1、畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文題目：自動控制原理虛擬實驗室 的設(shè)計系 別： 電氣與電子工程系專 業(yè)： 電氣工程及其自動化姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 河南城建學(xué)院2009年 05 月 30 日河南城建學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任 務(wù) 書題 目自動控制原理虛擬實驗室的設(shè)計系 別電氣與電子工程系專 業(yè)電氣工程及其自動化班級12140502學(xué) 號1214050213學(xué)生姓名羅華澤指導(dǎo)教師任琦梅發(fā)放日期2009年3月2日河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書一、主要任務(wù)與目標：主要任務(wù)：完成自動控制原理虛擬實驗室的設(shè)計和調(diào)試，并編寫畢業(yè)設(shè)計說明書。目標：1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運用和所學(xué)理論知識的能力。2、培養(yǎng)學(xué)生分析

2、和解決實際問題的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生調(diào)查研究、查閱技術(shù)文獻、資料、手冊以及編寫技術(shù)文獻的能力。二、主要內(nèi)容與基本要求：主要內(nèi)容：1、學(xué)習(xí)并熟悉開發(fā)設(shè)計軟件MATLAB/Simulink/GUIDE2、對自動控制原理課程進行深入學(xué)習(xí)和研究，根據(jù)課程重點、難點設(shè)置實驗項目。3、設(shè)計制作出自動控制原理虛擬實驗軟件，并進行調(diào)試?；疽螅?、設(shè)計出的虛擬實驗室界面友好。2、能進行滿足教學(xué)大綱要求的實驗項目。3、學(xué)生能自主設(shè)置或修改實驗所需的一些參數(shù)，或能進行一些設(shè)計性試驗。4、操作過程中有一定的提示說明信息。5、設(shè)計調(diào)試成功后將制作的虛擬實驗室所有的文件打包后拷貝給指導(dǎo)教師。三、計劃進度：畢業(yè)設(shè)計從第5

3、周到第16周共12周時間。第5周，熟悉題目，查閱資料，調(diào)研。第6周，學(xué)習(xí)熟悉MATLAB軟件。第7周，復(fù)習(xí)自動控制原理相關(guān)知識，確定實驗項目和內(nèi)容。第8周，設(shè)計虛擬實驗室主界面。第912周，編寫實驗部分相關(guān)文件。第13周，編寫說明信息相關(guān)文件。第14周，整理調(diào)試和檢查。第15周，編寫整理設(shè)計說明書。第16周，答辯。四、主要參考文獻：1、薛定宇、陳陽泉，給予MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社2、魏巍，MATLAB控制工程工具箱技術(shù)手冊，國防工業(yè)出版社3、薛定宇，控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計，機械工業(yè)出版社4、夏德玲，自動控制原理，機械工業(yè)出版社指導(dǎo)教師（簽名）：

4、年 月 日教研室審核意見： （建議就任務(wù)書的規(guī)范性；任務(wù)書的主要內(nèi)容和基本要求的明確具體性；任務(wù)書計劃進度的合理性；提供的參考文獻數(shù)量；是否同意下達任務(wù)書等方面進行審核。）教研室主任簽名： 年 月 日注：任務(wù)書必須由指導(dǎo)教師和學(xué)生互相交流后，由指導(dǎo)老師下達并交教研室主任審核后發(fā)給學(xué)生，最后同學(xué)生畢業(yè)論文等其它材料一起存檔。成績評定·成績評定說明一、答辯前每個學(xué)生都要將自己的畢業(yè)設(shè)計（論文）在指定的時間內(nèi)交給指導(dǎo)，教師，由指導(dǎo)教師審閱，寫出評語并預(yù)評分。二、答辯工作結(jié)束后，答辯小組應(yīng)舉行專門會議按學(xué)校統(tǒng)一的評分標準和評分辦法，在參考指導(dǎo)教師預(yù)評結(jié)果的基礎(chǔ)上，評定每個學(xué)生的成績。系對專業(yè)

5、答辯小組提出的優(yōu)秀和不及格的畢業(yè)設(shè)計（論文），要組織系級答辯,最終確定成績，并向?qū)W生公布。三、各專業(yè)學(xué)生的最后成績應(yīng)符合正態(tài)分布規(guī)律。四、具體評分標準和辦法見平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）工作條例中附錄2。五、答辯小組評分包括兩部分：（1）學(xué)生答辯情況的得分和評閱教師評分；（2）指導(dǎo)教師對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的評分畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定班級 姓名 學(xué)號綜合成績： 分（折合等級 ）答辯小組組長簽字 年 月 日·答辯小組評定意見·一、評語（根據(jù)學(xué)生答辯情況及其論文質(zhì)量綜合評定）。二、評分（按下表要求評定）評分項目答 辯 小 組 評 分評 閱 教 師 評 分合計（40分）完成任務(wù)

6、情 況（5分）畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量（5分）表達情況（5分）回答問題情 況（5分）質(zhì) 量（正確性、條理性、創(chuàng)造性、實用性）（10分）成果的技術(shù)水平（科學(xué)性、系統(tǒng)性）（10分）答辯小組成員簽字 年 月 日 畢業(yè)答辯說明1、答辯前，答辯小組成員應(yīng)詳細審閱每個答辯學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計（論文），為答辯做好準備，并根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量標準給出實際得分。2、嚴肅認真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績。3、指導(dǎo)教師應(yīng)參加所指導(dǎo)學(xué)生的答辯，但在評定其成績時宜回避。4、答辯中要有專人作好答辯記錄。·指導(dǎo)教師評定意見·一、對畢業(yè)設(shè)計（論文）的學(xué)術(shù)評語（應(yīng)具體、準確、實事求是）： 簽字： 年 月 日

