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基于GUI的信号与系统实验仿真平台设计一、引言信号与系统是电子工程、通信工程、自动控制等领域的重要基础课程，它对于理解和分析系统的动态行为以及信号的特性至关重要。
在传统的实验教学中，学生可能会面临实验设备不足、操作复杂、不直观等问题，导致实验效果不理想。
基于GUI的信号与系统实验仿真平台应运而生。
本文将结合当前教学需求，设计并实现一款基于GUI的信号与系统实验仿真平台，以优化学生的实验学习体验。
二、需求分析1. 实验内容丰富：仿真平台应该覆盖信号与系统实验的常见内容，包括信号的采样、滤波、系统的时域和频域分析等。
2. 操作简便直观：仿真平台应该采用图形用户界面（GUI），操作简便直观，学生可以通过简单的拖拽、点击等操作完成实验。
3. 数据可视化：仿真平台应该具有数据可视化功能，可以直观展示信号与系统的输入输出关系，帮助学生更好地理解实验原理。
4. 可定制性强：仿真平台应该具有一定的可定制性，可以根据教学需求对实验参数进行调整，适应不同的教学场景。
三、设计思路1. 架构设计：采用MVC（Model-View-Controller）设计模式，将业务逻辑、界面展示和用户交互等功能模块分离，有利于系统的扩展和维护。
2. 技术选型：采用C#作为开发语言，结合WPF（Windows Presentation Foundation）技术实现GUI界面的设计，利用Matlab或者Python等数学计算工具作为仿真引擎。
3. 功能设计：实现信号与系统实验的常见功能，包括信号的生成、采样、滤波等；系统的时域和频域分析等。
并通过数据可视化的方式展示实验结果。
4. 可定制性设计：通过参数设置界面，允许用户对实验参数进行调整，实现实验的个性化定制。
四、系统功能设计1. 信号生成：实现常见信号的生成，包括正弦信号、方波信号、三角波信号等，并允许用户自定义信号频率、幅度等参数。
2. 信号采样：实现对生成信号的采样，并展示采样后的离散信号图像。
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。
基于GUI的信号与系统实验仿真平台设计一、引言信号与系统是电子工程领域中非常重要的一门课程，它涉及到了信号的生成、变换、处理和传输，以及系统的分析、设计和实现等内容。
在学习该课程的过程中，学生需要通过理论学习和实验仿真两种方式来深入理解和掌握相关知识。
而基于GUI的信号与系统实验仿真平台则可以为学生提供一个交互式、直观化的学习环境，使他们能够更加深入地理解和掌握信号与系统的相关知识。
二、平台设计的背景与意义传统的信号与系统实验通常需要使用实验设备和仪器来完成，而这些设备和仪器通常比较昂贵且需要专业的操作技能。
如何让学生通过更加便捷、直观、易操作的方式来完成信号与系统实验，成为了一个亟待解决的问题。
而基于GUI的实验仿真平台则可以为学生提供一个虚拟的实验环境，使他们能够随时随地进行实验，并且在实验过程中能够直观地观察和分析各种信号的特性以及系统的响应。
设计基于GUI的信号与系统实验仿真平台具有重要的意义。
三、平台设计的主要内容1. 信号与系统实验仿真模块信号与系统实验仿真模块是整个平台的核心部分，它包括了信号的生成与变换、系统的分析与设计，以及信号与系统的综合应用等内容。
通过该模块，学生可以在计算机上使用各种工具对信号进行生成、变换和分析，还可以对系统的特性进行研究和设计，同时还可以进行一些信号与系统的综合应用实验，如滤波、调制解调等。
2. GUI界面设计模块GUI界面设计模块是整个平台的外观展示部分，它需要呈现出直观、友好的界面，方便学生进行实验操作。
在该模块中，需要设计各种信号的显示、系统的特性曲线展示、实验参数的输入与控制等功能，使学生能够通过简单的鼠标点击和拖动来完成实验操作。
3. 数据分析与实验报告模块数据分析与实验报告模块是整个平台的实验结果展示与总结部分。
学生在进行实验仿真后，可以通过该模块来对实验数据进行分析和总结，并且可以生成实验报告以便于老师进行评估。
老师也可以通过该模块来查看学生的实验成绩和分析报告，以便于对学生的学习情况进行评估和指导。
９６科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ２０１１ ＮＯ．３５Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ工 程 技 术引言《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 ＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ）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。
