自动控制原理虚拟实验室设计（毕业论文设计）

1、毕 业 设 计 论 文题目：自动控制原理虚拟实验室 的设计系 别： 电气与电子工程系专 业： 电气工程及其自动化姓 名： 学 号： 指导教师： 河南城建学院2009年 05 月 30 日河南城建学院 毕业设计（论文）任 务 书题 目自动控制原理虚拟实验室的设计系 别电气与电子工程系专 业电气工程及其自动化班级12140502学 号1214050213学生姓名罗华泽指导教师任琦梅发放日期2009年3月2日河南城建学院本科毕业设计（论文）任务书一、主要任务与目标：主要任务：完成自动控制原理虚拟实验室的设计和调试，并编写毕业设计说明书。目标：1、培养学生综合运用和所学理论知识的能力。2、培养学生分析

2、和解决实际问题的能力。3、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。二、主要内容与基本要求：主要内容：1、学习并熟悉开发设计软件MATLAB/Simulink/GUIDE2、对自动控制原理课程进行深入学习和研究，根据课程重点、难点设置实验项目。3、设计制作出自动控制原理虚拟实验软件，并进行调试。基本要求：1、设计出的虚拟实验室界面友好。2、能进行满足教学大纲要求的实验项目。3、学生能自主设置或修改实验所需的一些参数，或能进行一些设计性试验。4、操作过程中有一定的提示说明信息。5、设计调试成功后将制作的虚拟实验室所有的文件打包后拷贝给指导教师。三、计划进度：毕业设计从第5

3、周到第16周共12周时间。第5周，熟悉题目，查阅资料，调研。第6周，学习熟悉MATLAB软件。第7周，复习自动控制原理相关知识，确定实验项目和内容。第8周，设计虚拟实验室主界面。第912周，编写实验部分相关文件。第13周，编写说明信息相关文件。第14周，整理调试和检查。第15周，编写整理设计说明书。第16周，答辩。四、主要参考文献：1、薛定宇、陈阳泉，给予MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社2、魏巍，MATLAB控制工程工具箱技术手册，国防工业出版社3、薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，机械工业出版社4、夏德玲，自动控制原理，机械工业出版社指导教师（签名）：

4、年 月 日教研室审核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。）教研室主任签名： 年 月 日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定·成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业

5、答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见平顶山工学院毕业设计（论文）工作条例中附录2。五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分毕业设计（论文）成绩评定班级 姓名 学号综合成绩： 分（折合等级 ）答辩小组组长签字 年 月 日·答辩小组评定意见·一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合计（40分）完成任务

6、情 况（5分）毕业设计（论文）质量（5分）表达情况（5分）回答问题情 况（5分）质 量（正确性、条理性、创造性、实用性）（10分）成果的技术水平（科学性、系统性）（10分）答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。·指导教师评定意见·一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）： 签字： 年 月 日

7、二、对毕业设计（论文）评分按下表要求综合评定。（1）理工科评分表评分项目（分值）工作态度与 纪 律（10分）毕业设计（论文）完成任务情况与水平（工作量与质量）（20分）独 立工作能力（10分）基础理论和基本技能（10分）创 新能 力（10分）合 计（60分）得分（2）文科评分表评分项目（分值）文献阅读与文献综述（10分）外文翻译（10分）论文撰写质量（10分）学习态度（10分）学术水平（20）论证能力与创新（40分） 合 计（100分）得分 指导教师签字： 年 月 日目 录摘 要10第一章 绪论12第二章 自动控制原理虚拟实验室概述13第一节 使用工具简介13一、MATLAB简介13二、sim

