基于MATLAB-GUI自动控制原理虚拟实验平台

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基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台

基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台

电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering软件开发与应用Software Development And Application基于M ATLAB的自动控制原理虚拟实验平台潘建伟(武成职业学院甘肃省武成市733000 )摘要:本文搭建了基于M A T L A B的“自动控制原理”虛拟实验平台,利用M A T L A B中的SIM ULINK仿真软件包的强大功能设计实验模型,不仅拓宽了学生的创新思维,而且保证了在应急情况下的实验。

关键词:虚拟实验;SIM U LIN K;M A T L A B1引言近十几年,国内的虚拟实验室的发展也突飞猛进。

结合虚拟实 验技术的特点以及它在理工教学中实际应用,尤其在电气自动化、电子信息工程、医学、建筑、生物化等学科有重要作用,国内的许 多高校都根据本院校的实际教学需求建立了各类虚拟实验室。

高职 院校的学生相对本科院校的学生,在课程的学习上存在一定难度,从而导致该课程的实验操作也困难,面对复杂的硬件电路,不知该 如何下手,对控制系统的模型也不是很了解,在实验过程中接错电 子元件很容易造成硬件电路的损坏,不仅没有达到实验的目的,而且导致学生对实验课程的排斥。

此外传统的硬件实验扩展性较 差,实验的内容逐渐脱离实际。

基于此,利用MATLAB软件的图 形用户开发工具(GUITOOLS)和SIMULINK搭建虚拟实验平台,SIMULINK是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包,不 仅支持线性和非线性系统,也支持连续和离散的混合系统,而且系 统可以是多进程的。

运作的工具箱和模块己覆盖航空、航天、通信、控制、信号处理、电力系统、机电系统等诸多领域,所涉及的内容 专业性越来越强,使用也越来越方便。

在应用数学,电工电子,自动控制以及信号处理等多个专业的教学实验中均有广泛应用。

2虚拟实验平台的优越性虚拟实验是一个多功能的实验平台,不仅便于各个学科的实验 交叉而且便于实验功能的扩充,而且不受场地的限制、时间的限制,随时随地只需一台电脑就可以进行试验。

基于MATALAB自动控制原理实验平台设计

基于MATALAB自动控制原理实验平台设计

第1章基于MATALAB自动控制原理1.1 自动控制的基本原理1.1.1自动控制技术所谓的自动控制就是在无人的条件下,利用某些装置或设备使机器自动工作于生产在某一个状态或自动地按照预想地状态下规律的工作。

在现代很多科学领域中运用到了自动控制技术,例如:导弹能正确命中目标,人造卫星的对接技术,电动机自动地启与停等等。

这些高水平科技都运用到了自动控制技术。

自动控制理论体系是以传递函数为基础的经典控制理论。

它首先研究的是单输入-单输出,线性订场系统分析和设计。

进而演变到现在的现代控制理论,而现在主要研究的方法是状态空间法。

状态空间法是一种时域的分析方法,主要是在线性代数的基础上,通过矩阵的计算和转换来分析自动控制系统参数变换。

特点:从输入-状态-输出的关系全面地分析与研究系统适用范围:不限于线性定常系统,也适用于线性时变,非线性及离散系统,多输入、多输出的情况。

大系统理论:20世纪70年代始将现代控制理论与系统理论相结合核心思想:系统的分解与协调,多级递阶优化与控制适用范围:高维线性系统闭环控制与开环控制闭环控制:在反馈控制系统中,被控变量送回输入端,与设定值进行比较,根据偏差进行控制,控制被控变量,这样,整个进行控制,使偏差减小或消除,达到被控变量与设定值一致的目的反馈控制在一个自动控制系统中,要让这个系统保持某个状态下一直正常运行最基本的是基于反馈控制原理组成的反馈系统。

反馈系统的原理是:控制装置作用于被控对象,取被控量的反馈信息,通过控制输入量与被控量偏差,进而对被控对象的控制。

检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。

(1) 比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值e(t)。

(2) 控制装臵的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况,按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。

