系统仿真测试平台

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。

仿真测试系统系统概述FireBlade系统仿真测试平台基于用户实用角度，能够辅助进行系统方案验证、调试环境构建、子系统联调联试、设计验证及测试，推进了半实物仿真的理论应用，并提出了虚拟设备这一具有优秀实践性的设计思想，在航电领域获得了广泛关注和好评由于仿真技术本身具备一定的验证功能，因此与现有的测试技术有相当的可交融性。

在航电设备的研制和测试过程中，都必须有仿真技术的支持：利用仿真技术，可根据系统设计方案快速构建系统原型，进行设计方案的验证；利用仿真验证成果，可在系统开发阶段进行产品调试；通过仿真功能，还可对与系统开发进度不一致的子系统进行模拟测试等。

针对航电设备产品结构和研制周期的特殊性，需要建立可以兼顾系统方案验证、调试环境构建、子系统联调联试、设计验证及测试的系统仿真平台。

即以半实物仿真为基础，综合系统验证、系统测试、设备调试和快速原型等多种功能的硬件平台和软件环境。

目前，众多研发单位都在思索着如何应对航电设备研制工作日益复杂的情况。

如何采取高效的工程技术手段，来保证系统验证的正确性和有效性，是航电设备系统工程的重要研究内容之一，FireBlade 系统仿真测试平台正是在这种大环境下应运而生的。

在航电设备研制工程中的定位设备可被认为是航电设备研制工程中的终端输出，其质量的高低直接关系到整个航电设备系统工程目标能否实现。

在传统的系统验证过程中，地面综合测试是主要的验证手段，然而，它首先要求必须完成所有分系统的研制总装，才能进行综合测试。

如果能够结合面向设备的仿真手段，则可以解决因部分设备未赶上研发进度导致综合测试时间延长的问题。

在以往的开发周期中，面向设备的仿真技术并没有真正得到重视：（1）仿真技术的应用主要集中在单个测试对象上，并且缺乏对对象共性的重用；（2）仿真技术缺乏对复杂环境与测试对象的模拟；（3）仿真技术的应用缺乏系统性，比如各个阶段中仿真应用成果没有实现共享，即系统设计阶段仿真验证的成果，往往没有应用在后期产品测试阶段对设备的验证上。

机车TCMS网络控制系统自动化仿真测试平台
随着技术的不断更新，客户对机车运行的稳定性、安全性和可靠性的不断提高，机车网络控制系统作为机车的信息通讯核心，其安全性和可靠性显得尤为重要。

由于机车网络控制系统的复杂性，对其进行准确调试的难度很大，因此在进行完调试的基础之上，对机车网络进行测试是非常重要的。

为克服传统网络控制系统测试过程中的诸多困难，采用TCMS 网络控制系统自动化测试平台。

解决方案
TCMS 网络控制系统自动化测试平台结构如下图所示：
网络控制系统自动化测试平台可以分为机车仿真系统和测试总控系统两个部分。

机车仿真系统采用以太网TCP/IP 为其主干网络，包括：TCMS 网络；分布式实时仿真系统，模拟机车各子系统；虚拟驾驶与场景，实现虚拟驾驶。

测试总控系统采用以太网作为其主干网络，测试总控系统基于统一的通信协议管理，在此基础之上，采用了自动化测试技术、分布式监控技术、自动分析判读技术、仿真司控台、以及大规模数据存储技术。

机车仿真系统
机车仿真系统主要功能是实现列车的行为仿真和测试，通过机车仿真机柜和HiGale 仿真系统实现对列车行为的仿真模拟，虚拟驾驶和场景提供列车运行的外界环境模拟。

HiGale 采用了x86 架构的处理器及PXI 高速通信总线，而且配备了实时操作系统，能够到达甚至超过真实的嵌入式控制器实时性能，并支持各种I/O 板卡及通信板卡，能够完全取代真实控制器的外部接口。