8、ulink简介13三、GUI简介14第二节 自动控制原理实验简介15第三节 虚拟实验室总体结构16第三章 自动控制原理虚拟实验室的实现18第一节 界面19第二节 课本实验的实现26第三节 演示实验的实现32第四章 实验应用举例37第5章总结45附录46一、注意事项46二、中英文对照表47致 谢51参考文献52摘 要实验教学是理论教学的延伸和补充，搞好实验教学是整个自动控制理论教学过程中的重要环节。该文从教学课本实验着手，首先分析了建立虚拟实验平台的必要性，接着阐述了虚拟实验界面和仿真平台的基本结构与功能。以及关键模块的软件实现方法；最后分析了运用软件进行自动控制原理的虚拟实验的优越性。虚拟实验

9、室的基本结构分为：软件介绍、课本实验和演示实验。课本实验包含课本要求的所有实验：一、典型环节及其阶跃响应，二、二阶系统阶跃响应 ，三、控制系统的稳定性分析，四、系统频率特性的测试，五、控制系统串联校正，六、采样实验。演示实验兼具课内外实验共八个实验：一、典型环节及其阶跃响应，二、线性系统时域响应的分析，三、绘制系统的根轨迹及零、极点分布图，四、系统的频域分析，五、线性系统的校正，六、采样控制系统，七、非线性系统仿真，八、平稳随机信号作用下线性系统的仿真。这六个课本实验和八个演示实验从简单到复杂，对自动控制原理的渗透逐渐加深。关键词：自动控制；MATLAB；虚拟实验；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 绪论 “自动控制原理”是我院自动化类专业的专业基础课。该课程的特点是理论性强以及相对较抽象,以致使得学生难于理解,需要借助实验加深对课堂学习内容的理解、培养学生创新能力。我院开设的该课程实验,仍处于传统模拟实验阶段,实验时首先把系统分解成典型环节,利用实验箱,将相应的有源R

16、C网络模块连接,最后通过示波器观察实验结果。这样的实验方式,虽然具有一定的作用,但存在着一些弊端：学生在开始进行实验的时候,面对着复杂的硬件电路,往往不知所措,对控制系统的模型不是很了解,只是依据给定的电路来连接；对于控制系统的参数,不知如何调整,而是胡乱地调节电位器值和电容值,很容易造成硬件电路的损坏；更不知调整的参数对应系统的哪些具体参数,显然不会对课堂学习内容的加深理解。使得学员对实验不感兴趣； 实验设备高度集成,操作复杂,可扩展性差,另外可改参数有限,使得综合性实验难以开展；现在虽应用了虚拟示波器,但由于实验构成的基础仍是模拟电子线路,有些如频率特性等实验效果仍然不好,能够开出的实验受

17、到限制； 实验内容形式老化,不能达到实验要求和促进课程理论教学的目的；自控实验学时有限,实验室又是非开放性的,要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容,显然是很困难的。为了改变这一局面,我们利用MATLAB 中的具有可视化编程能力的图形用户界面GUI、SIMULINK仿真功能和控制系统工具箱中丰富的库函数等,开发了基于MATLAB 的“自动控制原理”虚拟实验仿真平台。该平台充分考虑了本学科的特点, 基本上覆盖了所要求的实验内容；用户界面良好,具有一定的交互功能和仿真运行功能。通过人机对话,用户可以设置系统的模型,根据用户的要求该软件可图形分析与系统性能指标分析。与电子线路模拟实验互相补充,有效地克服

18、了传统模拟实验的局限性,很好地达到实验教学的目的和要求。前几章主要是介绍本软件的制作方法和过程，依照课本实验的相关内容，制作出扩展性强，人机对话优越的虚拟实验室平台；其后选取课本实验中的一个实验，通过实验演示的操作帮助学生更好更快的认识软件，加深掌握软件使用过程中的一些技巧和方法，以便在自己动手做实验更出色的完成各个实验任务。第二章 自动控制原理虚拟实验室概述第一节 使用工具简介一、MATLAB简介自动控制原理虚拟实验室是使用MATLAB软件搭建而成的，所以在使用进行实验之前，我首先简单了解MATLAB软件的诞生和发展，以便帮助我们今后更好的掌握和应用虚拟实验室软件，为我们的学习奠定良好的基础