比较机构和控制装臵通常组合在一起,称为控制器。

(3) 执行器的作用是接受控制器送来的u(t),相应地去改变控制变量q(t)。

基于MatlabSimulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计

基于MatlabSimulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计

谢谢观看
2、提高效率:通过计算机硬件虚拟实验平台进行实验,用户可以在短时间 内完成实验设计、模拟和测试等整个过程。此外,该平台还可以实现多用户同时 使用,提高了实验效率。
3、增强安全性:在虚拟环境中进行实验,可以避免由于误操作或者不规范 操作导致的设备损坏或者人员伤害,增强了实验的安全性。
4、丰富的实验资源:计算机硬件虚拟实验平台可以提供丰富的实验资源, 包括各种类型的CPU、内存、I/O接口等,可以满足不同用户的需求。
四、结论
计算机硬件虚拟实验平台的设计与实现具有重要的现实意义和实际应用价值。 该平台可以降低实验成本、提高实验效率、增强安全性以及提供丰富的实验资源。 为了实现该平台,我们需要选择合适的硬件设计工具、模拟和仿真工具、调试工 具和集成开
发环境等工具,并提供可视化工具帮助设计人员更好地理解和分析实验结果。 未来的计算机硬件虚拟实验平台将更加完善和强大,为计算机硬件设计和教育领 域提供更多的可能性。
2、智能控制:通过遥控器、手机App等设备控制家电设备,如空调、加湿器、 灯光、窗帘等;支持多种智能场景模式,如离家模式、会客模式、睡眠模式等; 将控制状态通过GUI界面实时展示给用户。
参考内容二
随着科学技术的发展,虚拟仿真实验平台已成为实验教学中的重要工具。虚 拟仿真实验平台可以为学生提供一个高度仿真的实验环境,帮助学生更好地理解 和掌握实验原理和方法。在众多虚拟仿真实验平台中,基于LabVIEW的平台设计 具有广泛的应用前景。
3、调试工具:调试工具可以帮助设计人员找出设计和实现中的错误。JTAG 是一种常用的调试工具,它可以用来调试硬件设计和软件代码。
4、集成开发环境(IDE):提供一个集成的开发环境,可以使得设计人员更 容易地进行设计和调试。该环境应包括编辑器、编译器、仿真器和调试器等工具。

基于MATLABGUI的自动控制原理仿真软件设计

基于MATLABGUI的自动控制原理仿真软件设计
摘 要: 自动控制技术在现代工业领域有着广泛的应用。Matlab GUI 是一种简单易学的、功能强大的可扩展系统开发平 台。借助 Mat lab 强大的运 算和 数据可视化功能, 设计出的 GUI 程序能便捷的模拟自控原理中的基本试验并准确、快速的绘制出结果, 使试验操作更为简便、直 观, 使用者的理解 更为 深刻。 关键词: Matlab GUI; 自控原理实验; 自动控制; 软件设计
2007: ( 4) . [ 4] 胡宪能, 许宝杰, 谷玉 海等. 色谱 仪数据采 集系统 设计[ J ] . 仪表 技
术与传感器, 2008: ( 10) . [ 5] 陈庆. 浅谈智能仪器 仪表的发 展趋向及 其应用前 景[ J] . 科技创 新
导报, 2009: ( 6) .
图 4 软件流程图
2004. [ 2] 何贡等著. 计量 测 试技 术手 册第 2 卷 几何 量. 中 国 计量 出 版社,
1997.
[ 3] 余志新等著. 螺纹量规检验手册. 中国计量出版社, 1988.
作者简介: 谈冬兴, 男, 工程师。工作单 位: 南京 计量监督 检测院。通讯 地 址: 210037 南京市龙蟠路新庄村 57 号。
朱岳辉, 南京市计量监督检测院( 南京 210037) 。 收稿时间: 2010- 08- 26
图 4 系统类型选择
图 3 信号源选择及参数设置界面
上述信号的时域表达式分别为:
r( t)=
0, t < 0 A, t> 0
33 1
r( t)=
0, t < 0 At , t !0
33 2
0, t < 0 r ( t ) = At 2, t !0
33 3
A 为信号幅值常量, 由图 3 中信源幅值后的可编辑