其中HiGale 分布式仿真系统能够提供仿真实时要求较低的模型运行环境，以及无法在纯软件环境下的高速模型运行环境，包括FPGA 等方式，仿真系统之间通过反射内存网实现。

电力系统虚拟仿真实验平台设计与实现随着科技的进步和电力行业的发展，电力系统的虚拟仿真实验平台应运而生。

这种平台可以模拟真实的电力系统运行环境，通过虚拟仿真技术，对电力系统的运行进行实时模拟和监测，提供有效的实验与培训手段。

本文将详细介绍电力系统虚拟仿真实验平台的设计与实现。

一、设计目标为了满足电力系统的教学和研究需求，电力系统虚拟仿真实验平台应具备以下设计目标：1. 实时仿真：平台能够实时模拟电力系统的各种运行情况，包括电压、电流、功率等参数的计算和显示。

2. 多场景支持：平台应支持各种电力系统的仿真实验需求，包括电力传输、配电、短路、过电压等多种场景。

3. 灵活可调：平台能够根据用户需求进行参数调整，包括电力系统元件的连接方式、参数设置等。

4. 数据可视化：平台具备数据可视化功能，能够通过图表、曲线等方式直观展示电力系统运行结果。

5. 用户友好：平台的操作界面简单直观，用户可以轻松上手，进行实验仿真操作。

6. 可扩展性：平台应具备良好的扩展性，能够根据需求增加新的电力系统场景和功能。

二、平台实现1. 软件选型：平台的设计与实现可以选择使用MATLAB、PSIM等仿真软件进行开发。

这些仿真软件具备强大的仿真能力和用户友好的界面，适合电力系统虚拟仿真平台的开发和实现。

2. 前端设计：平台的前端设计是用户与平台进行交互的界面，应该具备良好的用户体验和友好的操作界面。

界面上可以包括电力系统的拓扑结构、元件的图示、参数的设置和实时模拟结果的显示等功能。

3. 后端开发：平台的后端开发是实现电力系统运行的核心部分。

通过编程语言如Python或MATLAB，可以实现电力系统的计算和数据处理，如节点电流计算、矩阵运算等。

后端开发还可以实现电力系统的仿真参数调整、故障注入等功能。

4. 数据库设计：为了保存和管理用户的实验数据和结果，需要设计数据库进行数据存储和查询。

数据库可以使用MySQL、SQLite等关系型数据库进行设计，并通过编程语言的API进行数据的读写操作。

虚拟仿真实验平台使用教程一、首次使用1. 虚拟仿真实验平台登录网址为：:60502. 点击右上角“系统使用说明（首次登录必看）”3. 根据视频教程安装虚拟运行环境4. 查看系统各模块的视频教程二、预习测试1. 登录仿真平台（初始账号密码均为10位学号，登录后请设置邮箱和密保问题，设置后可以自行找回密码）2. 进入“实验预习系统”3. 在“完成预习”选项卡下进入预习，根据提示完成预习测试题。

注意：“实验预习系统”仅具有答题功能，请同学们完成预习测试题前先在“仿真实验V4.0”系统进行实验学习！三、仿真实验1. 进入“仿真实验V4.0”2. 进入各实验项目进行学习和实验3. 实验操作由系统评分，同时考察实验操作过程和测量数据情况。

注意：请在结束实验操作前截图保存原始数据，以进行后续的数据处理和报告撰写，实验结束后无法查看原始数据！四、实验报告提交1. 完成虚拟仿真实验后，在“开始实验”选项卡下点击“上传实验报告”2. 点击“报告模板下载”按钮下载该实验的报告模板，根据模板要求完成实验报告并上传。

