自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用

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。

自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发
王焕然;徐颖秦
【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》
【年(卷),期】2010(022)004
【摘要】利用MATLAB语言及其图形用户界面GUI(graphical user interfaces)功能和Simulink工具箱,通过设置图形窗口、调整控件、设置属性、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了对各实验界面的集成.该平台既能完成自动控制原理各种实验的仿真,又可以进行实际系统的分析、综合与研究开发,从而达到激发学生学习和创新激情的目的.【总页数】4页(P157-160)
【作者】王焕然;徐颖秦
【作者单位】江南大学通信与控制工程学院,无锡,214122;江南大学通信与控制工程学院,无锡,214122
【正文语种】中文
【中图分类】TP13
【相关文献】
1.自动控制原理虚拟实验平台的设计开发 [J], 邵宏文
2.自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用 [J], 杨绘弘
3.基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验教学平台设计 [J], 刘惠敏
4.基于Web和Matlab自动控制原理虚拟实验平台的设计 [J], 高嵩;姚娜
5.自动控制原理课程虚拟实验平台的开发 [J], 徐凤霞; 朱玲; 范明清; 荆丽秋; 胡遵河
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自动控制原理虚拟实验平台的设计开发自动控制原理课程具有理论难度较大，教学内容相对抽象的特点，高职学生对于掌握本门课程具有一定的难度。

因此开发自动控制原理虚拟实验平台对于课程的实践性教学环节的开展，对课程学习效果的提升都具有重要的作用。

提出了自动控制原理虚拟实验平台建立的基本方案、分析了实验平台的使用以及在教学过程中的实践。

标签：自动控制；虚拟实验平台；课程；Labview；Matlab引言“自动控制原理”是自动化类专业重要的专业基础课程，主要分析了控制系统的基本概念、控制系统物理对象建立数学模型的方案、控制系统时域、变换域求解的基本方案、系统的稳定性等方案。

对学生掌握自动控制系统的分析与设计方法，为工程应用方面的自动控制系统的设计调试奠定了重要的基础。

为了适应高职教学理实一体化的教学要求，增强学生对于抽象知识的理解，在课程讲授过程中，实验具有不可替代的重要作用。

通过一定的实验学生能够加深对于理论知识的理解，提升实践技能以及分析解决问题的方案。

自动化控制系统的实验设备和实验场地收到了一定的限制，因此采用虚拟的实验平台进行课程实验的教学就显得尤为重要。

随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展，采用NI公司的Labview编程语言，开发出基于Labview虚拟实验系统，结合第三方公司提供的数据采集卡，对虚拟实验系统稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验，又能结合学校原有的硬件电路设备进行硬件实验的综合实验系统，可以显著提高教学效果和实验效果。

1 虚拟开发工具Labview简介虚拟仪器作为现代仪器仪表发展方向，已迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用已经十分普及，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

Labview是一种基于图形的集成化程序开发环境的图形化编程软件，软件在数据采集、仪器仪表控制以及数值分析方面具有重要的应用价值，很好地实现了虚拟仪器的概念。

工业自动控制系统中的虚拟控制实验教学平台研究近年来，随着我国工业化进程加快，工业自动化一直处于高速发展的状态，而工业自动化控制，是实现工业自动化需要掌握的关键技术之一。

