M 文件（.m） ，包含了控制 GUI 对象执行的回调函数。使用 GUIDE 可完成两项工作：GUI 图形界面布局； GUI 编程。