19、。MATLAB软件是由美国Math Works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。MATLAB是英文Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，被誉为“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习其他高级语言，如Basic、Fortran和C等语言那样难于掌握，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下，对所求解的问题，用户只需简单的列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。最早开发MATLAB软件的目的就是帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。从MATLAB诞生开始，由于其高度

20、的集成性和应用的方便性，在高校中得到了广泛的应用与推广。由于它能非常快地实现科研人员的设想，极大地节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的青睐与重视。它可以很方便地设计出漂亮的界面，例如，它像VB等高级语言一样，也可以设计出漂亮的用户接口，同时因为它还具有最丰富的函数库（工具箱），极易实现计算功能。另外MATLAB软件和其他高级语言也具有良好的接口，可以很方便地与其他语言实现混合编程，这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。二、simulink简介控制系统仿真研究的一种很常见的需求就是系统在某些信号驱动下，观测系统的时域响应，从中得出期望的结论。对简单线性系统来说，可以利用控制系统工具箱中

21、的相应函数对系统进行分析，如果想研究非线性方程，则可以采用微分方程数值解法来求解。对于更复杂的系统来说，单纯采用上述的方法有时难以完成仿真任务。比如说，若想研究函数结构复杂的非线性系统，用前面介绍的方法则需要列写出系统的微分方程，这是很复杂的，有时甚至是不可能的。如果有一个基于框图的仿真程序，则解决这样的问题就轻而易举了。Simulink环境就是解决这样的问的理想工具，它提供了各种各样的模块，允许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统，从而对其进行准确的仿真。Simulink是MATLAB的一个组成部分，它提供的模块有一般线性、非线性控制系统所需的模块，也有更高层的模块，例如电气系统模块集中提供

22、的电机模块、simmechanics提供的刚体及关节模块，这使得用户可以轻易地对感兴趣的系统进行仿真，并得出所需的结果。三、GUI简介用户图形界面（GUI）是程序的图形化界面。一个好的GUI 能够使程序更加容易的使用。它提供用户一个常见的界面，还提供一些控件，例如，按钮，列表框，滑块，菜单等。用户图形界面应当是易理解且操作是可以预告的，所以当用户进行某一项操作，它知道如何去做。例如，当鼠标在一个按钮上发生了单击事件，用户图形界面初始化它的操作，并在按钮的标签上对这个操作进行描述。创建MATLAB 用户图形界面必须由三个基本元素: 1. 组件. 在matlab GUI 中的每一个项目(按钮,标签

23、,编辑框等)都是一个图形化组件。组件可分为三类:图形化控件(按钮,编辑框,列表,滚动条等),静态元素(窗口和文本字符串),菜单和坐标系。图形化控件和静态元素由函数uicontrol 创建,菜单由函数uimenu 和uicontextmenu 创建,坐标系经常用于显示图形化数据,由函数axes 创建。2. 图象窗口(Figure)。GUI 的每一个组件都必须安排在图象窗口中。以前，我们在画数据图象时，图象窗口会被自动创建。但我们还可以用函数figure 来创建空图象窗口，空图象窗口经常用于放置各种类型的组件。3. 回应。最后，如果用户用鼠标单击或用键盘键入一些信息，那么程序就要有相应的动作。鼠标

24、单击或键入信息是一个事件，如果matlab 程序运行相应的函数，那么matlab函数肯定会有所反应。例如，如果用户单击一按钮，这个事件必然导致相应的matlab语句执行。这些相应的语句被称为回应。只要执行GUI 的单个图形组件，必须有一个回应。第二节 自动控制原理实验简介自动控制理论课程是自动化专业必修的一门重要的专业基础课（主干课程），课程内容丰富，覆盖的知识面广。它是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。自动控制理论课程实验课的主要任务是通过实验，使学生在掌握自动控制的基本原理及必要的现代控制理论方面的基础知识，熟练掌握各种分析方法，了解各种校正方法设计原则的基础上，加强对控