3. 在教师评阅前实验报告可多次上传，新上传的实验报告会覆盖之前上传的。

五、技术问题1. 虚拟仿真实验平台使用过程中遇到技术问题时，可在“虚拟仿真实验环境安装及使用问题解决方案”中查找解决方案。

2. 遇到无法解决的问题，同学们可以将问题反馈给学习委员，由学习委员在“物理实验课程通知群”统一反馈给实验指导教师和公司技术人员。

附：虚拟仿真实验环境安装及使用问题解决方案虚拟仿真实验环境安装及使用问题解决方案1. 安装过程中如果遇到如图所示的情况解决方案：请关闭杀毒软件(360安全卫士，360管家，联想电脑管家，鲁大师等)，再重新安装，如果还不行就按照如下链接给注册表权限再安装2. 安装过程中提示指定路径或磁盘上找不到文件解决方案：请右键我的电脑--属性，查看如图所示的TEMP和TMP的变量值是否一样3. 安装过程中提示请先确定操作系统已经安装了.net3.5解决方案：按照如图所示，直接在控制面板中勾选.net3.5，确定，让Windows 更新为你下载文件4. 安装过程中提示修改，修复，除去解决方案：这个说明你的电脑已经安装过虚拟实验环境了，不要再次点击安装程序，直接去网站上的打开仿真系统，开始实验即可5. 安装过程中提示Windows已保护你的电脑解决方案：点击更多信息，再点击仍要运行6. 安装过程中提示阻止操作解决方案：请退出所有的杀毒软件，特别是360安全卫士，360杀毒，360管家，鲁大师之类的7. 安装.net 3.5出现这样的问题解决方案：先用离线版的.net3.5的安装包直接双击安装，然后安装不成功再用下载专区的win10修复工具修复8. 安装过程中出现乱码解决方案：打开控制面板，选择时钟和区域，再选择区域，点击更改系统区域设置，将当前区域设置改成中文（简体，中文）9. 安装过程中出现基于脚本的失败解决方案：退出所有的杀毒软件，将安装程序放在桌面上，右击安装程序以管理员身份运行10. 启动Windows update 服务时，提示拒绝访问解决方案：这个可能是电脑不允许更新的设置问题，可以直接安装离线版3.5 的安装包，然后再在控制面板中再勾选.net 3.5确定就行11. 控制面板中勾选3.5安装时，Windows无法完成请求的更改，组件存储已损坏解决方案：这个说明你电脑的操作系统的3.5环境被破坏了，所以安装不成功，可以直接找到网站首页的首次登录必看的连接进去，找到下载专区，把win10专业版升级工具下载下来给你的系统升级一下，升级完之后，控制面板中可能就可以安装.net3.5了12. 开始实验提示出错该字符串未被识别为有效的DateTime 解决方案：长日期和短日期改成如图所示的格式13. 开始实验遇到这样的2个问题解决方案：按照如图所示，重置网络点击开始，搜索中直接输入CMD，在搜索结果中，在命令提示符上右击，选择以管理员身份运行，命令行输入：netsh winsock reset，回车，命令执行完成后然后重启电脑即可14. 开始实验提示1%不是有效的win32应用程序解决方案：将虚拟实验环境安装在D盘试试，有的时候C盘被破坏了，换个盘可能就行了15. 开始实验提示出错，打不开实验解决方案：首先将虚拟实验环境在控制面板中卸载，然后看下C盘有没有虚拟实验环境文件夹，如果有的话也删除这个文件夹，没有就不用操作，然后再退出杀毒软件，右击我们的虚拟环境安装程序以管理员身份运行，直接默认安装在C盘，安装完用谷歌浏览器打开仿真网站开始实验16. 开始实验提示文件打开出错调用的目标发生了异常解决方案：调用目标异常可以尝试修改这个注册表17. 仿真开始实验时提示文件下载出错、解决方案：方法1：按照截图中的路径，删除这些文件再重新开始实验，如果还是不行，就用下面的方法2方法2：找到图下的文件夹Download文件夹，（根据自己安装的文件位置不同，图下所示是安装在C盘），删除如图所示的文件，然后再把售后发的仿真Download解压，解压出来的里面的2个文件再替换被删除的文件，然后再开始实验解压到仿真Download文件夹，然后打开这个文件夹，如下图所示；18. 开始实验提示未将对象引用设置到对象的实例解决方案：重新安装虚拟实验环境之后，再重启电脑，退出杀毒软件，打开实验界面看看。