对于工业自动化控制这门学科，实践性非常重要，而虚拟控制实验室，正是如今教育改革中十分重要的一部分。

虚拟控制实验室已成为当前工业自动控制系统教学中常见的一种形式，尤其是在大学教育中。

本文将就工业自动控制系统中的虚拟控制实验教学平台进行探讨和研究。

一、虚拟控制实验教学平台背景介绍虚拟控制实验教学平台一般是以电脑软件或云端服务的形式呈现，非常便于学生在学习和实践中使用。

虚拟控制实验教学平台模拟指令、算法、控制系统、传感器、执行器和现场设备的交互式控制过程，便于用户观察并随时调试各种参数。

因此，虚拟实验室提供了学习者体验现实操作时所未必能够获得的多个维度的交互环境。

虚拟实验搭配多媒体教学、网络教学等等，可以有效地提高学生的学习兴趣，也可以降低实验成本，能够满足大量学生的需求。

二、虚拟控制实验教学平台的特点1.虚拟实验平台可以在学校任何时间授课，学生可以随时进行学习，甚至还可以在家里完成实验的部分工作，非常的便捷。

2.虚拟实验平台可以真实地模拟真实环境下的各类操作行为。

学习者可以直接操作设备的各个部分，不但可以感受到实验过程中的持续性、整体性和材料性，还可以感受到物体的形态、硬度和质地，从而加深对于实验过程的理解。

3.虚拟实验平台的模拟过程直观、操作方便，可以帮助学习者快速掌握自动控制原理和应用技术，还有助于巩固相关知识点、吸收实践方面的经验。

4.虚拟实验平台通常可以对所有学习数据进行记录，学生可以查看自己的学习记录、实践成果和掌握程度，以便于更好地了解自己当前的状态、需求和发展方向。

同时也可以帮助教师和学院更好地把握学生的学术水平和掌握状态、评估学生的学习质量等等。

三、虚拟控制实验教学平台应用虚拟实验平台在教育学习上广泛应用，尤其对于从事自动化、电气、机电等专业人员的数字化化学习，更为重要。

《自动控制原理》的虚拟仿真在课堂教学中的应用作者：顾洲来源：《教育教学论坛》 2016年第28期顾洲（南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京210037）摘要：《自动控制原理》课程具有较强的理论性，内容抽象不易理解；知识点多，计算烦杂，且作图量大，给学生理解带来很大困难。

存在着“教师难讲、学生难学”的情况，如将虚拟仿真技术应于传统的课程教学中，大量的推导计算与图形绘制将被一些指令所取代，解决了复杂的数学计算问题，避免学生狭隘地认为控制问题即为数学问题。

虚拟仿真技术可以把抽象的理论变得生动，把烦杂的计算任务交给计算机，让学生对理论知识的掌握变得简单，为自动化课程的教学改革提供了良好的平台。

关键词：Matlab；可视化；教学实践中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0178-02一、引言《自动控制原理》为自动化专业的核心基础课程，内容抽象不易理解；知识点多，计算烦杂，且作图量大。

在传统的教学过程中，教师花费大量的时间和版面进行推导公式和绘制曲线，而且难以保证结果的精度和准度，也不能反映系统动态响应过程，影响了课堂教学效果。

计算机技术的飞速发展，各种应用软件层现叠出，在控制理论领域MATLAB应用最为广泛，进行适当编程，即可分析控制系统的动静态性能。

（一）研究参数变化对系统的影响由于MATLAB具有很多成熟的控制系统的库函数，对于本科教学中的控制问题只需调用库函数即可实现。

我们通过改变系统的控制参数或对象参数来分析和理解该参数对系统产生的影响，让复杂的问题变得简单，抽象的问题变得直观，便于学生理解，把必须到实验室的硬件环境搬到课堂，增强学生学习的自信心以及学习兴趣，同时学生在自学过程中，也可以作为练习验证的工具。

作者通过Matlab的GUI编程，编写了可视化的仿真工具，如图1。

在图1所示的仿真界面中，有两个组合框可以选择是一阶系统还是二阶系统，其形式分别是K/TS+1和ω2/s2+2ξω+ω2，以及响应曲线方式的选择（阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）；另外还有两个编辑框用于编辑一阶和二阶系统的参数，在选择一阶系统时，可供编辑的参数为时间常数T和比例增益K；在选择二阶系统时，可编辑参数分别为固有频率ω和阻尼系数ξ，通过改变参数，可以形象生动的看出不同的参数对系统的影响。

目录摘要............................................................................................................................... 错误！未定义书签。

Abstract .. (1)1 绪论........................................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.1 本文研究背景................................................................................................ 错误！未定义书签。

1.2 本文的选题意义............................................................................................ 错误！未定义书签。

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)2.1 MA TLAB工具介绍 (3)2.2 Simulink工具简单介绍 (4)2.3 GUI简单介绍与可视化接口环境 (4)2.3.1 GUI概念介绍 (4)2.3.2 GUI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1 (27)致谢 (55)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。