25、制理论的理解和认识，将理论与实践有机地结合起来，培养学生一定的实际动手能力、分析问题及解决问题的能力，使理论教学效果得到有效的巩固与提高。自动控制理论实验课的内容包括难度较小的验证性实验，有难度较大的设计性实验，还有适合做课程设计的综合性实验。实验方式有模拟实验，数字实验，有仿真实验，有实际系统实验，还有目前控制界最流行的MATLAB及SIMULINK仿真实验。实验的基本要求为： 1、熟悉模拟电路，学会独立观察、分析实验现象，记录、测取数据，并整理、绘制、分析实验结果；2、要求学生计算实验电路中的校正装置；3、正确使用仪器，掌握示波器的应用；4、掌握数字仿真的基本方法及仿真软件MATLAB的应

26、用。虚拟实验室里共搭建了课本要求的六个实验：一、典型环节及其阶跃响应，二、二阶系统阶跃响应 ，三、控制系统的稳定性分析，四、系统频率特性的测试，五、控制系统串联校正，六、采样实验。这六个实验从简单到复杂贯穿自动控制原理的应用和发展，控制精度和控制要求随着岁月的推移取得日新月异的成绩，空前大步发展，迈向高峰。也正是因为有自动控制原理的发展作为基础，社会各行各业的发展也空前高涨，国防、航空、医疗、船舶、工矿等行业都在发生颠覆性的变革和进步，成绩喜人。第三节 虚拟实验室总体结构虚拟实验室立足于自动控制原理，应用具有强大功能且简单易懂的MATLAB软件搭建虚拟实验平台，帮助老师在教学工作中更有效的顺利

27、完成教学工作，使学生在有限的时间里高效率的掌握知识，为今后社会的进步和祖国的建设添砖加瓦，成为社会的栋梁之才奠定扎实的理论基础。虚拟实验室技术是虚拟实现应用研究就的重要载体。随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。虚拟实验室进驻高校和科研机构已经是不容怀疑的趋势和发展的必然要求。 对于国内教学型虚拟实验室的建设,有关部门提出如下几点建议：1、用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用；2、更新实验教学观念,重

28、新认识虚拟实验室；3、切合实际，合理选择开发技术。 基于以上提出的三点建设性意见，本虚拟实验室结合教学实际和科学研究的需要，采取三三结合的方法搭建了既满足课本实验要求又能用于佐证教学研究的虚拟实验室平台，旨在为教育事业能更好、更快、更稳的向前发展而架桥铺路。虚拟实验室由三大部分组成：软件介绍、课本实验和演示实验。其结构图如下：通过软件介绍，我们能了解虚拟实验室的结构和实现功能。课本实验和演示实验是虚拟实验室的重要组成部分，其中课本实验部分是针对课本教材里要求的实验项而为学生量身制作的，它能满足不同层次的学生在做实验时的需求，引导学生的学习兴趣和挖掘学生的创新能力。演示实验是为了满足教师授课时图

29、文并茂呈现教学内容，使学生简洁明了、兴趣浓厚地吸收知识。第三章 自动控制原理虚拟实验室的实现在第二章第三节虚拟实验室的总体结构里，我们已经了解到虚拟实验室由三大部分组成：一、软件介绍、二、课本实验和三、演示实验。其中课本实验主要包括六个实验：1、典型环节及其阶跃响应，2、二阶系统阶跃响应 ，3、控制系统的稳定性分析，4、系统频率特性的测试，5、控制系统串联校正，6、采样实验。演示实验主要由八个紧贴课本内容且能反映自动控制原理发展过程和趋势的演示实验组成，这八个演示实验是：1、典型环节及其阶跃响应，2、线性系统时域响应的分析，3、绘制系统的根轨迹及零、极点分布图，4、系统的频域分析，5、线性系统