Proteus展开全文Proteus是一款非常实用的仿真软件，Proteus内有很多的仿真器工具，被众多的仿真器使用者所喜爱。

并且软件内的模型处理器支持多种类型的格式，满足了绝大部分使用者的需求。

【软件介绍】Proteus是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上着名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

【软件功能】一、互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件二、仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，它建立了完备的电子设计开发环境三、资源丰富1.可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。

2.可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。

理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

3.除了现实存在的仪器外，该软件还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。

这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响4.可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。

仿真实验平台设计与构建随着计算机科学技术的发展，仿真实验平台已经成为许多领域中不可或缺的工具。

仿真实验平台通过模拟实际情况，可以帮助人们研究和解决各种问题。

本文将探讨如何设计和构建一个高效且可靠的仿真实验平台。

一、平台设计1. 定义目标：首先，我们需要明确仿真实验平台的目标和功能。

它是用于教育、研究、开发还是其他用途？根据不同的目标，设计出不同的平台架构和功能需求。

2. 界面设计：一个直观且易于操作的界面对于用户来说非常重要。

平台的界面应该简洁明了，不要过于复杂，同时应该考虑到不同用户群体的需求，提供可自定义的选项。

3. 数据管理：实验平台需要对用户输入的数据进行管理和存储。

因此，平台需要具备高效的数据管理系统，包括数据录入、存储、查询和分析等功能。

4. 模型设计：仿真实验平台的核心在于模型的设计和构建。

模型应该准确地反映实际情况，并提供不同参数的选择。

模型的设计需要结合领域知识和相关研究，确保其有效性和可靠性。

5. 交互设计：平台应该提供良好的交互性，用户可以通过界面进行实时交互和反馈。

用户可以通过修改参数、观察结果并进行实验结果的分析等。

二、平台构建1. 技术选择：在构建平台时，我们需要选择适合的技术和工具。

这些技术和工具应该能够满足平台的需求，并具备良好的稳定性和可扩展性。

2. 数据库设计：平台需要使用数据库来存储和管理用户的数据。

数据库的设计应该考虑到数据的安全性、稳定性和查询效率等方面。

常见的数据库系统包括MySQL、Oracle等。

3. 模型构建：根据平台设计的模型需求，我们需要进行模型的构建。

在构建模型时，我们需要根据所选的技术和工具进行合理的编码和测试，确保模型的准确性和稳定性。

4. 用户管理：平台需要提供用户管理功能，包括用户注册、登录、权限管理等。

用户管理模块应该具备良好的安全性，保护用户的隐私信息。

5. 系统集成：在完成各个模块的构建后，我们需要进行系统的集成测试。

通过测试，我们可以确保各个模块之间的协调性和兼容性，保证平台的稳定运行。

e-Labsim虚拟仿真实验平台一、项目背景目前很多学校都投入了大量的资金用于实验室的建设，几年下来，应该说与课程直接相关的实验室基本上都建起来了，可是在实验室的使用和实践教学方面，很多学校都遇到了一些问题，产生了一些困惑，实验效果也是不尽人意，具体表现在如下几个方面：1）学校的实验教学资源难以做到充分有效地利用，一直在提的“开放实验室”无法做到真正的开放；2）实验课时有限，且学生在实验课之前无法对理论及实验设备进行较好地预习，导致实验不充分、低级问题不断，结果让实验老师的指导负担加重，实验设备易损坏，且实验效果大打折扣；3）现有的实验设备只能提供极为有限的二次开发空间，且对二次开发没有提供很好的支撑，导致现有设备离创新人才的培养环境要求差距十分巨大；4）现有实验设备因可靠性、配套资料不完善或实验现象不稳定等问题，在很大程度上影响了实践教学；5）对学生实验效果的评价和考核手段很单一，往往只以实验报告来进行考核；6）因实验配套的测试设备不完备，往往只靠示波器来观察实验现象，导致学生的观察手段和观察角度单一，从而影响到学生对相关理论的理解和验证；针对当前高校通信类专业实践教学所存在的现状，武汉凌特电子技术有限公司投入近三百万元，联合国内在仿真及通信技术方面有较深入研究几家科研院所，经过两年多时间的潜心研发，推出了一款e-Labsim仿真型开放实验室系统。