基于Matlab_Simscape的自动控制原理虚拟实验平台_高兴泉

基于Matlab_Simscape的自动控制原理虚拟实验平台_高兴泉

在建立的模拟电气网络系统中,可以进行相应的 仿真实验来分析系统的某方面的特性。下面以二阶系 统的单位响应和频率特性分析来介绍在模拟实验系统 上实验的方法和具体的实验过程。
用 Simscape 组件搭建该系统时,需要注意以下几 点:
( 1) 可以双击相应的模块打开该模块的参数输入 对话窗来输入或修改该模块描述的元件的参数。例如 打开电容模块的参数输入对话窗可以输入电容本身的 电容量、串联等效电阻、并联电导及电容初始电压等参 数。
( 2) 引入物理仿真框架后,在Simscape仿真框架
第 32 卷 第 9 期 2013 年 9 月
实验室研究与探索
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY
Vol. 32 No. 9 Sep. 2013
基于 Matlab / Simscape 的自动控制原理 虚拟实验平台
高兴泉1, 王立国1, 刘广平2
( 1. 吉林化工学院 信息与控制工程学院,吉林 吉林 132022; 2. 吉林省扶余县农电有限公司,吉林 松原 131200)
1 二阶电气网路系统
考虑一个二阶的电气网络系统其模拟电路图,如
图 1 所示。忽略一些非线性因素,该系统可以看做是 一个典型的二阶线性 系 统[14],主 要 由 理 想 运 算 放 大
器、电容、电阻等电气元件组成。该系统对学生了解掌
握二阶系统特性如时域性能指标分析、频域特性曲线
绘制等方面的知识是非常有帮助的。根据电路特性,
图 1 二阶系统的模拟电路图
数( 1) 可写为
G( s)
=
0. 2τs2
1 +
τs
+
1
和二阶系统的标准闭环传递函数T2 s2

