基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台开发毕业论文.docx
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基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台开发毕业论文
毕业论文声明
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除了特别加以标注地方外,本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。
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年月
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日期:
指导教师签名:
日期:
本科生毕业论文(或设计)
(申请学士学位)
论文题目基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验
平台开发
Abstract1
1.3本文的任务和要求3
1.3.1本文任务3
1.3.2本文要求3
2自动控制原理虚拟实验平台总体概述及其实现工具介绍3
2.1MATLAB工具介绍3
2.2Simulink工具简单介绍4
2.3GUI简单介绍与可视化接口环境4
2.3.1GUI概念介绍4
2.3.2GUI图形用户界面的打开5
2.4自动控制原理简单介绍7
3虚拟实验平台总体概述7
3.1虚拟实验平台设计原则7
3.2虚拟实验平台设计界面模块结构及功能7
3.2.1平台模块结构7
3.2.2平台功能8
4自动控制原理实验在虚拟实验平台的实现9
4.1平台界面的总体要求9
4.2主界面的设计9
4.3线型系统时域分析界面13
4.3.1时域分析法的介绍13
4.3.2时域分析界面的设计14
4.4线型系统根轨迹分析界面17
4.4.1根轨迹法的介绍18
4.4.2根轨迹界面的设计18
4.5线性系统频域分析界面19
4.5.1频域法的介绍19
4.5.2频域分析界面的设计20
4.6控制系统校正实验界面22
4.6.1控制系统校正介绍22
4.6.2控制系统校正实验界面的设计22
5结论25
参考文献26
附录127
致谢55
基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台开发
摘要:
自动控制原理是高等工科院校自动化专业非常重要的一门专业基础课。
随着现代科学技术的飞速发展和人类社会工业化的推进,自动控制原理和技术已经在宇宙航空、机器人操作、环境治理、核能研究等高科技领域的应用越来越广泛,成为了人类社会和人们生活中不可或缺的一部分。
在理论的学习中,由于理论概念太过抽象、计算量大等难题,给现代教学和学生学习带来了诸多的不便,而实验课对相关的实验课程和理论作出严谨的科学演示、分析以及论证,大大地提高了学生对自动控制理论的理解,但传统实验课由于受到实验资源不足、设施简单、仪器误差较大等原因,为教学实施带来了影响,因此,我们利用MATLAB中的图形用户界面设计功能(GUI)建立虚拟实验平台来研究自动控制原理,不仅提高了实验教学的效率,改善了实验精度,而且大大提高了学生的学习热情和增强了处理问题的能力。
关键词:
自动控制原理,MATLAB,虚拟实验平台,GUI
VirtualExperimentPlatformDevelopmentofAutomaticControlPrincipeBasedonMATLAB
Abstract:
Automaticcontroltheoryisaveryimportantprofessionalbasiccourseofautomationmajorinengineeringcolleges.Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtheindustrializationoftechnologyandhumansociety,automaticcontroltheoryandtechnologyhasbeenappliedinthefieldofhightechnology,robot,aerospace,nuclearenergyandotherenvironmentalgovernanceresearchmorewidely,whichhasbecomeanintegralpartofhumansocietyandlife.Inthetheoreticalstudy,thetheoryistooabstract,whichbringsalotofinconveniencetothemodernteachingandlearning.Thetherelatedexperimentalcoursesandtheorytakemanyanalysisanddemonstration,whichgreatlyenhancethestudents'understandingofthetheoryofautomaticcontrol.Duetotheexperimentalresources,simplefacilities,instrumenterrorandotherreasons,thetraditionalexperimentalteachingimpacttheimplementationofteaching.WestudytheprincipleofautomaticcontrolofthevirtualexperimentplatformbasedongraphicaluserinterfacedesignedinMATLAB,whichnotonlyimprovestheefficiencyofexperimentteachingandtheaccuracyoftheexperiment,butalsogreatlyenhancetheenthusiasmofstudentsandtheabilitytodealwithproblems.