该系统主要采用了大型仿真软件所独有的算法及时序仿真相结合的技术，给学生搭建起一个随时随地可以学习和创新设计的环境。

e-Labsim的出现从根本上改善了实践教学领域中资源利用不充分、实验效果不满意以及创新环境不完善等状况，该产品将会在很大程度上提升相关学校的实践教学水平。

应该说，e-Labsim的出现也填补了国内在教学领域仿真软件方面的空白，长期以来，国内在电子设计实践教学方面都依靠国外的仿真软件，如美国NI公司的Multisim，而这类软件除了价格昂贵之外，它基本上只能应付从器件到电路或模块的仿真，从功能模块到系统的仿真则无法应对，e-Labsim则很好地填补了这方面的空白。

D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2024.2.125 收稿日期:2022-11-27基金项目:国家自然科学基金(51705286);山东省研究生教育教学改革研究(S D Y J G 21031);曲阜师范大学校级教改实验项目(S J G 202220).通信作者:陈梅,女,1975-,硕士,讲师;研究方向:控制系统仿真,图像处理;E -m a i l :c h e n m e i w j@126.c o m.基于M A T L A B G U I 的自动控制原理仿真实验平台设计陈 梅, 费玉环(曲阜师范大学工学院,276826,山东省日照市) 摘要:为满足自动控制原理课程线上线下混合式教学的需要,通过MA T L A B G U I 编程设计了自动控制原理实验仿真平台.该仿真平台包括了6个基础实验和4个综合实验,从时域㊁频域㊁根轨迹及状态空间对系统进行分析,并对系统进行了P I D 整定㊁根轨迹及频域法校正,可获得系统的时域㊁频域及根轨迹性能参数及图形.控制系统参数的自动获取及直观的图形显示,使学生更好理解控制系统的原理,有助于提高学生的控制系统设计及应用能力.关键词:MA T A L B G U I;自动控制原理;仿真实验平台;性能参数中图分类号:T P 391.9 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2024)02-0125-040 引 言自动控制原理 是自动化专业的核心课程,自动控制原理包括对控制系统的时域㊁频域㊁根轨迹分析及设计.随着软件开发在教学中的使用,自动控制原理相关仿真系统开发软件越来越多,比如控制系统的二阶R L C 振荡电路的仿真系统[1,2],P I D 控制系统仿真[3,4],系统稳定性分析的仿真软件[5].由于MA T L A B 具有强大的数据处理及图形可视化功能,其在课程仿真中的应用越来越多.为满足自动控制原理课程线上线下混合式教学的需要,通过MA T L A B G U I 编程实现了仿真实验演示平台.该实验平台包含了10个仿真实验,其直观的图形显示,以及便捷的数据处理,可使学生更好理解自动控制原理的内容.1 实验平台设计思路根据自动控制原理实验的内容[6],该实验仿真平台设计了10个实验项目,其中包括6个基本实验:控制系统典型环节的表示及分析㊁控制系统的时域分析㊁频域分析㊁根轨迹分析㊁P I D 控制分析及线性系统的状态空间分析,4个综合实验:控制系统的P I D 参数整定㊁频域法校正㊁根轨迹法校正及倒立摆系统的分析与设计.仿真平台的功能框图如图1所示.图1 仿真实验平台功能框图第50卷 第2期2024年4月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .50 N o .2A p r .2024(1)控制系统典型环节表示与分析.典型环节主要包括比例环节㊁积分环节㊁一阶惯性环节㊁实际微分环节㊁二阶振荡环节及延迟环节6种.该实验实现了典型控制系统的数学模型表示,并绘制了各系统的单位阶跃响应曲线,同时对系统性能进行了分析.(2)控制系统的时域分析.该实验让学生了解不同输入信号下的系统响应曲线,并掌握单位阶跃响应的动态性能指标.输入信号包括单位阶跃㊁单位脉冲㊁单位斜坡㊁单位加速度㊁及正弦信号,动态性能指标包括上升时间t r㊁峰值时间t p㊁超调量σ㊁调节时间t s及稳态误差e s s.(3)控制系统的频域分析.该实验主要包括系统频域图形绘制及频域参数求解.频域图形包括B o d e 图㊁N y q u i s t图及N i c h o l s曲线,系统频域参数包括增益裕量G m㊁相角裕量P m㊁穿越频率ωc g及剪切频率ωc p.(4)控制系统的根轨迹分析.该实验包括系统根轨迹绘制,以及求解系统的临界开环增益K及稳定增益范围.(5)P I D控制系统分析.