《自动控制原理》虚拟实验系统开发The development of virtual lab system for automatic control theory摘要根据《自动控制原理》课程实验教学在高校实验实践中遇到的困难和实验教学改革的需要，本文提出了建立基于LabVIEW的自动控制虚拟实验系统方案。

运用虚拟仪器代替传统仪器，既节约实验室建设成本，又可以得到良好的实验效果。

另外，该系统可以调动学生积极性，培养创新精神，加强实践动手能力的培养本文首先分析了虚拟仪器的构成、分类与应用，选择图形化软件LabVIEW作为开发环境；其次，提出基于LabVIEW的自动控制原理实验系统的方案，包括系统结构、功能和性能特性以及设计流程和方法，并逐一实现各子实验系统。

最后，利用Matlab语言编程进行对比分析，进行正确性验证。

关键词：自动控制系统，虚拟仪器，MATLABABSTRACTOn the basis of problems encountered in actual experiment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of experiment teaching revolution,a new kind of automatic control theory virtual experiment system based on LabVIEW is ing the virtual instrument to instead of the traditional instruments, namely, saving the laboratory construction costs, but also can be a good experiment. In particular, the practical ability to engage students and cultivate a spirit of innovation can be strengthen.Firstly, the Virtual Instrument is briefly introduced in the paper, including the form, classification and the application. Then the graphics mode software LabVIEW is selected as development environment. Secondly, the project of experiment system of automatic control theory based on the LabVIEW is given; including system structure, function and performance characteristics as well as the design process and methods, then the experimental sub system is designed one by one. Finally,MATLAB programming is used for comparison and accuracy certificationKeywords: automatic control system,virtual instrument,MATLAB目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 课题研究的背景 (1)1.2 课题研究的目的与意义 (1)2 系统总体方案论证 (2)2.1 本课题的设计任务 (2)2.2 方案论证 (2)3 设计原理 (4)3.1 一阶系统惯性环节虚拟实验系统设计原理 (4)3.1.1一阶惯性环节数学模型的建立 (4)3.1.2MATLAB仿真 (4)3.2 二阶系统的时域特性研究 (5)3.2.1二阶系统数学模型的建立 (5)3.2.2MATLAB仿真 (6)3.4 系统校正 (6)3.4.1串联超前校正 (7)3.4.2串联滞后校正 (8)3.4.3串联滞后-超前校正 (8)3.5 PID控制系统 (10)3.5.1 PID控制原理 (10)3.5.2 水箱模型分析 (11)4 程序方案设计 (12)4.1 总体设计 (12)4.2 基于LABVIEW的虚拟实验系统设计 (12)4.3 用户管理程序设计 (13)5 《自动控制原理》虚拟实验系统开发 (15)5.1 一阶系统惯性环节虚拟实验系统 (15)5.1.1功能描述 (15)5.1.2设计步骤 (15)5.2 二阶系统的时域特性研究 (16)5.1.1功能描述 (17)5.1.2设计步骤 (17)5.3 二阶系统稳定性判定 (19)5.3.1功能描述 (19)5.3.2设计步骤 (19)5.3.3MATLAB仿真 (20)5.4 奈氏曲线的绘制及稳定性判断 (21)5.4.1功能描述 (21)5.4.2设计步骤 (21)5.5 系统根轨迹图绘制 (23)5.5.1功能描述 (23)5.5.2设计步骤 (23)5.6 增益裕量与相位裕量分析 (25)5.6.1 功能描述 (25)5.6.2 设计步骤 (25)5.7 超前校正与滞后校正 (26)5.7.1功能描述 (26)5.7.2设计步骤 (27)5.8采样系统校正虚拟实验系统 (29)5.8.1功能描述 (29)5.8.2设计步骤 (29)5.8.3MATLAB仿真 (31)5.9 基于PID算法的水位控制系统 (32)5.9.1功能描述 (32)5.9.2设计步骤 (32)5.10 综合性实验 (33)5.10.1功能描述 (33)5.10.2设计步骤 (33)6 登录系统设计 (36)6.1 功能描述 (36)6.2 设计步骤 (36)结论 (37)参考文献 (39)致谢 (38)1 绪论21世纪自动控制技术得到了广泛的应用，《自动控制原理》作为自动化、电子、信息及相关专业的重要专业基础课，对学生专业知识体系的建立和后续学习研究理论基础的奠定有着无法替代的重要作用【1】。