Keywords:
AutomaticControlTheory,MATLAB,VirtualExperimentalPlatform,GUI
1绪论
1.1本文研究背景
对于大学生而言自动控制原理是大学阶段的自动控制工程、机器自动控制操作、物流设备工程等专业的重要的专业基础课程,涉及到自动控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的相关基本理论和相关技术设计。
它的典型特点是概念比较抽象,数字含量巨大,计算相当复杂,从而导致学生比较难于理解和消化,实验是理解和消化相关课程内容的非常重要的途径。
目前相当多的大学高校的实验教学仍处于传统模拟实验阶段,通过利用集成封闭的传统实验箱,将相应的有源网络模块整个连接成了典型环节和系统,然后施加典型信号,通过示波器仔细观察实验结果。
然而对于这种实验方法仍存在明显不足,比如说
(1)实验室的实验箱集成度很高,从而让学生对实验目的和实验计划出现盲目性,所以很容易导致损坏仪器设备。
(2)学生的理论性知识和实验动手操作是互相分开的,导致了学生缺乏主动性学习和创造性性学习。
(3)因为元件的非线性等一些元素,导致了实验结果与理论知识差异较大,相距甚远。
为了改变这种现象,我们通过利用MATLAB中的具有可视化编程能力的图形用户界面(简称GUI)和控制系统工具箱中的有关的丰富的库函数等,开发出了基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台。
1.2本文的选题意义
自动控制原理虚拟实验平台就是把真实的相关的自动控制环节、系统和数学建模有机地结合的一个实验操作平台。
学生不仅可以在平台上修改相关的实验参数、改变相关的输入信号、观察相应的响应情况,同时还可以观察数学模型的具体的变化情况。
MATLAB是面对科学计算的高性能可视化编程仿真软件,GUI是一种的图形用户界面。
通过MATLAB/GUI设计和开发自动控制原理虚拟实验平台,不但能很好地解决传统实验存在的问题,加深对自动控制原理理论课程内容的理解,更能使学生摆脱复杂的数学公式,对新知识产生浓厚的探索兴趣。
在设计过程中,我通过查阅相关的资料,增强了自己的自我学习能力和思考能力,同时通过向老师和同学的虚心求教,增强了自己的沟通能力。
1.3本文的任务和要求
1.3.1本文任务
本次毕业设计研究的任务是基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台的实现,简单的要求是用MATLAB中的GUI建成一个可视化的图形开发平台,在这个平台上去实现自动控制原理各个实验要求和实验功能,验证实验原理。
1.3.2本文要求
通过自动控制原理虚拟实验平台实现线型系统的时域分析、线性系统的根轨迹分析、线型系统的频域分析、控制系统的串联校正实验,然后重点介绍线性系统的时域分析的具体的原理、方法、实现的功能、实验操作过程以及仿真图形。
2自动控制原理虚拟实验平台总体概述及其实现工具介绍
2.1MATLAB工具介绍
我们在设计自动控制原理虚拟实验平台的时候需要用到MATLAB设计工具,以此搭建我们所想要的虚拟实验平台,为了对后面更好地的设计与实验,我们需要了解MATLAB的发展历史以及它的功能,掌握软件的实际操作原理。
在20世纪80年代以来,为了研究某种问题,各种计算机语言接连出现,当然,在数学研究当中,为了更好地更方便地数值计算、科学研究、工程计算等其他方面,MATLAB软件应运而生。
MATLAB是由美国人MathWorks公司推出,是MATrixLABoratory的缩写,中文名称是矩阵实验室。
自推广以来,得到了社会上的普遍认同以及广泛的应用,发展至今推出了各种版本,里面的功能越来越丰富和强大,同时它的语言易于掌握,所以深受各大高等学校的喜爱以及科学研究人员的使用,尤其在欧美高校,MATLAB软件的使用成为了学生的必备的学习技能。