该实验可以设置不同P I D参数,通过单位阶跃响应曲线及动态性能指标,使学生掌握P㊁P I㊁P I D等不同控制及参数,对系统性能的影响.(6)线性系统的状态空间分析.该实验可以对线性系统可观可控分析;确定系统极点配置的状态反馈矩阵及反馈系统;确定状态观测器反馈矩阵及状态观测器设计.(7)控制系统的P I D参数整定.该实验让学生掌握临界比例度法及4ʒ1衰减曲线法2种常用的P I D参数整定方法,以及P㊁P I及P I D控制参数的求解.(8)控制系统的频域法校正.频域法校正包括超前㊁滞后㊁滞后超前3种校正方法.通过设置需要校正的参数静态误差系数K v㊁相角裕度γ及剪切频率ωc,来确定校正器的参数,并通过校正前㊁后的时域及频域参数来验证校正后系统性能的改善.(9)控制系统的根轨迹法校正.根轨迹校正包括超前㊁滞后㊁超前滞后3种校正方式.通过设置时域参数超调量σ及调节时t s;或频域参数阻尼比ζ及角频率ωn,来确定校正系统的参数,并通过校正前后的时域参数对比来验证校正后系统性能是否满足要求.(10)倒立摆系统的分析与设计.该实验让学生了解倒立摆系统的工作原理,以及对倒立摆的控制.通过设置倒立摆参数,可以确定状态方程及输出方程,并通过极点配置及P I D参数整定对系统进行控制.该仿真实验平台的界面的设计及功能编程是通过MA T L A B G U I设计实现的.界面的设计通过G U I D E图形用户接口开发环境实现[7].在MA T-L A B2018的命令窗口中键入 g u i d e 打开G U I D E,通过添加控件分别设计各界面,界面设计的文件名扩展名为.f i g;然后编辑对应的M文件,通过各界面控件的C a l l b a c k函数实现控件的功能.2实验平台的功能实现2.1仿真系统界面设计该仿真系统包括1个主界面和10个子界面,主界面中主要包括10个按钮,用来显示各实验子界面.下面以 控制系统根轨迹校正 实验为例说明各子界面的设计过程.根轨迹校正实验子界面中主要包括系统参数设置㊁校正参数设置㊁校正系统获取㊁系统性能参数的求解㊁校正前后根轨迹及单位阶跃响应曲线的绘制5个模块.仿真界面通过MA T L A B G U I设计,通过添加各控件实现,界面设计如图2所示.图2根轨迹法校正界面2.2实验平台功能实现2.2.1系统参数设置控制系统参数设置形式为传递函数形式,通过在编辑框中输入分子n u m㊁分母d e n参数实现.使用g e t函数获取编辑框中的字符串,并通过s t r2n u m函数将字符串转换为数值,最后通过t f函数得到系统传递函数.621曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年2.2.2校正参数设置根据根轨迹法校正设计要求[8],系统校正的参数设置包括静态误差系数K v㊁时域参数超调量σ和调节时间t s㊁频域参数阻尼比ζ和角频率ωn.设置时域参数或频率参数的选择通过单选按钮实现,两种形式的参数可以相互转换,主要实现代码如下.i f(g e t(h a n d l e s.r a d i o t i m e,'V a l u e'))%时域参数z e t e=((l o g(1/s i g m a))^2/((p i)^2+(l o g(1/ s i g m a))^2))^(1/2)%ζw n=3.5/(z e t e*t s)%ωne l s e%频域参数s i g m a=e x p(-p i*z e t e/s q r t(1-z e t e*z e t e)) *100t s=3.5/(z e t e*w n)2.2.3校正器参数根轨迹法校正包括超前㊁滞后㊁超前滞后3种校正方式,通过按钮实现选择,超前校正实现代码如下. k c=k v/n u m*d e n(l e n-1);g=p o l y v a l(n u m,s1)/p o l y v a l(d e n,s1);t h e t a_G=a n g l e(g);t h e t a_s=a n g l e(s1);MG=a b s(g);M s=a b s(s1);T z=(s i n(t h e t a_s)-k c*MG*s i n(t h e t a_G-t h e t a_s))/(k c*MG*M s*s i n(t h e t a_G))T p=-(k c*MG*s i n(t h e t a_s)+s i n(t h e t a_G +t h e t a_s))/(M s*s i n(t h e t a_G))G c1=t f([T z,1],[T p,1])%超前2.2.4校正系统动态性能参数校正后的系统开环传递函数是由原系统的开环传递函数G0(s)与校正器的传递函数G c(s)串联组成[9].