《自动控制原理》虚拟实验系统使用说明一、启动请双击下载到本机的《自动控制原理》虚拟实验系统可执行文件ACVLAB.exe 文件，启动实验程序。

二、虚拟实验系统简介1. 系统主界面系统主界面显示5个实验名称按钮和1个退出按钮。

5个实验分别是：典型环节实验、典型系统瞬态响应实验、系统校正实验、典型系统频率特性实验和自主设计实验，如图1所示。

实验名称按钮图1 系统主界面2. 典型环节点击系统主界面中“典型环节”按钮进入实验。

典型环节实验包含：比例、积分、比例积分、惯性、比例微分等5个典型环节的实验，如图2所示。

进入实验页面后，点击标签选择相应的实验，选定实验环节后，请先在输入框中输入相应参数，点击“瞬态响应”按钮实验开始，并显示结果；如果选中“显示动态曲线”，则仿真输出曲线按动态效果显示。

实验结束，点击“返回”按钮回到系统主界面。

输入框图2 典型环节实验页面3. 典型系统瞬态响应点击系统主界面中“典型系统瞬态响应”按钮进入实验。

在电阻“R=”后面的输入框中输入相应数值，点击“瞬态响应”按钮实验开始，并显示结果；如果选中“显示动态曲线”，则仿真输出曲线按动态效果显示。

“返回”按钮用于回到系统主界面。

实验页面如图3所示。

输入框图3典型系统瞬态响应页面4. 系统校正点击系统主界面中“系统校正”按钮进入实验。

点击页面左边的“瞬态响应”按钮，页面左边显示校正前系统的性能参数和输出曲线；点击页面右边的“瞬态响应”按钮，页面右边显示校正后系统的性能参数和输出曲线；如果选中“显示动态曲线”，则仿真输出曲线按动态效果显示。

“返回”按钮用于回到系统主界面。

实验页面如图4所示。

图4 系统校正页面5. 典型系统频率特性点击系统主界面中“典型系统频率特性”按钮进入实验。

在实验页面的左上角输入正弦信号的幅值和频率后，点击“输入数据”按钮，则页面的右边可显示系统的输出曲线并记录相应的幅值和相位。

点击“实验数据列表”下方的“频率特性”按钮，可将“实验数据列表”中的数据绘制成图显示于页面左边。

《自动控制原理》的虚拟仿真在课堂教学中的应用【摘要】本文主要探讨了《自动控制原理》课堂教学中虚拟仿真技术的应用。

首先介绍了背景和研究意义，指出虚拟仿真技术在教学中的重要性。

随后分析了自动控制原理课堂教学的特点，探讨了虚拟仿真在课堂教学中的作用。

重点探讨了虚拟仿真在实验和理论教学中的应用，提出了这种技术的推动作用和未来发展方向。

通过本文的研究，可以发现虚拟仿真技术对提高自动控制原理课堂教学效果具有积极作用，为未来教学提供了新的可能性和方向。

【关键词】自动控制原理、虚拟仿真技术、教学应用、课堂教学、实验教学、理论教学、推动作用、未来发展方向1. 引言1.1 背景介绍在自动控制原理课程中，学生需要理解和掌握各种控制系统的原理、结构、性能和设计方法，这对于他们的职业发展至关重要。