毋庸置疑,MATLAB的功能相当强大,可以用于数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真以及图形处理,同时具有内容强大的工具箱进行设计开发。
MATLAB是一个具有很强的开放性软件,除了可以利用的内部函数外,我们可以自己对里面的源文件进行修改或者可以加入自己编写好的文件进行设计使用。
2.2Simulink工具简单介绍
Simulink是MathWorks软件公司在1990年推出来的,它是实现控制系统进行构造模型、仿真设计和分析的软件包,简单来说就是MATLAB软件功能的一种拓展,它提供了不同功能的基本系统模块,我们只要知道这些模块的输入、输出以及它的功能,而不必知道各种模块的里面具体的功能与实现,只要通过各种模块的调用与连接就能构造出我们所需要的系统模型,文件存储形式以.mdl形式存取,最后我们可以基于此进行方针与分析。
对于简单的控制系统来说,我们可以利用相关的函数和相关的线性方程进行求解,但对更为复杂的系统来说,我们之前的方法就不可以实现了,所以则必须使用Simulink进行仿真与分析。
2.3GUI简单介绍与可视化接口环境
2.3.1GUI概念介绍
由菜单、窗口、对话框等各种图形元素构成的用户界面被叫做图形用户界面,英文名称是GraphicalUserInterface,简称GUI。
它是计算机与用户进行信息交流的窗口和平台,在自动控制原理虚拟实验平台设计当中它赋予着主要设计工作。
对于GUI操作应该是易于理解的便于操作的,当我们点击某项操作的时候,用户图形界面就已经开始了它的功能操作。
MATLAB作为一款强大的科学计算软件,同时也提供了图形用户界面设计的功能,它包括了三类图形用户界面对象,包括用户界面控件对象、下拉式菜单对象和快捷菜单对象。
根据我们所想要的图形用户界面对象,我们可以设计出界面非常友好、操作相当方便的图形用户界面。
在MATLAB软件中,为GUI开发提供了一个非常方便且高效的集成开发环境GUIDE。
GUIDE主要是一个界面设计工具集,所有GUI设计都被MATLAB支持在这个集成的环境中。
GUIDE将所有设计好的GUI设计模型保存在一个.fig文件当中,并且同时生成了.m文件,对于.fig文件设计,它包括了GUI图形窗口以及图形窗口对象,对于.m文件而言,它包括了GUI设计、控制函数及其定义为子函数的用户控件回调函数。
GUIDE在GUI设计过程中直接自动生成了.m文件框架,它所具有的优点如下:
(a).m文件在.fig文件生成的同时就已经生成了一些必要的代码。
(b)管理图形对象句柄并执行回调函数的子程序。
(c)支持自动插入回调函数原型。
(d)提供了管理全局变量的便利途径。
2.3.2GUI图形用户界面的打开
在MATLAB中打开GUI可以以下的操作方法
(1)选择菜单栏上的“File”选项,再选择“New”选项,最后得到“GUI”命令。
(2)在命令窗口(commendWindows)当中输入“Guide”命令或者输入“GuideFilename”,同样可以打开可视化接口。
(3)选择菜单栏上的“GUIDE”快速启动按钮,可以直接打开界面。
MATLAB软件为GUI图形用户界面设计总共准备了4种模板,包括BlankGUI(默认)、GUIwithUicontrols(带控件对象的GUI模板)、GUIwithAxesandMenu(带坐标轴与菜单的GUI模板)与ModalQuestionDialog(带模式问话对话框的GUI模板)。
如下图
图2-1GUI的初始化界面
如果没有设计好的可视化图形文件,我们要选择空白的可视化文件,即BlankGUI(空白),然后点击OK按钮,就会显示出GUI设计窗口,如下图2-2。
图2-2GUI设计窗口