为了验证校正系统是否满足要求,需要确定校正前后系统的性能参数,包括超调量σ㊁上升时间t r㊁调节时间t s,主要实现代码如下.[y,t]=s t e p(G G c);[m a x_y,k]=m a x(y);C=d c g a i n(G G c);m a x_o v e r s h o o t=(m a x_y-C)/C*100;s=l e n g t h(t);w h i l e y(s)>0.95*C&&y(s)<1.05*Ce n ds=s-1;t s=t(s)%调节时间2.2.5仿真曲线绘制为了更直观地比较系统校正前后的性能,绘制了其对应的单位阶跃响应曲线及根轨迹.使用s t e p 函数绘制单位阶跃响应曲线,使用r l o c u s函数绘制根轨迹曲线,坐标轴控件的设置通过a x e s函数实现. 3实验平台测试通过实例对实验平台的各项功能进行了测试.例控制系统的开环传递函数G(s)=8s2+0.4s,通过根轨迹校正,使系统满足静态误差系数为4,超调量为30%,调节时间为3.5s.根据校正要求,首先进行系统参数设置,输入分子n u m为8,分母d e n为[1,0.4,0].设置校正参数静态误差系数K v为4,选择时域参数单选按钮,并输入超调量σ为30,调节时间t s为3.5s.选择校正按钮后,系统开始校正,将求解的校正器参数及系统性能参数显示到对应的编辑框中.选择 超前校正 按钮,求得校正系统的传递函数为G C(s)=2.73s+10.51s+1,校正后的超调量为30%,上升时间为0.5s,调节时间为2.76s,满足设计要求.选择 滞后校正 按钮,求得校正系统的传递函数为G C(s)=0.215s+0.00215s+0.00215,校正后的超调量为60%,上升时间为0.94s,调节时间为13.4s,超调量及调节设计均不满足设计要求,不采用该校正方式.选择 超前滞后 校正按钮,求得校正系统的传递函数为G C(s)=0.49s+0.20.5s+1㊃0.66s+0.0066s+0.00656,校正后的超调量为21.8%,上升时间为0.69s,调节时间为2.3s,满足设计要求.超前滞后校正前后单位阶跃响应响应曲线如图3所示,根轨迹下页如图4所示.图3超前滞后校正前后单位阶跃响应曲线721第2期陈梅,等:基于MA T L A B G U I的自动控制原理仿真实验平台设计图4 超前滞后校正前后根轨迹4 结 论通过MA T L A B G U I 设计了自动控制原理实验仿真平台,实现了控制系统分析中的10个典型实验.该仿真系统数据获取方便,并且直观的图形显示有助于学生加深对控制系统的理解.教学实践表明,该实验平台操作方便,功能设计齐全,可用于自动控制原理课程的线下课堂演示教学和线上实验教学,使学生更牢固地掌握知识,同时有助于提高学生的编程设计能力和问题解决能力.参考文献:[1]马壮.基于M a t l a b 的典型二阶R L C 振荡电路实验教学仿真[J ].实验室研究与探索,2016,35(10):95-98.[2]王晨丰,赵鹏.基于M A T L A B L T I V i e w e r 工具箱的二阶系统阶跃响应分析[J ].电子测试,2020(8):57-59.[3]陈梅,王健.基于MA T L A B G U I 的P I D 控制仿真系统设计[J ].实验技术与管理,2020,28(2):140-143.[4]张婧,盖文东,徐文尚,等.基于M a t l a b 的P I D 控制器参数整定方法[J ].实验科学与技术,2016,14(4):37-40.[5]闫红梅,张鸣,李远征,等.基于M a t l a b 的系统稳定性分析实验设计[J ].实验技术与管理,2018,35(4):144-146.[6]胡寿松.自动控制原理[M ].6版.北京:科学出版社,2016.[7]张贤明.MA T L A B 语言及应用案例[M ].南京:东南大学出版社,2010.[8]王正林,王胜开,陈国顺,等.MA T L A B /S i m u l i n k 与控制系统仿真[M ].北京:电子工业出版社,2008.[9]张德丰.MA T L A B 控制系统设计与仿真[M ].