7、二、對畢業(yè)設(shè)計（論文）評分按下表要求綜合評定。（1）理工科評分表評分項目（分值）工作態(tài)度與 紀 律（10分）畢業(yè)設(shè)計（論文）完成任務(wù)情況與水平（工作量與質(zhì)量）（20分）獨 立工作能力（10分）基礎(chǔ)理論和基本技能（10分）創(chuàng) 新能 力（10分）合 計（60分）得分（2）文科評分表評分項目（分值）文獻閱讀與文獻綜述（10分）外文翻譯（10分）論文撰寫質(zhì)量（10分）學(xué)習(xí)態(tài)度（10分）學(xué)術(shù)水平（20）論證能力與創(chuàng)新（40分） 合 計（100分）得分 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄摘 要10第一章 緒論12第二章 自動控制原理虛擬實驗室概述13第一節(jié) 使用工具簡介13一、MATLAB簡介13二、sim

8、ulink簡介13三、GUI簡介14第二節(jié) 自動控制原理實驗簡介15第三節(jié) 虛擬實驗室總體結(jié)構(gòu)16第三章 自動控制原理虛擬實驗室的實現(xiàn)18第一節(jié) 界面19第二節(jié) 課本實驗的實現(xiàn)26第三節(jié) 演示實驗的實現(xiàn)32第四章 實驗應(yīng)用舉例37第5章總結(jié)45附錄46一、注意事項46二、中英文對照表47致 謝51參考文獻52摘 要實驗教學(xué)是理論教學(xué)的延伸和補充，搞好實驗教學(xué)是整個自動控制理論教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。該文從教學(xué)課本實驗著手，首先分析了建立虛擬實驗平臺的必要性，接著闡述了虛擬實驗界面和仿真平臺的基本結(jié)構(gòu)與功能。以及關(guān)鍵模塊的軟件實現(xiàn)方法；最后分析了運用軟件進行自動控制原理的虛擬實驗的優(yōu)越性。虛擬實驗

9、室的基本結(jié)構(gòu)分為：軟件介紹、課本實驗和演示實驗。課本實驗包含課本要求的所有實驗：一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，二、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) ，三、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，四、系統(tǒng)頻率特性的測試，五、控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，六、采樣實驗。演示實驗兼具課內(nèi)外實驗共八個實驗：一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，二、線性系統(tǒng)時域響應(yīng)的分析，三、繪制系統(tǒng)的根軌跡及零、極點分布圖，四、系統(tǒng)的頻域分析，五、線性系統(tǒng)的校正，六、采樣控制系統(tǒng)，七、非線性系統(tǒng)仿真，八、平穩(wěn)隨機信號作用下線性系統(tǒng)的仿真。這六個課本實驗和八個演示實驗從簡單到復(fù)雜，對自動控制原理的滲透逐漸加深。關(guān)鍵詞：自動控制；MATLAB；虛擬實驗；仿真。AbstractExp

10、erimental teaching is the theoretical teaching and improve experiment teaching, the automatic control theory is an important link in the process of teaching. This textbook experiment teaching is firstly analyzed, the necessity of the establishment of virtual experiment platform, then expounds the vi

11、rtual experiment interface and the basic structure and simulation platform. And the software realization method of key module, In the final analysis by using the software for automatic control principle of the advantages of virtual experiment.The basic structure of virtual laboratory software is int

12、roduced, the book is divided into: experiment and demonstration experiment. Textbook experiment textbooks include all experiment: a typical, and step response, 2 second order systems step response, the stability of the control system of three, four, system analysis, the frequency characteristics of

13、the test, calibration, control system, 6 series, sampling experiment. Experimental demonstration of both inside and outside the class of eight experiment: an experiment, the typical links and step response, 2, linear system analysis of time domain response, three, drawing system root locus and zero,

14、 pole distribution, four, the system of frequency domain analysis of linear systems, five, six, seven, sampling control system, and the nonlinear system simulation, eight, stationary random signal linear system under the simulation. This textbook experiment and six eight demonstration experiment fro

15、m simple to complex, the principle of the automatic control gradually deepened. InfiltrationKeywords：automatic control, MATLAB, Virtual experiment, Simulation.第一章 緒論 “自動控制原理”是我院自動化類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的特點是理論性強以及相對較抽象,以致使得學(xué)生難于理解,需要借助實驗加深對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。我院開設(shè)的該課程實驗,仍處于傳統(tǒng)模擬實驗階段,實驗時首先把系統(tǒng)分解成典型環(huán)節(jié),利用實驗箱,將相應(yīng)的有源R

16、C網(wǎng)絡(luò)模塊連接,最后通過示波器觀察實驗結(jié)果。這樣的實驗方式,雖然具有一定的作用,但存在著一些弊端：學(xué)生在開始進行實驗的時候,面對著復(fù)雜的硬件電路,往往不知所措,對控制系統(tǒng)的模型不是很了解,只是依據(jù)給定的電路來連接；對于控制系統(tǒng)的參數(shù),不知如何調(diào)整,而是胡亂地調(diào)節(jié)電位器值和電容值,很容易造成硬件電路的損壞；更不知調(diào)整的參數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)的哪些具體參數(shù),顯然不會對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的加深理解。使得學(xué)員對實驗不感興趣； 實驗設(shè)備高度集成,操作復(fù)雜,可擴展性差,另外可改參數(shù)有限,使得綜合性實驗難以開展；現(xiàn)在雖應(yīng)用了虛擬示波器,但由于實驗構(gòu)成的基礎(chǔ)仍是模擬電子線路,有些如頻率特性等實驗效果仍然不好,能夠開出的實驗受