传统的理论课堂教学往往无法满足学生的需求，因为很多抽象概念和理论难点需要通过实验操作进行直观展示才能更好地理解。

虚拟仿真技术的应用可以有效地弥补这一不足，提供一个更加生动和直观的学习环境，使学生能够更深入地理解自动控制原理的知识，提高他们的学习效果和技能水平。

1.2 研究意义虚拟仿真技术可以帮助学生更直观地理解自动控制原理中的抽象概念。

通过虚拟仿真，学生可以看到实际系统的运行情况，可以进行仿真实验并观察实验结果，从而更加深入地理解课程内容。

这有助于提高学生的学习兴趣和学习效果。

虚拟仿真技术还可以提高自动控制原理课程的实践性和互动性。

学生可以通过虚拟仿真软件进行实际操作，调整参数，观察系统变化，从而加深对自动控制原理的理解。

学生之间还可以通过虚拟仿真软件进行交流和合作，促进学生之间的互动和合作。

引入虚拟仿真技术到自动控制原理课堂教学中，不仅可以提高教学效果，增强学生的学习兴趣，还可以提高学生的实践能力和创新能力，为学生的职业发展奠定更加坚实的基础。

研究虚拟仿真技术在自动控制原理课堂教学中的应用具有重要的意义。

1.3 研究目的研究目的是探讨虚拟仿真技术在自动控制原理课堂教学中的应用效果，以期为提高教学质量和学生学习效果提供有效的方法和技术支持。

基于LabVIEW地自动控制原理虚拟实验系统设计学生姓名：熊汉鑫班级：090432指导老师：刘清平摘要：根据“自动控制原理”课程实验教案在高校实验实践中遇到地困难和实验教案改革地需要，本文提出了建立基于Labview地自动控制虚拟实验系统方案.文中分析了目前常见地虚拟实验系统，相应地应用Labview编程语言实现了包含“自动控制原理”课程常见实验地虚拟实验系统.最后，利用Matlab语言编程进行对比分析，进行正确性验证.关键词：Labview；自动控制实验；Matlab指导老师签名：Automatic control theory virtual experiment based on LabVIEW System design Student name :xionghanxin Class: 090432Supervisor: liuqinpingAbstract:On the basis of problems encountered in actual experiment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of experiment teaching revolution,a new kind of automatic control theory virtual experiment system based on Labview is advanced.Strong-point and weadness of common virtual experiment systems at present are analyzed and a virtual experiment system including common experiments in Automatic Control Theory is compleleted successfully using Labview equivalently.In addition,proposal for hardware experiment expansion is put forwand.At last,Matlab programming is used for comparison and accuracy certification.Keywords:Labview。

行技能的学习。

在教学中，要加强学生之间的讨论，根据学生具体情况进行分组，鼓励学生互相交流与讨论，对学生进行启发式教育，让学生在交流中，加强学习兴趣。

在课堂中，教师要对实验课的任务目标进行合理发布，将教学重点内容涵盖其中，注重结合实际生活，将知识点结合在任务中，通过对学生引导，让学生在解决问题的同时，接受知识点，同时保持学习兴趣。

三、通过理论实践的结合培养学生学习兴趣在教学工作中，实验课注重实践动手能力培养。

加强实验课的学习效果，合理地将理论知识和实践操作结合起来，更可以加深学生对教材的理解和对实验课本身的教学目的的理解，让学生知其然，更知其所以然。

在实验课中，教师将课本知识与相应实践操作联合起来，让学生切实了解学习课本知识的目的，掌握基本知识的重要性。

在具体实验进行时，对学生实验效果进行评估，指出相应的不足之处，并通过纠正和引用理论知识，让学生更彻底更深入地理解实验课的相关操作。

学生在实验课进行中，认识到基本理论知识的重要性，提高对于理论知识的学习。

四、通过合理的考核方式培养学生学习兴趣制订合理科学的考核方式，建立适应实际情况的评价标准是教学过程重要的环节。

对实验课结果进行合理的评估与评价，进行具体的考核，提高对于解决问题能力的要求。

利用合理的考核制度和评价标准，使学生学习目标明确，加强学习阶段性，保持学生的学习动力和学习激情。

在实验课结束后，安排学习整理相应认识和报告材料，加强教师对于学生学习情况的了解以便作出课程安排，同时也让学生更好地认识自己的学习情况，明确实验课中存在的问题，明确学习目标，保持学习动力，从而保持学习兴趣。