30、的校正，6、采样控制系统，7、非线性系统仿真，8、平稳随机信号作用下线性系统的仿真。这六个课本实验和八个演示实验从简单到复杂，对自动控制原理的渗透逐渐加深。六个课本实验和八个演示实验的实验界面都是利用MATLAB的图形界面GUI创建，实验的图形演示及仿真模型利用simulink建立，部分函数图形的绘制利用M函数编写成M文件，需要用到时直接在GUI的图形界面里调用即可。在此，我们的软件制作采用先总后分的方式，先介绍制作进入实验系统的GUI通道界面，然后再制作进入各个实验的GUI界面，最后介绍各个实验的组成部分的制作。由于六个实验的搭建大同小异，我们在这里详细介绍实验三、实验五的编程制作，以达到举

31、一反三的目的。第一节 界面我们都知道GUI是界面交互的优选工具，因此引入通道和实验项目的选择界面及操作通道采用GUI创建，能达到事半功倍的效果；鉴于演示实验中各函数的复杂多变和便于教学，演示实验采用M-文件编写，这样也使得GUI图形界面调用M-文件变得更顺利；为了学生能更直观的图文结合理解自动控制原理的精髓，我们用MATLAB的command windows（命令工作空间）显示函数执行的结果和各实验中与实验仿真图形相对应的传递函数，通过对比参照，加深理解实验内容，在掌握课本知识的基础上真正达到举一反三。接下来我们先介绍怎么利用GUI创建进入通道和操作界面的方法。纵观进入通道和操作通道，凡是用G

32、UI图形工具创建的通道或是界面都有一个共同的步骤就是图形界面的背景设置，在此基础上才是static text键（静态文本，主要是实现各项不能更改的信息）和push button键（功能键）等其它键的设置，因此，在接下来的篇幅里我们先介绍页面的背景设置，继而再图后进。点击MATLAB的桌面快捷方式图标，直接启动MATLAB软件，或者运行MATLAB的安装目录的快捷起动图标，启动MATLAB软件。启动后的MATLAB操作界面的默认情况（Default Desktop Layout）下有3个上层窗口：指令（命令）窗口（Command Window），工作空间浏览器窗口（Workspace Brows

33、er）和历史指令（命令）窗口（Command Hisdory），如下图所示：在指令（命令）窗口（Command Window）内输入GUIDE命令，按下回车键，打开如下对话框：点击OK，即可打开GUIDE的空白操作界面，默认名为untitled.fig，在GUIDE的设计编辑区layout area，拖入一个static text键到设计区，选中static text键，拖拽其边沿覆盖整个设计区layout area，点击右键，选中弹出菜单中的send to back设为低层，双击打开其property inspector属性检查器，将string栏修改为空白，BackgroundColor背

34、景颜色栏修改为淡绿色（可以根据个人爱好，修改为任意颜色），其它栏的属性不变，这样就完成背景颜色的设置。接下来我们继续介绍static text键（静态文本）文字的颜色和字体大小的的设置。拖入一个static text键到GUIDE的设计编辑区layout area内，双击打开其property inspector属性检查器，将他们的BackgroundColor背景颜色栏修改为淡绿色，在ForegroundColor栏把字体的颜色改为自己喜欢的颜色，在FontSize字体大小栏把字号改为40或者自己中意的大小字体，string改为需要显示的文本文字，其他项属性保持不变。关于push butto

35、n键（功能键）的属性设置除返回函数call back栏外，其余的基本上与static text键的相同。在此，我们着重介绍返回函数call back栏的设置。点击GUIDE的设计编辑区layout area内任一push button键，双击打开其property inspector属性检查器，选中Callback栏。将其修改为需要调用的文件夹名称或是需要执行的命令，例如修改为“close”，则按下该按钮时执行关闭命令，关闭页面。按钮显示的名称设置一项在string栏修改，名称可以根据需要自行定义，它主要是起到引导性的作用，方便理解和操作的连贯。完成编辑后，按下保存运行按钮，改为文件名，保存在