17、到限制； 實驗內(nèi)容形式老化,不能達到實驗要求和促進課程理論教學(xué)的目的；自控實驗學(xué)時有限,實驗室又是非開放性的,要想在有限學(xué)時里鞏固和掌握課堂內(nèi)容,顯然是很困難的。為了改變這一局面,我們利用MATLAB 中的具有可視化編程能力的圖形用戶界面GUI、SIMULINK仿真功能和控制系統(tǒng)工具箱中豐富的庫函數(shù)等,開發(fā)了基于MATLAB 的“自動控制原理”虛擬實驗仿真平臺。該平臺充分考慮了本學(xué)科的特點, 基本上覆蓋了所要求的實驗內(nèi)容；用戶界面良好,具有一定的交互功能和仿真運行功能。通過人機對話,用戶可以設(shè)置系統(tǒng)的模型,根據(jù)用戶的要求該軟件可圖形分析與系統(tǒng)性能指標分析。與電子線路模擬實驗互相補充,有效地克服

18、了傳統(tǒng)模擬實驗的局限性,很好地達到實驗教學(xué)的目的和要求。前幾章主要是介紹本軟件的制作方法和過程，依照課本實驗的相關(guān)內(nèi)容，制作出擴展性強，人機對話優(yōu)越的虛擬實驗室平臺；其后選取課本實驗中的一個實驗，通過實驗演示的操作幫助學(xué)生更好更快的認識軟件，加深掌握軟件使用過程中的一些技巧和方法，以便在自己動手做實驗更出色的完成各個實驗任務(wù)。第二章 自動控制原理虛擬實驗室概述第一節(jié) 使用工具簡介一、MATLAB簡介自動控制原理虛擬實驗室是使用MATLAB軟件搭建而成的，所以在使用進行實驗之前，我首先簡單了解MATLAB軟件的誕生和發(fā)展，以便幫助我們今后更好的掌握和應(yīng)用虛擬實驗室軟件，為我們的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)

19、。MATLAB軟件是由美國Math Works公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)。MATLAB是英文Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，被譽為“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB編程運算與人進行科學(xué)計算的思路和表達方式完全一致，所以不像學(xué)習(xí)其他高級語言，如Basic、Fortran和C等語言那樣難于掌握，用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。在這個環(huán)境下，對所求解的問題，用戶只需簡單的列出數(shù)學(xué)表達式，其結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來。最早開發(fā)MATLAB軟件的目的就是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好地授課和學(xué)習(xí)。從MATLAB誕生開始，由于其高度

20、的集成性和應(yīng)用的方便性，在高校中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。由于它能非常快地實現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大地節(jié)約了科研人員的時間，受到了大多數(shù)科研人員的青睞與重視。它可以很方便地設(shè)計出漂亮的界面，例如，它像VB等高級語言一樣，也可以設(shè)計出漂亮的用戶接口，同時因為它還具有最豐富的函數(shù)庫（工具箱），極易實現(xiàn)計算功能。另外MATLAB軟件和其他高級語言也具有良好的接口，可以很方便地與其他語言實現(xiàn)混合編程，這都進一步拓寬了它的應(yīng)用范圍和使用領(lǐng)域。二、simulink簡介控制系統(tǒng)仿真研究的一種很常見的需求就是系統(tǒng)在某些信號驅(qū)動下，觀測系統(tǒng)的時域響應(yīng)，從中得出期望的結(jié)論。對簡單線性系統(tǒng)來說，可以利用控制系統(tǒng)工具箱中

21、的相應(yīng)函數(shù)對系統(tǒng)進行分析，如果想研究非線性方程，則可以采用微分方程數(shù)值解法來求解。對于更復(fù)雜的系統(tǒng)來說，單純采用上述的方法有時難以完成仿真任務(wù)。比如說，若想研究函數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，用前面介紹的方法則需要列寫出系統(tǒng)的微分方程，這是很復(fù)雜的，有時甚至是不可能的。如果有一個基于框圖的仿真程序，則解決這樣的問題就輕而易舉了。Simulink環(huán)境就是解決這樣的問的理想工具，它提供了各種各樣的模塊，允許用戶用框圖的形式搭建起任意復(fù)雜的系統(tǒng)，從而對其進行準確的仿真。Simulink是MATLAB的一個組成部分，它提供的模塊有一般線性、非線性控制系統(tǒng)所需的模塊，也有更高層的模塊，例如電氣系統(tǒng)模塊集中提供

22、的電機模塊、simmechanics提供的剛體及關(guān)節(jié)模塊，這使得用戶可以輕易地對感興趣的系統(tǒng)進行仿真，并得出所需的結(jié)果。三、GUI簡介用戶圖形界面（GUI）是程序的圖形化界面。一個好的GUI 能夠使程序更加容易的使用。它提供用戶一個常見的界面，還提供一些控件，例如，按鈕，列表框，滑塊，菜單等。用戶圖形界面應(yīng)當(dāng)是易理解且操作是可以預(yù)告的，所以當(dāng)用戶進行某一項操作，它知道如何去做。例如，當(dāng)鼠標在一個按鈕上發(fā)生了單擊事件，用戶圖形界面初始化它的操作，并在按鈕的標簽上對這個操作進行描述。創(chuàng)建MATLAB 用戶圖形界面必須由三個基本元素: 1. 組件. 在matlab GUI 中的每一個項目(按鈕,標簽