自动控制原理课程虚拟实验平台的开发

自动控制原理课程虚拟实验平台的开发

第40卷 第1期 高 师 理 科 学 刊 Vol. 40 No.1 2020年 1月 Journal of Science of Teachers′College and University Jan. 2020文章编号:1007-9831(2020)01-0081-05自动控制原理课程虚拟实验平台的开发徐凤霞,朱玲,范明清,荆丽秋,胡遵河(齐齐哈尔大学 机电工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)摘要:基于MATLAB软件开发的自动控制原理课程虚拟实验平台,由6个典型实验给出平台的具体实现内容及实现过程.采用MATLAB/GUI构建人机交互界面设计,利用MATLAB中的人机交互工具GUIDE生成图形化窗口,并在图形窗口中设置各种功能控件,通过编辑M文件实现各操作功能、图形显示和结果分析等功能.理论计算验证平台实验结果满足实验要求,实现了直观、易懂、节省资源及可扩展性强的开发效果.关键词:虚拟实验平台;自动控制系统;典型实验;MATLAB中图分类号:TP13∶G642.0 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1007-9831.2020.01.019Development of automatic control theory virtual experimental platformXU Fengxia,ZHU Ling,FAN Mingqing,JING Liqiu,HU Zunhe(School of Mechanical and Electrical Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)Abstract:Virtual experiment platform of automatic control principle course is developed based on MATLAB software. The content and implementation process for this platform is given by six typical course experiments. MATLAB/GUI is used to construct the human-computer interaction interface,and GUIDE is used to generate graphical window and set up the various functions controls in the graphics window.M files are edited to realize functions,such as operating functions,graphics display and result analysis in MATLAB. The experimental results are verified through the theoretical calculation that can meet the test requirements. The virtual experiment platform realizes the development effect,which is intuitive,easy to understand,saving and extensible.Key words:virtual experiment platform;automatic control system;typical experiment;MATLAB自动控制原理是自动化专业的主干课程之一,教学内容具有较强的理论性和抽象性.实验教学环节的开展对理论知识的理解具有极其重要的作用.目前,自动控制原理实验一般采用自控实验箱,即由模拟实验装置配合示波器.虽然这种方式可以在一定程度上提高学生的动手能力,加深对理论内容的理解,但存在许多限制条件.例如:教学资源紧缺、实验具有复杂性及学生很难熟练掌握全部实际操作等,且模拟实验装置所得出的实验结果不够直观和理想,高度集成的设备使可扩展性较差,综合实验难以开展[1].基于现状,研制面向自动控制原理教学与实践一体化的虚拟实验平台成为教师们的迫切需求[2].通过自动控制原理虚拟实验平台的开发,可以为自动控制原理实验、控制系统综合实训、课程设计等实践环节提供一个虚拟的实验平台.一方面,可以减少实验仪器长期使用带来的元器件损耗;另一方面,可加大安全系数,降低设备故障而引发危险的可能.