基于GUI的信号与系统实验仿真平台设计一、引言信号与系统是电子信息类专业的重要基础课程之一，它研究了信号的产生、传输和处理，以及系统对信号的响应和处理。
在学习信号与系统的过程中，学生需要掌握信号的特性、系统的性能以及信号与系统之间的相互作用，这对于他们的专业学习和未来的工作都具有重要意义。
随着计算机技术的不断发展，基于图形用户界面（GUI）的实验仿真平台为学生提供了更直观、更便捷的学习方式。
通过这样的平台，学生可以在电脑上进行实验操作，观察信号与系统的特性，理解信号与系统之间的关系。
教师也可以通过这样的平台设计教学实例，提高教学质量，激发学生的学习兴趣。
本文旨在设计一个基于GUI的信号与系统实验仿真平台，以便于学生和教师进行实验操作和教学示范。
本文将介绍信号与系统的基本理论知识，然后对实验仿真平台的设计进行详细描述，最后对平台进行测试和评估。
二、信号与系统的基本理论知识1. 信号的基本概念信号是一种随着时间、空间或者其他自变量的变化而变化的物理量，可以是连续的，也可以是离散的。
按照信号的不同特性，可以将信号分为模拟信号和数字信号两种类型。
模拟信号是连续变化的信号，通常用连续的时间函数来表示，而数字信号是离散变化的信号，通常用离散的时间函数来表示。
2. 系统的基本概念系统是对输入信号进行处理、转换或者操作的一种器件或者装置。
系统可以是线性的，也可以是非线性的；可以是时不变的，也可以是时变的。
根据系统的性质不同，可以用数学模型来描述系统的输入输出关系。
常见的系统包括线性时不变系统（LTI系统）和数字滤波器等。
3. 信号与系统的关系在信号与系统理论中，研究了信号经过系统的处理后，输出信号与输入信号之间的关系。
常见的描述包括线性时不变系统的频域分析、卷积运算等，这些描述对于分析和理解信号与系统之间的关系非常重要。
三、基于GUI的信号与系统实验仿真平台的设计1. 整体设计思路基于GUI的信号与系统实验仿真平台的设计需要考虑到用户友好性、实用性和可扩展性。
3 基于GUI的《信号与系统实验》仿真平台的设计3.1 设计思想3.1.1 设计步骤本课题设计的界面布局是先设计GUI总界面，然后设计子界面，再在子界面上设置按钮、坐标轴、文本框等一系列控件，最后借助于callback函数调用程序。
在函数调用程序的设计中先编写各个子界面中的回调函数下的程序，再编写GUI界面的回调函数下的程序。
1. 用MATLAB的GUIDE提供的创建图形界面工具设计整个实验仿真界面的主界面，在设计子界面；2. 在实验子界面中添加各个控件对象，编写控件按钮回调函数，实现每个控件的控制功能，直接通过界面上的控件实现对结果的分析；3. 最后编写GUI总界面的回调函数程序，把所有的子界面集合在总界面中，通过总界面可以进入任意子界面中并可以进行操作；4. 退出实验界面。
设计流程如图3-1：. .图3-1 设计流程图3.1.2 实验系统整体结构设计信号与系统实验繁多、复杂、许多实验还需要输入参数，若将系统设计成一个界面，使得系统繁重、拥挤、不能够实现友好，美化的界面的设计要求。
因此，在设计界面的时候，采用一个主界面和若干个子界面，每个子界面是一个模块，实现一个实验或功能，并且可以通过主界面调用子界面的设计方法。
本实验系统整体结构设计由两部分组成：界面模块设计和菜单模块设计。
其中界面模块中包含六大实验模块：主界面模块、基本信号的产生实验模块、信号的基本运算实验模块、卷积实验模块、傅里叶变换实验模块、连续零状态响应实验模块、低通滤波器实验模块。
如傅里叶变换实验模块又包含方波傅里叶实验界面、离散傅里叶实验界面、快速傅里叶实验界面。
在菜单设计时，在实验子界面中除了使用系统约定的菜单条外，还增加了几个控制背景和退出实验的菜单。
系统的整体结构如图3-2所示：图3-2 实验系统的整体结构3.2 基于GUI的系统总界面的设计3.2.1 设计步骤在GUIDE的编辑界面中，在空白处双击或者单机右键选择property inspector，出现属性设置对话框，可以对GUI的属性风格进行个性化。
基于GUI的信号与系统实验仿真平台设计信号与系统实验仿真平台是一种通过计算机软件来模拟和分析信号与系统的实验现象和特性的平台。
它可以提供直观的图像界面，使用户可以通过简单的操作就能够完成信号与系统的实验，并得到相应的输出结果。
本文将设计一种基于GUI的信号与系统实验仿真平台。
我们需要确定平台需要实现的功能和要模拟的实验内容。