36、指定的文件夹下，即完成相应的设置。在理解和熟练掌握页面背景颜色、文本、返回函数的设置后，我们再来创建引入通道和操作界面就显得轻车熟路，易如反掌了。首先，我们来建立引入通道，打开MATLAB软件，在工作命令窗口（Command Window）内键入GUIDE命令，然后按下回车键，打开GUIDE Quick start 窗口对话框，选择Blank GUI(Default)行，点击OK按钮，打开GUI的编辑窗口，按照前面所述的方法设置背景颜色，之后拖入三个Static Text 键、两个Push Button键到设计区（layout area），选中一个Static Text 键，双击该键打开属性浏

37、览器，将BackgroundColor背景颜色栏改为紫色或是自己喜欢的颜色，FontSize字体大小栏把字号改为40号字体， String字符串栏把字符修改为“自动控制原理虚拟实验室”，将其拖放在顶端的适当的位置即可。然后用同样的方法分别修改另外两个Static Text 键的属性，一个颜色仍为紫色，字体为30号，String字符串栏把字符修改为“欢迎你来到虚拟实验室 更多精彩请点击”放置在页面的中间。另一个的颜色改为红色，字体为15号，String字符串栏把字符修改为“河南城建学院电气系自动控制教研室”放置在页面中偏下位置。至于两个功能按钮Push Button键的背景颜色改为浅绿色，字体为

38、15号、红色，将其中一个的string改为“成功从这里开始” ，callback栏的返回函数改为“shiyan”（shiyan是一个界面的名称，在此是利用返回函数调用名为shiyan的界面），放置在页面编辑区的中下位置。另一个Push Button键的string修改“退出”，callback栏的返回函数修改为“close”（colse是关闭命令），放置在页面编辑区的右下角，整观页面效果，适当调整各键的位置，使页面显得美观大方，完毕后，按运行保存即可，保存时将文件名修改为“labshiyan”（命名为labshiyan是为了以后打开通道时方便快捷） ，保存在指定的文件夹下。制作好的引入通道界面

39、如下如所示：利用相同的方法，我们制作一级操作通道界面，由于静态文本static text键的设置基本相同，我们在此就不再累述，一级操作通道有四个Push Button键，其中三个是调用文件返回函数按钮，一个返回执行关闭按钮，在此着重于介绍三个功能按钮Push Button键的返回函数的设置。软件介绍返回调用函数callback是“shiyan0”，shiyan0是利用M-文件编写的函数，介绍虚拟实验室的大体结构和功能。课本实验的返回调用函数callback是“shiyan00”，shiyan00是二级操作通道界面，在后续的章节中我们将会详细介绍。演示实验的返回调用函数callback是“shi

40、yan000”，shiyan000也是二级操作通道界面，它是一个中间性的连接通道，在后面的章节里我们再详细介绍它的制作。按照上述步骤和方法，制作出的界面如下：通过二级操作界面我们就可以很顺利的进入三级操作系统界面，本章的二、三节我们就专一介绍二级操作界面课本实验和演示实验。第二节 课本实验的实现通过前面章节的介绍我们已经知道，课本实验主要包括六个实验：1、典型环节及其阶跃响应，2、二阶系统阶跃响应 ，3、控制系统的稳定性分析，4、系统频率特性的测试，5、控制系统串联校正，6、采样实验。每个实验都分为七个部分：（1）、实验目的，（2）、实验设备，（3）、实验内容，（4）、实验报告，（5）、实验要

41、求，（6）、仿真模型，（7）、图形演示。由于六个实验的这七个部分中除（6）外其余的制作方法基本上都是采用GUI制作的，所以制作方法与前面介绍的界面制作方法大同小异，只是更改相应的文本内容和功能按钮的返回函数调用文件名称即可，因此也就不再重复。仿真模型的引入通道我们是采用GUI制作的，仿真模型的呈现我们采用simulink模块制作，这两者的结合使用，使仿真模型的图形可视化效果大大增强，收效颇丰。在此我们也采用循序渐进的方法一一介绍仿真模型的制作过程和结果。首先，我们来介绍操作界面。前面我们已经介绍过操作界面的建立，而二级操作界面的建立方法与一级操作界面的建立有如同出一辙，所以我们也就不再花过多的