将虚拟实验平台引入理论授课课堂,把枯燥的理论转变为鲜活的图形图收稿日期:2019-09-06基金项目:齐齐哈尔大学教育科学研究项目(2015091)作者简介:徐凤霞(1970-),女,黑龙江哈尔滨人,教授,博士,从事非线性控制、智能控制及网络控制等研究.E-mail:xufengxia_hit@82 高 师 理 科 学 刊 第40卷 像信息,为学生直观地展现整个系统的控制过程,从中分析和理解控制系统的相关性能指标,并可通过多次参数调整,对系统施加可能存在的各种干扰,分析系统在各种情况下的稳定性能,增强学生的感性认识,加深对所学知识的理解,为学生的想象力和创造力的发挥提供足够的空间[3].虚拟实验平台的建立在现代教育教学中的地位日趋加重,对提高教学质量、深化教学改革具有较大的推动作用[4].本文利用MATLAB建立自动控制原理实验平台,立足于让学生掌握控制系统分析、设计的方法.1 实验平台的界面设计本实验平台主要内容是实现自动控制原理课程的6个典型实验:时域响应实验、频域响应实验、根轨迹实验、PID 规律实验、系统稳定性实验和系统校正实验,并给出具体的实现过程与结果.首先,采用MATLAB/GUI 构建人机交互界面,界面设计包含2个登陆界面,分别是一个主界面与多个实验入口界面.使用MATLAB 中自带的人机交互工具GUIDE 生成图形化窗口.其次,在图形窗口中添置各种控件.用MATLAB中的绘图命令绘制曲线及其它的图形动态画面呈现实验结果[5-7].结合自动控制原理的相关理论分析软件输出的结果,校正软件实验和理论实验之间的误差.最后,综合调试、完善自动控制原理实验平台.实验平台主要设计思路是采用面向对象的绘图系统,各种句柄是有层次的,以父对象和子对象的方式管理.包括根对象、图形窗口、用户接口对象、坐标轴对象、注释对象、绘图对象和核心对象.句柄系统结构见图1.实验平台的主界面是6个可选择的实验入口,用于每个实验调用,并对每个实验的功能和使用方法进行简单的介绍.实验入口界面用于每一个实验的绘图、仿真、参数设置、结果保存和输出等(见图2).图2 实验入口界面界面的设计通过编写M 文件实现.首先执行程序初始化,然后进入实验系统的主界面,选择实验项目之后,根据用户的选择,跳转到相应的实验界面,执行界面子程序.当调用界面子程序后,先对界面初始化,根据用户的需求调用相应的回调函数,实现实验项目的训练功能.第1期 徐凤霞,等:自动控制原理课程虚拟实验平台的开发 832 自动控制原理课程的典型实验2.1 时域响应实验该实验主要训练学生对控制系统的时域响应性能的理解与分析.本实验设计在3种典型输入信号作用下观测控制系统的时域响应,主要是阶跃响应、斜坡响应和加速度响应.首先选择实验的类型,确定信号源,然后设定系统的参数,最后输出系统响应曲线.实验界面见图3.参数设置分为比例参数、惯性参数、积分参数和振荡环节参数的设置.程序主要运用switch-case语句逐层嵌套.编写按钮Callback函数实现回调,并在axes中显示实验结果.图3 实验设计效果2.2 频域响应实验该实验实现对二阶系统的频域分析.频域分析一直是比较抽象的分析方法,该实验的设计通过修改参数、绘制Bode图来分析频域响应结果.设计内容分为实验的说明、模型展示、参数设置、参数反馈和结果显示等模块.2.3 根轨迹实验根轨迹实验用于针对不同的控制对象,绘制不同的根轨迹.可实现人机互动,修改控制对象的根轨迹.界面分为三大模块:设置面板、传递函数模型和运行结果.2.4 PID控制规律实验本实验内容主要研究经典PID控制规律和P,I,D的有关算法.用户根据可编辑文本修改参数,由实验平台绘制生成相应的Bode图.最后与理论值相比较得到有关规律的结论.设计主要分为4个模块:参数设置模块、参数说明模块、理论说明模块和运行结果模块,参数设置由Panel分成2个部分,第1部分是传递函数形式,为PI,PD,PID3种数学模型函数;第2部分是规律说明,放置几个静态文本,对有关规律进行说明.共用到7个静态文本、7个可编辑文本和3个按钮.2.5 系统稳定性分析实验判断系统的稳定性有许多方法,主要是代数法判据、劳斯阵列法和根轨迹法.本实验设计主要是针对后2种方法,通过劳斯判据法和根轨迹法的对比,操纵按钮来获取实验结果.实验由4部分组成:实验说明、劳斯阵列、参数设置和运行结果.2.6 系统校正分析实验主要讨论串联校正,即校正串联超前校正和串联滞后校正.采用GUI中多种控件来构建人机交互界面.交互实验内容主要有校正类型选择模块、参数设置模块、分析参数的反馈模块和结果运行模块.3 实验的运行与调试根据实验平台的设计,进行了时域响应、频域响应、根轨迹、PID控制规律、系统性稳定性分析和系统校正分析6部分实验调试.以时域响应、PID控制规律和系统校正分析为例,说明实验平台的运行过程.3.1 时域响应实验调试举例说明时域响应实验中振荡环节在实验平台上的实验效果,在系统类型中选择振荡环节,输入信号选择阶跃信号.设置参数无阻尼自然振荡频率和阻尼比,选择控制对象,点击绘图按钮,获取实验结果(见图4).该系统为欠阻尼系统,可以计算出该系统的指标,如峰值时间、上升时间、稳态值、调节时间和超调量等参数.图4 振荡环节运行结果 3.2 PID 控制规律实验调试以PD 模型为例调试本实验,实验对象的传递函数形式为:()(1)G s K s t =+.