从GUI设计窗口可以看出,共有五个设计工具,它们分别是:
(a)对象属性查看器(Property):
可以查看每个对象的属性值,同时可以修改设置对象的属性值。
(b)菜单编辑器(MenuEditor):
对下拉式菜单进行创建、设计和修改。
(c)位置调整工具(AlignmentTool):
多个对象通过该工具左右、上下进行位置进行调整。
(d)对象浏览器(ObjectBrowser):
可以观察当前设计阶段的各个句柄图形对象。
(e)Tab顺序编辑器(TabOrderEditor):
通过该工具,设置当按下键盘上的Tab键时,对象被选中的先后顺序。
通过控件的布局,相应的生成了m函数文件,对于空间的性能,我们可以通过在回调函数里面进行相应的修改,以达到自己的要求,通过这样的方法可以很方便的设计出友好的,简洁的,功能强大的图形界面。
2.4自动控制原理简单介绍
随着计算机技术的飞快的发展和广泛的应用,自动控制原理理论和技术在宇宙航空、机器人控制、导弹制导卫星发射和核能等高科技领域方面的应用越来越广泛。
同时自动控制原理技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境等生活中的其他领域,成为人们生活当中不可或缺的一部分。
随着人类社会的进步和人们生活水平的提高,自动控制原理技术必将在人类的未来当中对于人类去认识自然改造自然发挥着难以想象的作用。
所以对于一个工程技术人员,学习自动控制原理有关的知识有必要的。
同时大学阶段的学习已经把自动控制原理当作一门专业基础课程,尤其是电气自动化、电力系统、船舶与海洋工程等相关的专业都已经开设了这门课程。
自动控制原理的主要内容包括控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析发以及控制系统校正与综合等方面知识。
它们大都将在这个虚拟实验平台得以实现与研究分析。
3虚拟实验平台总体概述
3.1虚拟实验平台设计原则
本次所设计的虚拟实验平台是基于MATLAB7.0以上的版本所开发出来的,在整个设计当中,为了更好地让大家看清整个的设计流程,我们是采用的自上而下、由上一级转到下一级而设计。
在设计过程中,我们首先要确定一个总体框架,然后我们再确定好我们要研究的几个实验原理项目作为这个框架的子系统,之后在各个实验原理上设计两三个对应这个实验原理的功能实现、认证以及分析,在编程设计方面,我们要由下而上去设计,设计好每个部分的编程代码,最后实现一个整体虚拟实验平台的开发
3.2虚拟实验平台设计界面模块结构及功能
3.2.1平台模块结构
该虚拟实验平台设虚拟实验平台有四大部分构成,包括线型系统时域分析、线性系统频域分析、线型系统根轨迹分析以及控制系统串联校正,如下结构图:
图3-1虚拟实验平台结构图
3.2.2平台功能
该虚拟实验平台的功能是以根据生活中关于科学研究、教学活动、学生实验探究为目的所完成的,所以该平台的功能要设计成集成的、多样化的一个实验平台,具体的功能如下:
(a)虚拟实验平台输入参数形式多样化:
如传递函数输入的形式,可以任意改变分子分母的参数。
(b)虚拟实验平台绘图功能:
通过参数的设定,我们可以得到我们所想要的响应曲线或是波形图等其他仿真图形。
(c)虚拟实验平台分析功能:
比如在时域分析中我们可以得到阶跃响应性能指标(峰值时间、超调量、调节时间),在频域分析中我们可以得到谐振频率、谐振峰值、频带、零频。
(d)控制系统校正功能:
对所需要的校正的控制系统进行超前校正和滞后校正,可以得到校正前后的bode图和阶跃响应曲线以及各种性能指标。
4自动控制原理实验在虚拟实验平台的实现
4.1平台界面的总体要求
我们在设计我们所需要的界面基本上都会选择GUI作为优选工具,以达到事半功倍的效果。