23、,編輯框等)都是一個圖形化組件。組件可分為三類:圖形化控件(按鈕,編輯框,列表,滾動條等),靜態(tài)元素(窗口和文本字符串),菜單和坐標系。圖形化控件和靜態(tài)元素由函數(shù)uicontrol 創(chuàng)建,菜單由函數(shù)uimenu 和uicontextmenu 創(chuàng)建,坐標系經(jīng)常用于顯示圖形化數(shù)據(jù),由函數(shù)axes 創(chuàng)建。2. 圖象窗口(Figure)。GUI 的每一個組件都必須安排在圖象窗口中。以前，我們在畫數(shù)據(jù)圖象時，圖象窗口會被自動創(chuàng)建。但我們還可以用函數(shù)figure 來創(chuàng)建空圖象窗口，空圖象窗口經(jīng)常用于放置各種類型的組件。3. 回應(yīng)。最后，如果用戶用鼠標單擊或用鍵盤鍵入一些信息，那么程序就要有相應(yīng)的動作。鼠標

24、單擊或鍵入信息是一個事件，如果matlab 程序運行相應(yīng)的函數(shù)，那么matlab函數(shù)肯定會有所反應(yīng)。例如，如果用戶單擊一按鈕，這個事件必然導(dǎo)致相應(yīng)的matlab語句執(zhí)行。這些相應(yīng)的語句被稱為回應(yīng)。只要執(zhí)行GUI 的單個圖形組件，必須有一個回應(yīng)。第二節(jié) 自動控制原理實驗簡介自動控制理論課程是自動化專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課（主干課程），課程內(nèi)容豐富，覆蓋的知識面廣。它是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強的工程科學(xué)。自動控制理論課程實驗課的主要任務(wù)是通過實驗，使學(xué)生在掌握自動控制的基本原理及必要的現(xiàn)代控制理論方面的基礎(chǔ)知識，熟練掌握各種分析方法，了解各種校正方法設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，加強對控

25、制理論的理解和認識，將理論與實踐有機地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生一定的實際動手能力、分析問題及解決問題的能力，使理論教學(xué)效果得到有效的鞏固與提高。自動控制理論實驗課的內(nèi)容包括難度較小的驗證性實驗，有難度較大的設(shè)計性實驗，還有適合做課程設(shè)計的綜合性實驗。實驗方式有模擬實驗，數(shù)字實驗，有仿真實驗，有實際系統(tǒng)實驗，還有目前控制界最流行的MATLAB及SIMULINK仿真實驗。實驗的基本要求為： 1、熟悉模擬電路，學(xué)會獨立觀察、分析實驗現(xiàn)象，記錄、測取數(shù)據(jù)，并整理、繪制、分析實驗結(jié)果；2、要求學(xué)生計算實驗電路中的校正裝置；3、正確使用儀器，掌握示波器的應(yīng)用；4、掌握數(shù)字仿真的基本方法及仿真軟件MATLAB的應(yīng)

26、用。虛擬實驗室里共搭建了課本要求的六個實驗：一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，二、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) ，三、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，四、系統(tǒng)頻率特性的測試，五、控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，六、采樣實驗。這六個實驗從簡單到復(fù)雜貫穿自動控制原理的應(yīng)用和發(fā)展，控制精度和控制要求隨著歲月的推移取得日新月異的成績，空前大步發(fā)展，邁向高峰。也正是因為有自動控制原理的發(fā)展作為基礎(chǔ)，社會各行各業(yè)的發(fā)展也空前高漲，國防、航空、醫(yī)療、船舶、工礦等行業(yè)都在發(fā)生顛覆性的變革和進步，成績喜人。第三節(jié) 虛擬實驗室總體結(jié)構(gòu)虛擬實驗室立足于自動控制原理，應(yīng)用具有強大功能且簡單易懂的MATLAB軟件搭建虛擬實驗平臺，幫助老師在教學(xué)工作中更有效的順利

27、完成教學(xué)工作，使學(xué)生在有限的時間里高效率的掌握知識，為今后社會的進步和祖國的建設(shè)添磚加瓦，成為社會的棟梁之才奠定扎實的理論基礎(chǔ)。虛擬實驗室技術(shù)是虛擬實現(xiàn)應(yīng)用研究就的重要載體。隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，人們開始認識到虛擬實驗室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值，它除了可以輔助高校的科研工作,在實驗教學(xué)方面也具有如利用率高,易維護等諸多優(yōu)點.近年來,國內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了一些虛擬實驗室。虛擬實驗室進駐高校和科研機構(gòu)已經(jīng)是不容懷疑的趨勢和發(fā)展的必然要求。 對于國內(nèi)教學(xué)型虛擬實驗室的建設(shè),有關(guān)部門提出如下幾點建議：1、用“平民化”的技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)型虛擬實驗室的建設(shè)和應(yīng)用；2、更新實驗教學(xué)觀念,重