将参数K 大小设置为10,t 设置为0.5.绘制Bode 图(见图5).相位角超前90°,增加系统的相角裕度,提高系统的稳定性.与相频曲线图的理论对比可知,绘制的曲线和理论得出的曲线大致相同,满足设计要求.图5 PID 控制规律部分实验结果3.3 系统校正分析实验调试 以超前校正为例,其校正模型为:1()1aTs aG s Ts+=+,被校正系统的模型为:10()(1)G s s s =+.将校正参数设置为a =0.5,T =2,加入校正装置后,实验系统获得截止频率为3.32 rad/s,相角裕度为19°.根据理论知识计算出系统未校正之前的截止频率为3.1 rad/s,相角裕度为17.9°.理论计算可以获得与该系统基本相同的结果,实验界面满足设计需求.系统校正实验界面运行结果见图6.图6 系统校正(下转第90页)设备、学校管理制度和普通物理学智慧教师支持.在智慧课堂模式下的普通物理课堂确实能够给学生带来快乐,但是在实施的过程中也存在一些问题,主要有:(1)教师的工作量更大了,这无疑加重了教师的负担,因此,一方面需要完善激励机制,鼓励教师积极推进智慧课堂;另一方面,也期待未来的商家们开发出更为便捷智能的客户端来帮助教师更好更便利地实施智慧课堂,帮助学生提高学习效率.(2)需要对现有的普通物理教学质量评价体系与标准进行改革与完善.普通物理学智慧课堂的推进,在教学的各个环节中必然会有各种不同问题,需要改革和完善现有的教学质量评价体系,鼓励团队成员共同反思探讨改进措施,并将行动方案及时地运用到线上线下教学实践中,以提高普通物理学教学的有效性.在不久的将来,智慧课堂会有一个更好的发展环境,智慧课堂将会诞生出更为成熟的教学体系,有更多的普通物理学教师开始钻研摸索,为学生学习普通物理学带来更好的学习体验.参考文献:[1] 赵桐,唐烨伟,钟绍春.智慧教育理念下个人学习空间的设计与研究[J].中国教育信息化,2015(2):67-70[2] 曹延汹,吕丽莉.论智慧教育与现代教育理念的契合[J].教育探索,2017(2):22-27[3] 张萍,DING Lin,张静.传统大学物理教学的困境及成因分析[J].物理与工程,2019(1):25-30[4] 崔晓慧,朱轩.信息技术环境下智慧课堂的概念、特征及实施框架[J].继续教育,2016,30(5):50-52[5] 晋欣泉,田雪松,杨现民,等.大数据支持下的智慧课堂构建与课例分析[J].现代教育技术,2018,28(6):40-46[6] 卞金金,徐福荫.基于智慧课堂的学习模式设计与效果研究[J].中国电化教育,2016(2):64-68[7] 祝智庭.智慧教育新发展:从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间[J].开放教育研究,2016(1):18-26[8] 刘向永,王萍.基于BYOD的智慧学习系统构建[J].江苏教育,2016(21):7-8[9] 何克抗,李克东,谢幼如,等.“主导—主体”教学模式的理论基础[J].电化教育研究,2000(2):3-9[10] 庞敬文,张宇航,唐烨伟,等.深度学习视角下智慧课堂评价指标的设计研究[J].现代教育技术,2017,27(2):12-18[11] 刘邦奇. “互联网+”时代智慧课堂教学设计与实施策略研究[J]. 中国电化教育,2016(10):51-56[12] 于颖,周东岱.智慧学习语境下学生智慧发展研究现状及策略探析[J]. 电化教育研究,2018(5):85-89,96(上接第84页)4 结语基于MATALB/GUI开发了自动控制原理虚拟实验平台,设计了自动控制原理课程的6个经典实验,运用MATLAB中的2D图形分析功能获取曲线上的数据点,进而分析控制系统的性能指标.该实验平台将数据处理、图形绘制、实验结果分析有机结合,极大限度地节省了硬件设备和资源,并进一步将理论和实践结合起来,让学生可以更形象、更生动地理解体会所学内容,而友好的人机交互性也有助于提升学生对实验探究的兴趣.该软件已满足基本实验要求,并可进行扩展,设计出更多内容的实验项目.参考文献:[1] 陈玉敏,马立勇,孟宪民.开放式管理的自控原理仿真实验系统设计[J].实验技术与管理,2016,33(2):120-123[2] 屈婉莹,魏为民,徐晓丽.“自动控制原理”课堂实例仿真软件设计[J].上海电力学院学报,2014,30(4):357-360[3] 王素青.应用型本科院校“自动控制原理实验”教学改革的探索与实践[J].实验室科学,2014,17(1):104-109[4] 李炜龙,张丽芳,李姝,等.一种虚拟式的自动控制原理实验平台设计[J].微计算机信息,2012,28(5):38-39[5] Dogan brahim.Engineering simulation 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基于MATLAB GUI的自动控制原理虚拟实验平台的开发与研究