该设计的虚拟实验平台包括三级界面,第一级界面就是我们的主界面,由主界面可以进入到第二级界面,包括线性系统时域分析界面、线性系统频域分析界面、线性系统根轨迹分析界面控制系统校正实验界面。
每个第二级界面都可以进入到实现它的某种功能的第三级界面,对于线型系统时域分析界面来说,它的所实现的波形图就在该界面,所以不需要再进入下一级界面面,对于线性系统频域界面来说,下一级界面包括了奈奎斯特曲线以及伯德图,对于线性系统根轨迹分析界面来说,下一级界面有开环零极点对根轨迹的影响等,对于控制系统的串联校正实验界面来说,包括了基于频域法的超前校正及基于频域法的滞后校正界面。
所以对于界面设计来说,我们是由上而下来设计的。
4.2主界面的设计
我们设计的主界面能够让用户很快地了解该虚拟实验平台的大概的功能,并且可以通过简单的操作在图形用户界面上进行程序的编写。
该界面有四个窗口空间组成组成,在各自的窗口中我们可以通过图形用户界面可以很方便的了解自动控制原理的几个典型的实验模型,下面我们来介绍主界面的设计,具体步骤如下:
首先我们点击MATLAB界面工具栏上的快速启动图标,可以直接启动一个GUIDE的集成开发环境的对话框,或者在file菜单中点击new,在点击GUI也是可以,当然了直接在命令窗口(CommandWindow)上输入GUIDE命令也是可以的,最好的启动方式还是第一种方法。
选择空白操作界面,保存文件名dianxinghuanjie.fig,则打开了一个设计界面,同时也自动生成了dianxinghuanjie.m文件。
我们在GUIDE的设计编辑区内(LayoutArea)内从工具栏上拖入一个静态文本框(StaticText),静态文本是在对话框中显示我们所需要的说明性文字,双击该控件,我们可以打开一个对象属性框,或者可以通过单击该控件点击对象属性查看器(PropertyInspector)也可以打开,选择String属性,该属性的取值是字符串,它定义了控件对象的说明性文字,写入“自动控制原理虚拟实验平台”用来给用户提供必要的提示,但用户不能在程序的执行过程种中来修改文字说明,如果要改变字体的大小粗细,可以点击FontWeight属性,它定义了字体的粗细,点击FontSize属性,它定义了字体的大小,属性的取值是数值,点击ForegroundColor属性,定了控件对象的说明性文字的颜色,其默认颜色是黑色,利用上述的方法,再点击一个静态文本框,写入“欢迎使用”。
然后选择坐标轴(Axes)控件,它是用来显示图形和图像,在这里我们要添加一张图片,我们用imshow函数来实现,在之后生成的M文件里添加imshow(’Inco\Incol.png’)这个语句,选择面板控件(Panel),再双击属性查看器,修改属性Title为“实验选择”,再调整标题文字方向位于正上中央,在拖入四个按钮控件(PushButton),按钮控件是最常用的控件对象,它的主要特征是在矩形框上加上文字说明,一个按钮只代表一种操作。
之后在String的属性下分别改成线型系统时域分析、线型系统频域分析、线性系统根轨迹分析、控制系统校正实验。
对于上面四个控件按钮我们也可以再进行菜单的建立,我们可以通过GUI设计窗口的工具栏上的MenuEditor命令按钮打开,还可以在菜单栏中点击“Tool”,再点击“MenuEdior”(菜单编辑器)。
如下图4-1,该图是已经编辑好的菜单编辑器。
图4-1设置菜单后的菜单编辑器
通过该图形我们可以看到,菜单编辑器的左上角的第一个按钮的作用是用来创建一级菜单项,第二个按钮是用来使用来创建一级菜单的子菜单,要想创建这个子菜单,我们必须要先点击一级菜单项后,选中左上角的第二个按钮来创建。
我们可以发现,创建某个菜单项后,图框的右边就会显示该菜单的相关的属性,我们可以在这里设置好我们的属性
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