28、新認識虛擬實驗室；3、切合實際，合理選擇開發(fā)技術(shù)。 基于以上提出的三點建設(shè)性意見，本虛擬實驗室結(jié)合教學(xué)實際和科學(xué)研究的需要，采取三三結(jié)合的方法搭建了既滿足課本實驗要求又能用于佐證教學(xué)研究的虛擬實驗室平臺，旨在為教育事業(yè)能更好、更快、更穩(wěn)的向前發(fā)展而架橋鋪路。虛擬實驗室由三大部分組成：軟件介紹、課本實驗和演示實驗。其結(jié)構(gòu)圖如下：通過軟件介紹，我們能了解虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)功能。課本實驗和演示實驗是虛擬實驗室的重要組成部分，其中課本實驗部分是針對課本教材里要求的實驗項而為學(xué)生量身制作的，它能滿足不同層次的學(xué)生在做實驗時的需求，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力。演示實驗是為了滿足教師授課時圖

29、文并茂呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生簡潔明了、興趣濃厚地吸收知識。第三章 自動控制原理虛擬實驗室的實現(xiàn)在第二章第三節(jié)虛擬實驗室的總體結(jié)構(gòu)里，我們已經(jīng)了解到虛擬實驗室由三大部分組成：一、軟件介紹、二、課本實驗和三、演示實驗。其中課本實驗主要包括六個實驗：1、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，2、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) ，3、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，4、系統(tǒng)頻率特性的測試，5、控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，6、采樣實驗。演示實驗主要由八個緊貼課本內(nèi)容且能反映自動控制原理發(fā)展過程和趨勢的演示實驗組成，這八個演示實驗是：1、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，2、線性系統(tǒng)時域響應(yīng)的分析，3、繪制系統(tǒng)的根軌跡及零、極點分布圖，4、系統(tǒng)的頻域分析，5、線性系統(tǒng)

30、的校正，6、采樣控制系統(tǒng)，7、非線性系統(tǒng)仿真，8、平穩(wěn)隨機信號作用下線性系統(tǒng)的仿真。這六個課本實驗和八個演示實驗從簡單到復(fù)雜，對自動控制原理的滲透逐漸加深。六個課本實驗和八個演示實驗的實驗界面都是利用MATLAB的圖形界面GUI創(chuàng)建，實驗的圖形演示及仿真模型利用simulink建立，部分函數(shù)圖形的繪制利用M函數(shù)編寫成M文件，需要用到時直接在GUI的圖形界面里調(diào)用即可。在此，我們的軟件制作采用先總后分的方式，先介紹制作進入實驗系統(tǒng)的GUI通道界面，然后再制作進入各個實驗的GUI界面，最后介紹各個實驗的組成部分的制作。由于六個實驗的搭建大同小異，我們在這里詳細介紹實驗三、實驗五的編程制作，以達到舉

31、一反三的目的。第一節(jié) 界面我們都知道GUI是界面交互的優(yōu)選工具，因此引入通道和實驗項目的選擇界面及操作通道采用GUI創(chuàng)建，能達到事半功倍的效果；鑒于演示實驗中各函數(shù)的復(fù)雜多變和便于教學(xué)，演示實驗采用M-文件編寫，這樣也使得GUI圖形界面調(diào)用M-文件變得更順利；為了學(xué)生能更直觀的圖文結(jié)合理解自動控制原理的精髓，我們用MATLAB的command windows（命令工作空間）顯示函數(shù)執(zhí)行的結(jié)果和各實驗中與實驗仿真圖形相對應(yīng)的傳遞函數(shù)，通過對比參照，加深理解實驗內(nèi)容，在掌握課本知識的基礎(chǔ)上真正達到舉一反三。接下來我們先介紹怎么利用GUI創(chuàng)建進入通道和操作界面的方法?？v觀進入通道和操作通道，凡是用G

32、UI圖形工具創(chuàng)建的通道或是界面都有一個共同的步驟就是圖形界面的背景設(shè)置，在此基礎(chǔ)上才是static text鍵（靜態(tài)文本，主要是實現(xiàn)各項不能更改的信息）和push button鍵（功能鍵）等其它鍵的設(shè)置，因此，在接下來的篇幅里我們先介紹頁面的背景設(shè)置，繼而再圖后進。點擊MATLAB的桌面快捷方式圖標，直接啟動MATLAB軟件，或者運行MATLAB的安裝目錄的快捷起動圖標，啟動MATLAB軟件。啟動后的MATLAB操作界面的默認情況（Default Desktop Layout）下有3個上層窗口：指令（命令）窗口（Command Window），工作空間瀏覽器窗口（Workspace Brows

33、er）和歷史指令（命令）窗口（Command Hisdory），如下圖所示：在指令（命令）窗口（Command Window）內(nèi)輸入GUIDE命令，按下回車鍵，打開如下對話框：點擊OK，即可打開GUIDE的空白操作界面，默認名為untitled.fig，在GUIDE的設(shè)計編輯區(qū)layout area，拖入一個static text鍵到設(shè)計區(qū)，選中static text鍵，拖拽其邊沿覆蓋整個設(shè)計區(qū)layout area，點擊右鍵，選中彈出菜單中的send to back設(shè)為低層，雙擊打開其property inspector屬性檢查器，將string欄修改為空白，BackgroundColor背