基于MATLAB GUI的自动控制原理虚拟实验平台的开发与研究

Ab s t r a c t : Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms e n c o u n t e r e d i n a c t u l a e x p e r i me n t t e a c h i n g o f Au t o ma t i c Co n t r o l T h e o r y a n d t h e n e e d o f e x p e r i - me n t t e a c h i n g r e v o l u t i o n i n De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t i r c l a i n I n n e r Mo n g o l i a Ag r i c u l t u r e Un i v e r s i t y ,a n e w k i n d o f a u t o ma t — i c c o n t r o l t h e o r y v i r t u a l l a b o r a t o y r b a s e d o n MAT L AB G UI i s a d v a n c e d i n t h i s p a p e r .T h e e x p e ime r n t s o f A u t o ma t i c c o n t r o l t h e o r y c a n
RESE ARCH OF AUTOMATI C CONTRO L TH E ORY VI RTUAL L ABORATORY BASED ON MATL AB CUI
Z HANG C h u n h u i , Z O NG Z h e y i n g , W ANG Me n g, RE N B a o p e n g

基于MATLABGUI信号与系统虚拟实验平台使用

基于MATLABGUI信号与系统虚拟实验平台使用

目录第一章绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 研究意义 (1)1.3 本文的主要工作 (2)第二章MATLAB/GUI简介 (3)2.1 MATLAB概述 (3)2.2 图形用户界面GUI (3)第三章虚拟实验平台设计 (5)3.1系统方案设计 (5)3.2 系统主界面设计 (6)3.3 简单函数性质模块 (7)3.3.1 简单函数性质模块主界面 (7)3.3.2简单函数性质仿真界面 (8)3.3.3 简单函数波形程序 (9)3.3.4 信号运算程序代码 (10)3.4 信号抽样模块 (11)3.5 信号频谱分析模块 (13)3.6 LTI系统时域分析模块 (15)3.6.1 连续时间LTI系统 (16)3.6.2 离散时间LTI系统 (17)3.7 滤波器设计模块 (18)3.8 生成可执行文件 (22)3.9 小结 (22)第四章虚拟实验平台的使用 (23)4.1 简述 (23)4.2 主界面 (23)4.3 简单函数性质 (24)4.3 信号抽样 (26)4.4 信号频谱分析 (27)4.5 LTI系统时域分析 (28)4.6 滤波器设计 (29)第五章小结 (31)5.1 系统设计成果 (31)5.2 系统设计不足 (31)参考文献 (32)致谢 (33)第一章绪论1.1 概述通信在现今生活中已是普遍存在,在经济发展,政治军事活动,个人生活中的应用已是相当普遍,是社会发展不可缺少的工具,自1844年莫而斯在华盛顿和巴尔的摩之间发送世界第一份电报以来,通信已经经历了150多年,发展到目前数字通信趋于替代模拟通信的趋势。

《信号与系统》课程,是高等理工科类院校通信与电子信息工程等专业中一门十分重要的基础理论课,也是电子信息工程专业许多后续课程的重要理论基础。

以前的信号模拟是通过硬件,对仪器和实验室的要求较高,不便于广泛应用,而且信号处理具有内容繁多、概念抽象、设计复杂等特点, 学生在学习时常常会感到枯燥, 难以理解和掌握。

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基于MATLAB/GUI的自动控制原理虚拟实验平台
摘要:实验是《自动控制原理》的课程学习的重点。

为弥补自动控制原理课程常规实验盲目性和可靠性低等缺陷,基于matlab /gui,通过设置图形窗口、调整控件、编写m文件等,设计和开发了自动控制原理虚拟实验平台和仿真软件,通过创建现场菜单完成对各实验界面的集成。

该平台可视化和动态效果好,既能完成自动控制原理的实验仿真,又可以进行实际系统的分析、综合以及研究开发。

关键词:自动控制原理 matlab语言 gui 实验界面
中图分类号:tp13-4 文献标识码:a 文章编
号:1674-098x(2011)12(b)-0096-01
引言
《自动控制原理》是电气信息类专业的核心课程,理论性强,实验是理解和消化课程内容的重要途径。