1. 平台功能：- 实时显示不同类型信号的波形图像；- 支持对信号进行基本的数学运算，如加减乘除等；- 支持对信号进行时域和频域分析，如傅里叶变换等；- 支持对系统进行建模，并模拟系统的输入和输出；- 支持对系统进行性能分析，如稳定性、频率响应等；- 支持实现不同种类的滤波器设计和滤波效果的仿真；- 支持对系统进行控制器设计和模拟闭环控制。
在设计过程中，需要选择合适的编程语言和开发工具。
一般来说，Python是一种功能强大且易于学习的编程语言，可以选择使用Python开发平台。
在Python中，有许多图形库可以用来实现GUI界面，如Tkinter、PyQt等。
接下来，我们需要进行平台的具体设计和实现。
需要设计平台的主界面，包括菜单栏、工具栏和主窗口。
菜单栏可以包括文件、编辑、运行等功能，工具栏可以包括常用的操作按钮，主窗口用于显示信号和系统模拟的结果。
然后，需要设计信号的生成和显示模块。
通过选择不同的信号类型和参数，可以生成不同的信号，并实时显示在主窗口中的波形图像上。
接下来，需要设计信号的运算和分析模块。
用户可以选择进行不同的运算操作，如加、减、乘、除等，并实时显示运算结果。
用户可以选择进行时域和频域分析，并显示相应的图像结果。
然后，需要设计系统的建模和模拟模块。
用户可以选择不同的系统类型，并设置系统的输入和输出。
系统的建模可以采用传递函数或状态空间模型进行模拟。
接下来，需要设计系统的性能分析模块。
可以选择进行系统的稳定性分析，如判断系统的零点和极点位置，并绘制相应的根轨迹图。
基于GUI功能的运动控制系统仿真实验平台
[摘要]本文介绍了运用Matlab的GUI（图形用户交户界面设计）功能，设计一个电力拖动自动控制系统（运动控制系统）基础实验教学管理系统，通过统一的用户界面，来选择运动控制系统实验类型、实验项目、并借助于后台MATLAB的支持，进行仿真试验。
[关键词]Matlab/GUI;运动控制系统;实验系统
1．概述
MATLAB是美国Mathwors公司于1984年推出的当今国际上最流行的数学软件之一。
它是一种使用简便的工程计算语言，以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个可交互的工作环境中，从而可实现工程计算、算法研究、建模、仿真和数据分析，同时具有可视化、科学和工程绘图、应用程序开发(包括GUI)功能。
电力拖动自动控制系统（运动控制系统）是自动化专业的一门重要专业综合课程。
它的先修课程包括电工与电子电路、电力电子学、电机与拖动、微机原理和自动控制理论，涉及多门学科，概念多、系统性、理论性强，和工程实践联系密切。
需要知识面广，内容多，尤其是工程实际知识多。
该课程是一门实践性很强的课程，实验是学好本课程必不可少的重要环节。
采用传统的课堂讲授方式来讲授这门课的最大问题在于：很难用大量的图片来介绍各种直流电机、交流电机调速系统的完整结构，也难以用清晰、明了的各种波形、图形来讲授诸如转速、电流、电压、转矩等运动控制系统的过渡过程问题。
目前，有很多的实验装置可以对运动控制系统运行进行较好地测试与观察。
但其实验系统价格昂贵，投资较大，在一些高校教学中难以实现。
本文介绍采用MATLAB/GUIDE（图形用户界面设计）设计运动控制系统的仿真实验平台，可以弥补高校实验设备缺乏，也可以起到辅助教学的作用。
2．运动控制实验系统界面设计
2.1实验系统登录界面设计
根据设计目标，在登录界面中插入武昌理工学院图片作为背景，运动控制仿真实验室为主标题，界面中设有登录按钮。
设计效果如图1所示。
图1登录界面
其中，界面中插入图片的程序设计如下（图片名称为xuexiao.jpg）。
图片必须存放于主文件（.fig）相同文件夹下。
function axes1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)
%Hint:place code in OpeningFcn to populate axes1
back=imread('xuexiao.jpg');
imshow(back);
set(back,'visible','off');
2.2实验选择界面设计
点击图1“登录界面”登录按钮，进入实验选择界面。
实验选择界面设计如下：
实验选择界面中包含控件：一个坐标轴用于插入校徽图片；3个列表框（listbox）：列表框内容分别为系统类型，电机系统类型对应的实验项目，各实验内容与目的说明；四个文本标签：三个作为列表框的说明，一个为“运动控制系统仿真实验平台”标题；两个按钮（button）：按钮标题为实验运行和退出。
图2实验平台设计界面
在运行中设计效果如图3“实验运行平台”所示。
图3实验运行平台
图3实验平台可实现如下功能：当单击系统类型选择直流调速、交流调速或伺服系统时，在实验项目列表框中会显示出相应系统类型的实验项目种类以供选择，同时实验内容与目的出现该项目的实验内容与目的。