34、景顏色欄修改為淡綠色（可以根據(jù)個人愛好，修改為任意顏色），其它欄的屬性不變，這樣就完成背景顏色的設(shè)置。接下來我們繼續(xù)介紹static text鍵（靜態(tài)文本）文字的顏色和字體大小的的設(shè)置。拖入一個static text鍵到GUIDE的設(shè)計編輯區(qū)layout area內(nèi)，雙擊打開其property inspector屬性檢查器，將他們的BackgroundColor背景顏色欄修改為淡綠色，在ForegroundColor欄把字體的顏色改為自己喜歡的顏色，在FontSize字體大小欄把字號改為40或者自己中意的大小字體，string改為需要顯示的文本文字，其他項屬性保持不變。關(guān)于push butto

35、n鍵（功能鍵）的屬性設(shè)置除返回函數(shù)call back欄外，其余的基本上與static text鍵的相同。在此，我們著重介紹返回函數(shù)call back欄的設(shè)置。點擊GUIDE的設(shè)計編輯區(qū)layout area內(nèi)任一push button鍵，雙擊打開其property inspector屬性檢查器，選中Callback欄。將其修改為需要調(diào)用的文件夾名稱或是需要執(zhí)行的命令，例如修改為“close”，則按下該按鈕時執(zhí)行關(guān)閉命令，關(guān)閉頁面。按鈕顯示的名稱設(shè)置一項在string欄修改，名稱可以根據(jù)需要自行定義，它主要是起到引導(dǎo)性的作用，方便理解和操作的連貫。完成編輯后，按下保存運行按鈕，改為文件名，保存在

36、指定的文件夾下，即完成相應(yīng)的設(shè)置。在理解和熟練掌握頁面背景顏色、文本、返回函數(shù)的設(shè)置后，我們再來創(chuàng)建引入通道和操作界面就顯得輕車熟路，易如反掌了。首先，我們來建立引入通道，打開MATLAB軟件，在工作命令窗口（Command Window）內(nèi)鍵入GUIDE命令，然后按下回車鍵，打開GUIDE Quick start 窗口對話框，選擇Blank GUI(Default)行，點擊OK按鈕，打開GUI的編輯窗口，按照前面所述的方法設(shè)置背景顏色，之后拖入三個Static Text 鍵、兩個Push Button鍵到設(shè)計區(qū)（layout area），選中一個Static Text 鍵，雙擊該鍵打開屬性瀏

37、覽器，將BackgroundColor背景顏色欄改為紫色或是自己喜歡的顏色，F(xiàn)ontSize字體大小欄把字號改為40號字體， String字符串欄把字符修改為“自動控制原理虛擬實驗室”，將其拖放在頂端的適當(dāng)?shù)奈恢眉纯?。然后用同樣的方法分別修改另外兩個Static Text 鍵的屬性，一個顏色仍為紫色，字體為30號，String字符串欄把字符修改為“歡迎你來到虛擬實驗室 更多精彩請點擊”放置在頁面的中間。另一個的顏色改為紅色，字體為15號，String字符串欄把字符修改為“河南城建學(xué)院電氣系自動控制教研室”放置在頁面中偏下位置。至于兩個功能按鈕Push Button鍵的背景顏色改為淺綠色，字體為

38、15號、紅色，將其中一個的string改為“成功從這里開始” ，callback欄的返回函數(shù)改為“shiyan”（shiyan是一個界面的名稱，在此是利用返回函數(shù)調(diào)用名為shiyan的界面），放置在頁面編輯區(qū)的中下位置。另一個Push Button鍵的string修改“退出”，callback欄的返回函數(shù)修改為“close”（colse是關(guān)閉命令），放置在頁面編輯區(qū)的右下角，整觀頁面效果，適當(dāng)調(diào)整各鍵的位置，使頁面顯得美觀大方，完畢后，按運行保存即可，保存時將文件名修改為“l(fā)abshiyan”（命名為labshiyan是為了以后打開通道時方便快捷） ，保存在指定的文件夾下。制作好的引入通道界面

39、如下如所示：利用相同的方法，我們制作一級操作通道界面，由于靜態(tài)文本static text鍵的設(shè)置基本相同，我們在此就不再累述，一級操作通道有四個Push Button鍵，其中三個是調(diào)用文件返回函數(shù)按鈕，一個返回執(zhí)行關(guān)閉按鈕，在此著重于介紹三個功能按鈕Push Button鍵的返回函數(shù)的設(shè)置。軟件介紹返回調(diào)用函數(shù)callback是“shiyan0”，shiyan0是利用M-文件編寫的函數(shù)，介紹虛擬實驗室的大體結(jié)構(gòu)和功能。課本實驗的返回調(diào)用函數(shù)callback是“shiyan00”，shiyan00是二級操作通道界面，在后續(xù)的章節(jié)中我們將會詳細介紹。演示實驗的返回調(diào)用函數(shù)callback是“shi

40、yan000”，shiyan000也是二級操作通道界面，它是一個中間性的連接通道，在后面的章節(jié)里我們再詳細介紹它的制作。按照上述步驟和方法，制作出的界面如下：通過二級操作界面我們就可以很順利的進入三級操作系統(tǒng)界面，本章的二、三節(jié)我們就專一介紹二級操作界面課本實驗和演示實驗。第二節(jié) 課本實驗的實現(xiàn)通過前面章節(jié)的介紹我們已經(jīng)知道，課本實驗主要包括六個實驗：1、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，2、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) ，3、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，4、系統(tǒng)頻率特性的測試，5、控制系統(tǒng)串聯(lián)校正，6、采樣實驗。每個實驗都分為七個部分：（1）、實驗?zāi)康?，?）、實驗設(shè)備，（3）、實驗內(nèi)容，（4）、實驗報告，（5）、實驗要