目前许多高校的实验教学还处于传统模拟实验阶段,利用集成封闭的实验箱,将相应的有源网络模
块连接成典型环节或系统,再施加典型信号,通过示波器观察实验
结果。

这种实验方法存在明显不足:(1)实验箱集成度高,学生对实验呈现出盲目性,同时容易损坏仪器设备。

(2)知识学习和实验动手操作相互分离,使学生缺乏学习主动性和创造性。

(3)由于元件非线性等因素,使实验结果与理论知识差异较大。

matlab是面对科学计算的高性能可视化仿真软件,gui(graphical user interfaces)是一种新型的图形用户界面。

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推导,对新知识产生浓厚的探索兴趣。

1 虚拟实验平台的总体设计
整个平台由控制面板、登录界面、实验界面和主界面四大模块组成。

控制面板:设置进入按钮和提供一些简单的信息,如研制单位,研制人员。

登录界面:主要用于用户登录,还包括用户注册、修改密码、用户管理的功能。

主界面:用于各实验界面的调用,并对平台功能和使用法方法进行介绍。

实验界面:用于各实验的仿真操作,包括设置参数、指标计算、数据输出和保存等功能。

2 用户界面的设计
2.1 实验界面
以根轨迹为例,介绍实验界面的设计。

先在草纸上构思界面的草图,设计坐标轴(axes)、标注以及显示相关输出参数需要8个静文本框(static text),6个编辑文本框(edit text)来输入参数,四个控制按钮(push button)来控制图形的显示以及相关操作。

将控件调节适中并摆放整齐。

再通过双击按钮,打开property inspector进行控件tag和string 两个属性的设置,tag的设置要便于识别。

将四个可编辑文本的属性分别设置为fz_input、fm_input、scope_x1、scope_x2、scope_y1和scope_y2,将仿真、坐标控制按钮分别设置为
simulation_button、axes_button,坐标轴axes的tag设置为show_axes。

运行gui便可生成的图形界面。

然后编写m文件,设置初始化程序。

先初始化实验名称按钮(如时域分析)、图形数据的生成与输出,并显示相关参数值。

在相应按钮上单击鼠标右键,选择view callbacks→callback,在该回调函数内写下相应代码。

再初始化“保存”按钮、图形数据的生成与输出,并显示相关参数的输出值。

在“保存”按钮上单击鼠标右键,选择view callbacks→callback,在该回调函数内写下相应代码。

最后单击运行程序,输入分子和分母系数,单击实验名称,如“时域分析”按钮,即可输出相应的实验界面。

2.2 主界面
完整的实验平台一定要把所有的实验界面集成在一起,以便用户调用,在matlab/gui设计中,可以通过调用gcf函数,以菜单的方式将各实验界面集成在一起形成主界面。

现场菜单用于向用户提供一系列选项清单,用户可以直接点击调用,进入实验环节。

进行某一项实验时,首先单击该实验的现场菜单,从中选择要调用
的实验界面;然后根据需要输入系统传递函数分子和分母的系数,
确定传递函数。

最后单击开始按钮,就可以观察系统的仿真图形和特性参数,进行系统分析。

例如调用“根轨迹”项目时,可单击“根轨迹”的现场菜单,则实验界面被打开。

实验时只需输入传递函数分子系数,如“1,2”,分母系数,如“1,2,3”,则该系统传递函数为g(s)h(s)=(s+2)/(s+2s+2)。

再选定坐标范围x轴为-4~1,y轴为
-2~2,然后单击响应,最后单击坐标按钮,若要获得某点坐标单击
该点即可,结果如图1所示。

故可知该函数的分离点为(-3.42,0).
3 结语
基于matlab的自动控制原理虚拟实验仿真平台,不但能使抽象的概念形象化,而且其较好的可视化和动态效果,可大大激发学习者的学习、设计和创新激情。

通过该平台学生可以了解自动控制原理实验的所有过程和细节,并且在进行硬件实验前能够掌握有关系统参数的调节范围和规律,避免实验的盲目性和可能出现的硬件电路损坏。

近几年来的实践证明,将虚拟仿真实验与传统模拟实验相结合,更能加深学生对理论知识的理解,教学效果明显,达到实验教学的真正效果。

参考文献
[1] 潘丰,徐颖秦.自动控制原理[m].北京:机械工业出版
社,2010.
[2] 罗华飞.matlab gui设计学习手记[m].北京:北京航空航天大学出版社,2011.
[3] 张德丰等.matlab自动控制系统设计[m].北京:机械工业出版社,2011.
[4] 王焕然,徐颖秦.自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发[j].电力系统及其自动化学报,2010,22(4):157~16.
①基金项目:江南大学教学改革成果(jxcg200924),江苏省质量工程培育项目(江大教[2008]240号),2010年江南大学大学生创新训练计划立项项目(1003056)。

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