北京:电子工业出版社,2009.D e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i p l e s i m u l a t i o n e x pe r i m e n t p l a tf o r m b a s e d o n M A T L A B G U IC H E N M e i , F E I Y u h u a n(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ,Q u f u N o r m a l U n v e r s i t y ,276826,R i z h a o ,S h a n d o n g,P R C )A b s t r a c t :T o m e e t t h e n e e d s o f b l e n d e d o n l i n e a n d o f f l i n e t e a c h i n g o f a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i pl e s ,t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t p l a t f o r m o f a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i p l e i s d e s i g n e d t h r o u gh MA T L A B G U I p r o -g r a mm i n g .T h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m i n c l u d e s 6b a s i c e x p e r i m e n t s a n d 4c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t s .I t a n -a l y z e s t h e s y s t e m f r o m t i m e d o m a i n ,f r e q u e n c y d o m a i n ,r o o t l o c u s a n d s t a t e s pa c e ,a n d c o n d u c t s P I D t u n -i n g ,r o o t l o c u s a n d f r e q u e n c y d o m a i n c o r r e c t i o n f o r t h e s y s t e m.T h e t i m e d o m a i n ,f r e q u e n c y do m a i n a n d r o o t l o c u s p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s a n d g r a p h s o f t h e s y s t e m c a n b e o b t a i n e d .T h e a u t o m a t i c a c q u i s i t i o n o f c o n t r o l s y s t e m p a r a m e t e r s a n d v i s u a l g r a p h i c d i s p l a y c o u l d h e l p s t u d e n t s t o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e p r i n c i pl e o f t h e c o n t r o l s y s t e m ,e n h a n c e s t u d e n t s c o n t r o l s y s t e m d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n a b i l i t y,a n d m e e t t h e r e -q u i r e m e n t s o f e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g o b je c t i v e s .K e y wo r d s :MA T L A B G U I ;a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i p l e ;s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t p l a t f o r m ;p e r f o r m -a n c e p a r a m e t e r821 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2024年。