41、求，（6）、仿真模型，（7）、圖形演示。由于六個實驗的這七個部分中除（6）外其余的制作方法基本上都是采用GUI制作的，所以制作方法與前面介紹的界面制作方法大同小異，只是更改相應(yīng)的文本內(nèi)容和功能按鈕的返回函數(shù)調(diào)用文件名稱即可，因此也就不再重復(fù)。仿真模型的引入通道我們是采用GUI制作的，仿真模型的呈現(xiàn)我們采用simulink模塊制作，這兩者的結(jié)合使用，使仿真模型的圖形可視化效果大大增強，收效頗豐。在此我們也采用循序漸進的方法一一介紹仿真模型的制作過程和結(jié)果。首先，我們來介紹操作界面。前面我們已經(jīng)介紹過操作界面的建立，而二級操作界面的建立方法與一級操作界面的建立有如同出一轍，所以我們也就不再花過多的

42、篇幅介紹啦，二級操作界面分為課本實驗和演示實驗，建立后的界面如下：從界面可知，自動控制原理實驗虛擬實驗室的課本實驗部分共包括六個實驗，點擊每一個按鈕就能直接進入相應(yīng)的實驗項進行實驗，六個實驗的順序是從簡單到復(fù)雜，我們選取實驗3作為例子介紹它們的制作過程。我們先來介紹實驗3的界面，利用界面制作的方法，參照實驗指導(dǎo)書即可制作出實驗3的界面如下：界面里有七個選項按鈕：實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗內(nèi)容、實驗報告、實驗要求、仿真模型和圖形演示。每一個按鈕都連接相應(yīng)的實驗內(nèi)容，除仿真模型外，其余幾個都是預(yù)先做好供學(xué)生瀏覽和對比參照的文本或是圖形，制作起來相對簡單，所以這里著重介紹仿真模型的建立。仿真模型是交互

43、性的界面，學(xué)生可以通過仿真模型自己調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，實現(xiàn)仿真模型的多樣性和兼容性，為學(xué)生證明原理和繼續(xù)探索知識提供了一個良好的平臺，接下來我們詳細介紹其制作過程。我們采用simulink來創(chuàng)建仿真模型，首先，打開MATLAB軟件，其后運行simulink，運行simulink有三種方式：（1）在MATLAB的命令窗口直接鍵入simulink；（2）點擊MATLAB的工具條上的simulink的快捷圖標；（3）在MATLAB的菜單中，選擇FileNewModel。按照上述三種方法操作會彈出如圖所示的新建的模型窗口，名為uititled。打開新建的模型窗口后根據(jù)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖來搭建二階系

44、統(tǒng)的階躍響應(yīng)的仿真模型，結(jié)構(gòu)圖如下：由結(jié)構(gòu)圖可查找所需的模塊，階躍信號step模塊在sources模塊庫里， Sum模塊在math operations模塊庫里，連續(xù)性transfer fcn在continues模塊庫里，常數(shù)增益gain在math operations模塊庫里，示波器scope在sinks模塊庫里。參考實驗內(nèi)容里的相關(guān)要求，修改模塊的各個參數(shù)，檢查無誤后按圖連接各模塊，并把輸入輸出之間的模塊都選中，在選中的區(qū)域范圍內(nèi)點擊鼠標右鍵，選中create subsystem封裝子模塊，在simulink環(huán)境中，所謂封裝（masking），就是將其對應(yīng)的子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱含起來，以便訪問

45、該模塊時只出現(xiàn)一個參數(shù)設(shè)置對話框，將模塊中所需要的參數(shù)用這個對話框來輸入。首先用建立子系統(tǒng)的方式將其轉(zhuǎn)換為子系統(tǒng)模塊，選中該系統(tǒng)模塊的圖標，再選擇editmask subsystem子菜單項，則打開mask editor：subsystem對話框。其框圖如下：選中封裝程序的parameters標簽得到編輯變量的對話框，其中間的區(qū)域可以編輯變量與對話框之間的聯(lián)系。按下增加按鈕圖標和刪除按鈕圖標來指定和刪除變量名，連續(xù)按三次增加按鈕指定三個變量名，在prompt下依次輸入定值電阻R、定值電阻R2和電容C，有關(guān)variable和type項根據(jù)實驗指導(dǎo)書中實驗內(nèi)容設(shè)定，也可根據(jù)需要自行設(shè)定。在這里va

46、riable下的內(nèi)容我們直接填寫變量名和參數(shù)名即可，type是參數(shù)的類型，電阻R設(shè)為edit類型，可以自由輸入變量。定值電阻R2和電容C設(shè)為popup型，可在下拉可選項里選擇需要的數(shù)值或是參數(shù)。定值電阻R2的值設(shè)為100e3，電容C的值設(shè)為1e-6和0.1e-6以作選擇，設(shè)置完畢后點擊OK即可。增益K在math operationgs模塊庫中，選擇silder gain型增益模塊，選中該模塊，點擊右鍵選中make parameters項，彈出如下對話框：在對話框的相應(yīng)欄里，將Low設(shè)為0，Gain設(shè)為500，High設(shè)為500，設(shè)置好后點擊OK即完成滑動條的參數(shù)增益設(shè)置。以后在仿真模型中就可以