42、篇幅介绍啦，二级操作界面分为课本实验和演示实验，建立后的界面如下：从界面可知，自动控制原理实验虚拟实验室的课本实验部分共包括六个实验，点击每一个按钮就能直接进入相应的实验项进行实验，六个实验的顺序是从简单到复杂，我们选取实验3作为例子介绍它们的制作过程。我们先来介绍实验3的界面，利用界面制作的方法，参照实验指导书即可制作出实验3的界面如下：界面里有七个选项按钮：实验目的、实验设备、实验内容、实验报告、实验要求、仿真模型和图形演示。每一个按钮都连接相应的实验内容，除仿真模型外，其余几个都是预先做好供学生浏览和对比参照的文本或是图形，制作起来相对简单，所以这里着重介绍仿真模型的建立。仿真模型是交互

43、性的界面，学生可以通过仿真模型自己调节相应的参数，实现仿真模型的多样性和兼容性，为学生证明原理和继续探索知识提供了一个良好的平台，接下来我们详细介绍其制作过程。我们采用simulink来创建仿真模型，首先，打开MATLAB软件，其后运行simulink，运行simulink有三种方式：（1）在MATLAB的命令窗口直接键入simulink；（2）点击MATLAB的工具条上的simulink的快捷图标；（3）在MATLAB的菜单中，选择FileNewModel。按照上述三种方法操作会弹出如图所示的新建的模型窗口，名为uititled。打开新建的模型窗口后根据二阶系统的阶跃响应的结构图来搭建二阶系

44、统的阶跃响应的仿真模型，结构图如下：由结构图可查找所需的模块，阶跃信号step模块在sources模块库里， Sum模块在math operations模块库里，连续性transfer fcn在continues模块库里，常数增益gain在math operations模块库里，示波器scope在sinks模块库里。参考实验内容里的相关要求，修改模块的各个参数，检查无误后按图连接各模块，并把输入输出之间的模块都选中，在选中的区域范围内点击鼠标右键，选中create subsystem封装子模块，在simulink环境中，所谓封装（masking），就是将其对应的子系统内部结构隐含起来，以便访问

45、该模块时只出现一个参数设置对话框，将模块中所需要的参数用这个对话框来输入。首先用建立子系统的方式将其转换为子系统模块，选中该系统模块的图标，再选择editmask subsystem子菜单项，则打开mask editor：subsystem对话框。其框图如下：选中封装程序的parameters标签得到编辑变量的对话框，其中间的区域可以编辑变量与对话框之间的联系。按下增加按钮图标和删除按钮图标来指定和删除变量名，连续按三次增加按钮指定三个变量名，在prompt下依次输入定值电阻R、定值电阻R2和电容C，有关variable和type项根据实验指导书中实验内容设定，也可根据需要自行设定。在这里va

46、riable下的内容我们直接填写变量名和参数名即可，type是参数的类型，电阻R设为edit类型，可以自由输入变量。定值电阻R2和电容C设为popup型，可在下拉可选项里选择需要的数值或是参数。定值电阻R2的值设为100e3，电容C的值设为1e-6和0.1e-6以作选择，设置完毕后点击OK即可。增益K在math operationgs模块库中，选择silder gain型增益模块，选中该模块，点击右键选中make parameters项，弹出如下对话框：在对话框的相应栏里，将Low设为0，Gain设为500，High设为500，设置好后点击OK即完成滑动条的参数增益设置。以后在仿真模型中就可以

47、在0500之间任意取值。建好后的系统仿真模型如下：如果实验中需要修改部分的子模块的参数，则双击该模块，就会弹出如图所示对话框：在对话框里可以输入和选择参数，为实验的求证和探索提前做好准备。如果想查看系统的子模块，则选中封装模块，点击右键，选中"look under mask"即可。仿真模型建好后，保存文件名为“shiyan37”在指定文件夹下，运行系统查看系统的仿真结果，运行系统的仿真模型时，单击菜单栏的simulink，并选中下拉菜单中的start，或者双击工具栏的运行按钮图标，然后双击示波器就能查看实验的波形图及相关的实验信息。运行仿真模型时，可反复多次调节参数在不同值