如上图是在选择直流调速系统后，实验项目自动调出直流调速系统类型中相对应的所有实验项目，在选择了实验3之后，实验内容与目的列表框中出现“实验3转速、电流双闭环直流调速系统”的实验内容与目的。
列表框1（系统类型列表框）的回调函数设计如下，可实现上述功能。
function listbox1_Callback(hObject,eventdata,handles)
switch get(hObject,'value')
case{1},
set(handles.listbox2,'string','实验1晶阐管直流调速系统参数和基本环节特性测定|实验2带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统|实验
3转速、电流双闭环直流调速系统|实验4逻辑无环流可逆直流调速系
统|实验5转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统');
case{2},
set(handles.listbox2,'string','实验1双闭环三相异步电动机调压调速系统|实验2双闭环三相绕线转子异步电动机串级调速
系统|实验3SPWM正弦脉宽调制变频器-异步电动机变频调速
系统');
case{3},
set(handles.listbox2,'string','实验1随动系统');
end
set(handles.listbox2,'value',1)
3．实验系统中实例介绍
运动控制系统课程的实践性很强，实验是掌握本课程必不可少的重要环节，实验主要分为三大类：直流调速系统、交流调速系统、伺服系统。
通过实验培养学生掌握运用理论分析并解决问题的能力。
本实验平台共设计九个仿真实验项目，其中直流调速系统仿真五个，交流调系统仿真三个，伺服系统仿真实验一个，可以满足该课程的实验需要。
下面以运动控制系统中的重要实验：转速、电流双闭环直流调速系统为例介绍实验模型的制作与仿真，选择设计参数如下：
1．直流电动机：
电动机电动势系数：0.132.min/Ce V r =；电动机电磁时间常数：0.03l T s
=电动机机电时间常数：0.18m T s =；电枢回路总电阻：0.5R ∑=Ω
2．晶闸管整流电源（采用三相全波整流）：
平均失控时间：Ts=0.00167s ；放大倍数：40
=S K 3．固有参数的设计：
给定电压最大值：
10nm U V *=；调节器限幅电压：10nm im U U V ==4．反馈参数：
电流反馈系数：0.05；转速反馈系数：
0.007电流反馈滤波时间常数：
2fi T ms =；转速反馈滤波时间常数：10fn T ms
=5．双闭环PI 控制器：电流调节器：Ki=1.013，Ti=0.03；转速调节器：Kn=11.7，Tn=0.087
根据设计参数制作仿真模型如下图：保存为shiyan3.mdl 。
图4转速、电流双闭环直流调速系统模型
在图2界面中选择本实验后，点击运行按钮，仿真实验系统自动调出本实验模型，进行仿真可以得到转速与电流波形如图5与图6。
仿真波形将整个双闭环直流调速系统动态过程清晰明了的绘制出来。
起动过程经历了建流(0-0.02s)、恒流升速(0.02-0.35s)、退饱和超调(0.35-0.5s)，最后达到稳定运行的稳态值(0.5s之后)。
图5电流仿真波形图6转速仿真波形
运行按钮回调函数举例如下：
function pushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)
global mdl;
mdl='shiyan3';
h=waitbar(0,'please wait...');%设置进度条
for i=1:1000
waitbar(i/1000)
end
close(h)
open_system(mdl);
4.结论
通过MATLAB/GUIDE（图形用户界面设计）设计的运动控制系统仿真实验平台，对各种调速系统进行建模、仿真，可以清晰、明了的模拟各种调速实验项目，输出可供分析的各种波形。
实验平台的制作使学生对系统的认识提高，掌握系统分析、数学建模、仿真的整个知识，仿真波形的分析使学生更容易理解诸如转速、电流、电压、转矩等运动控制系统的过渡过程问题，达到对理论知识的深化，起到辅助教学的作用。
参考文献:
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.机械工业出版社,2010
[2]潘晓晟,赫世勇.m a t l a b电机仿真精华50例.电子工业出版社2007
[3]邱晓林.基于Ma t l a b的动态模型与系统仿真.西安交通大学出版社2003。