47、在0500之間任意取值。建好后的系統(tǒng)仿真模型如下：如果實驗中需要修改部分的子模塊的參數(shù)，則雙擊該模塊，就會彈出如圖所示對話框：在對話框里可以輸入和選擇參數(shù)，為實驗的求證和探索提前做好準備。如果想查看系統(tǒng)的子模塊，則選中封裝模塊，點擊右鍵，選中"look under mask"即可。仿真模型建好后，保存文件名為“shiyan37”在指定文件夾下，運行系統(tǒng)查看系統(tǒng)的仿真結(jié)果，運行系統(tǒng)的仿真模型時，單擊菜單欄的simulink，并選中下拉菜單中的start，或者雙擊工具欄的運行按鈕圖標，然后雙擊示波器就能查看實驗的波形圖及相關(guān)的實驗信息。運行仿真模型時，可反復(fù)多次調(diào)節(jié)參數(shù)在不同值

48、下系統(tǒng)的仿真模型結(jié)果。第三節(jié) 演示實驗的實現(xiàn)演示實驗的操作通道界面建立方法與課本實驗界面的建立方法基本相同，只是文本內(nèi)容稍有差異，這在前面已有介紹，所以在此直接給出演示實驗建立好的界面，有不明白的地方可參照課本實驗操作界面的建立回顧相關(guān)的知識要點。演示實驗的操作界面如下：演示實驗包括：1、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)，2、線性系統(tǒng)時域響應(yīng)的分析，3、繪制系統(tǒng)的根軌跡及零、極點分布圖，4、系統(tǒng)的頻域分析，5、線性系統(tǒng)的校正，6、采樣控制系統(tǒng)，7、非線性系統(tǒng)仿真，8、平穩(wěn)隨機信號作用下線性系統(tǒng)的仿真，一共八個演示實驗，演示實驗從我們生活中經(jīng)常接觸到得典型環(huán)節(jié)開始，逐漸深入，有線性系統(tǒng)實驗的演示，也有非線性

49、的演示，每個實驗都緊扣課本內(nèi)容，與課本實驗緊密照應(yīng)，起到引領(lǐng)和印證的作用，為老師授課和學(xué)生預(yù)習(xí)開拓了方便之門，在興趣的牽引下主動學(xué)習(xí)。八個演示實驗中以“6、采樣控制系統(tǒng)”有承上啟下的作用，且其制作方法基本涵蓋了其余幾個實驗的制作方法，所以，以采樣控制系統(tǒng)演示實驗為例介紹演示實驗的制作方法和過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中能窺一斑而見全豹。演示實驗的制作采用GUI圖形界面工具和M-文件相結(jié)合來完成的，GUI主要用于建立操作界面，起到選擇演示的引入作用，采樣控制系統(tǒng)的引入操作通道界面如下：從界面可以看出采樣控制系統(tǒng)演示實驗共由1、離散系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，2、采樣系統(tǒng)對100點噪聲的隨機響應(yīng)，3、輸入方波信號時系

50、統(tǒng)的響應(yīng)，4、系統(tǒng)的根軌跡，5、采樣周期為T=1s采樣系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，這五個單一的演示實驗組成，五個演示實驗中包括離散信號、信號的采集，系統(tǒng)根軌跡等內(nèi)容。 在此的每個單一演示實驗都采用M函數(shù)編寫命令，利用M函數(shù)編寫函數(shù)便于修改，且能很輕松編寫復(fù)雜的函數(shù)，下面就介紹離散系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的M函數(shù)的編寫：%離散階躍響應(yīng)%分析離散系統(tǒng)函數(shù)的第一個字母為d，如求采樣系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的函數(shù)為%dstep，%以示與連續(xù)系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)step區(qū)別。num=2,-3.4,1.5; %分子各階次系數(shù)den=1,-1.6,0.8; %分母個階次的系數(shù)dstep(num,den) %離散的階躍響應(yīng)title(&

51、#39;離散階躍響應(yīng)') %標題文本顯示printsys(num,den); %顯示傳遞函數(shù)grid %柵格%end%編寫完畢后，才菜單欄選擇Debug的下拉菜單選項的Run，或使用快捷鍵F5，%將文件取名為“shiyan6810”保存在在制定文件夾下，以便上級調(diào)用。以上是離散系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的M函數(shù)文件的編寫，編寫命令中的%是注釋作用，不是命令，在執(zhí)行文件的命令時不執(zhí)行以%開頭的行的命令。Dstep為執(zhí)行離散階躍響應(yīng)命令，分析離散系統(tǒng)函數(shù)的第一個字母為d，即在線性系統(tǒng)命令之前添加d。采樣系統(tǒng)對100點噪聲的隨機響應(yīng)是采樣隨機響應(yīng)的特殊例子，當(dāng)然也可以對200點或是其它值。編寫的M函數(shù)

52、文件命令如下：%采樣系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)%系統(tǒng)對100點隨機噪聲的響應(yīng)，求采樣系統(tǒng)在任意輸入下的輸出響應(yīng)，%使用函數(shù)dlsim(num,den,u)。num=2,-3.4,1.5; %分子各階次系數(shù)den=1,-1.6,0.8; %分母個階次的系數(shù)u=rand(100,1); %100點噪聲信號dlsim(num,den,u) %離散系統(tǒng)單位斜坡時間響應(yīng)printsys(num,den); %顯示傳遞函數(shù)%end%編寫完畢后，才菜單欄選擇Debug的下拉菜單選項的Run，或使用快捷鍵F5，%將文件取名為“shiyan6820”保存在在制定文件夾下，以便上級調(diào)用編寫的命令中“u=rand(100,1);