48、下系统的仿真模型结果。第三节 演示实验的实现演示实验的操作通道界面建立方法与课本实验界面的建立方法基本相同，只是文本内容稍有差异，这在前面已有介绍，所以在此直接给出演示实验建立好的界面，有不明白的地方可参照课本实验操作界面的建立回顾相关的知识要点。演示实验的操作界面如下：演示实验包括：1、典型环节及其阶跃响应，2、线性系统时域响应的分析，3、绘制系统的根轨迹及零、极点分布图，4、系统的频域分析，5、线性系统的校正，6、采样控制系统，7、非线性系统仿真，8、平稳随机信号作用下线性系统的仿真，一共八个演示实验，演示实验从我们生活中经常接触到得典型环节开始，逐渐深入，有线性系统实验的演示，也有非线性

49、的演示，每个实验都紧扣课本内容，与课本实验紧密照应，起到引领和印证的作用，为老师授课和学生预习开拓了方便之门，在兴趣的牵引下主动学习。八个演示实验中以“6、采样控制系统”有承上启下的作用，且其制作方法基本涵盖了其余几个实验的制作方法，所以，以采样控制系统演示实验为例介绍演示实验的制作方法和过程，使学生在学习中能窥一斑而见全豹。演示实验的制作采用GUI图形界面工具和M-文件相结合来完成的，GUI主要用于建立操作界面，起到选择演示的引入作用，采样控制系统的引入操作通道界面如下：从界面可以看出采样控制系统演示实验共由1、离散系统单位阶跃响应，2、采样系统对100点噪声的随机响应，3、输入方波信号时系

50、统的响应，4、系统的根轨迹，5、采样周期为T=1s采样系统的单位阶跃响应，这五个单一的演示实验组成，五个演示实验中包括离散信号、信号的采集，系统根轨迹等内容。 在此的每个单一演示实验都采用M函数编写命令，利用M函数编写函数便于修改，且能很轻松编写复杂的函数，下面就介绍离散系统单位阶跃响应的M函数的编写：%离散阶跃响应%分析离散系统函数的第一个字母为d，如求采样系统的单位阶跃响应的函数为%dstep，%以示与连续系统相关的函数step区别。num=2,-3.4,1.5; %分子各阶次系数den=1,-1.6,0.8; %分母个阶次的系数dstep(num,den) %离散的阶跃响应title(&

51、#39;离散阶跃响应') %标题文本显示printsys(num,den); %显示传递函数grid %栅格%end%编写完毕后，才菜单栏选择Debug的下拉菜单选项的Run，或使用快捷键F5，%将文件取名为“shiyan6810”保存在在制定文件夹下，以便上级调用。以上是离散系统单位阶跃响应的M函数文件的编写，编写命令中的%是注释作用，不是命令，在执行文件的命令时不执行以%开头的行的命令。Dstep为执行离散阶跃响应命令，分析离散系统函数的第一个字母为d，即在线性系统命令之前添加d。采样系统对100点噪声的随机响应是采样随机响应的特殊例子，当然也可以对200点或是其它值。编写的M函数

52、文件命令如下：%采样系统的闭环脉冲传递函数%系统对100点随机噪声的响应，求采样系统在任意输入下的输出响应，%使用函数dlsim(num,den,u)。num=2,-3.4,1.5; %分子各阶次系数den=1,-1.6,0.8; %分母个阶次的系数u=rand(100,1); %100点噪声信号dlsim(num,den,u) %离散系统单位斜坡时间响应printsys(num,den); %显示传递函数%end%编写完毕后，才菜单栏选择Debug的下拉菜单选项的Run，或使用快捷键F5，%将文件取名为“shiyan6820”保存在在制定文件夹下，以便上级调用编写的命令中“u=rand(100,1);