五、通过联系实际生活培养学生学习兴趣电工技能训练课程开展的目的是让学生在实际工作和生活中，有解决问题和符合工作岗位要求的能力。

实验课是培养学生实际动手能力的重要途径，教师应该在实验课安排中，加入日常生活和电子工作中的相关内容。

学生通过特殊内容的实验课可以更早地接触到实际岗位的情况，将所需内容尽早发挥和应用，加强学生的经验。

内容提要自动控制原理是自动化专业学生一门重要的专业基础课程，是自动控制技术领域的基础理论。

而实验课是自动控制原理整个教学过程中不可缺少的重要组成部分。

由于时间和专业知识的限制，直接利用MATLAB 语言编程进行控制系统分析和仿真对于非自动化专业的学生是不方便的，不具有普遍推广和使用的价值。

本设计是基于面向所有自动控制理论的学习者，尤其是社会上的自学人群提供方面的用户界面，使用者能够快速、轻松利用该教学软件进行自学。

自动控制实验教学软件是在MATLAB软件环境下开发出的自动控制原理实验教学软件，它利用MATLAB语言的图形用户界面设计功能(GUI)及其提供的控制系统工具箱对自动控制系统进行稳定性分析、根轨迹分析、频域分析，并说明了本软件的特点、功能和效果。

结果证明该软件系统可以取代传统模拟实验，它不仅能提高实验教学效率，改善实验效果，而且方便易行，具有推广应用价值。

设计思想和设计方案同样适用于其他课程的虚拟实验开发，具有非常广泛的实际应用价值。

关键词自动控制原理；MATLAB；虚拟实验系统；GUI(图形用户界面)IAutomatic Control Theory Virtual LaboratoryAbstractAutomatic control principle of the automation major students is an important professional foundation course, is the basic theory of automatic control technology. Experiment is the principle of automatic control the entire teaching process and the indispensable important component. Directly as a result of the limitation of time and professional knowledge, analysis and simulation using MATLAB language programming control system for the automation of the students are not convenient, do not have widely promotion and use value.This design is based on the geared to the needs of all learners of automatic control theory, especially the social self-study populations with aspects of the user interface, enables users to quickly and easily by using the teaching software for self-study. Automatic control experiment teaching software is developed in the MATLAB software environment automatic control principle of the experimental teaching software, which USES the MATLAB graphical user interface (GUI) design function of language and its control system toolbox provided for automatic control system for stability analysis and root locus analysis, frequency domain analysis, and explains the characteristics, function and effect of the software. Results show that the software system can replace traditional simulation experiment, it can not only improve the efficiency of experiment teaching, improve the experimental effect, and convenient, easy popularization and application value. The software development is generic, the design idea and design scheme is also applicable to other courses of development, virtual experiment has very extensive application value.IIKeywordsAutomatic Control Theory; MATLAB; Virtual Experimental System ; GUIIII目录1 绪论 (2)1.1虚拟实验系统开发的现状 (2)1.2 本文的工作 (3)2 虚拟实验室开发软件介绍 (4)2.1 MATLAB简介 (4)2.1.1MATLAB的发展史 (4)2.1.2 MATLAB的最新特点 (4)2.1.3 MATLAB的启动 (5)2.2 GUI概述 (6)2.2.1 GUI的层次结构 (6)2.2.2 创建GUI (7)2.2.3GUIDE提供的控件 (8)2.3 虚拟实验系统总体设计原理 (9)2.4虚拟实验系统总体设计框图 (10)3 虚拟实验系统的主界面设计 (11)3.1主界面模块框图 (11)3.2 主界面的具体设计及设计成果 (12)4 线性系统的分析与校正 (15)4.1线性系统的时域分析 (15)4.2线性系统的频域分析 (21)4.2.1频域分析演示窗口的实现 (21)4.2.2 Bode图 (23)4.2.3 Nyquist 图 (24)4.2.4 Nichols图 (25)4.3线性系统的根轨迹分析 (26)4.4 线性系统的串联校正 (27)5 总结和展望 (27)5.1本文工作总结 (27)5.2课题展望 (27)参考文献 (29)附录 (30)1《自动控制原理》课程虚拟实验室110697122 史来娟指导老师：李晓媛副教授1 绪论在目前有限的课堂教学和实验学时内，运用一定的仿真软件和计算机技术，使学生掌握专业的基本理论和控制系统的设计思想和方法，培养学生科研能力，是专业教学中值得研究和探讨的课题。

基于虚拟技术的《自动控制原理》课程仿真实验系统【摘要】根据《自动控制原理》课程实验教学的实际需求，将虚拟技术引入到课程的实验教学中，开发了基于LabVlEW和MATLAB的自动控制原理虚拟实验系统。

通过教学实践表明，该虚拟实验仿真平台的建立和应用，改革了自动控制原理课程实验教学的形式和内容，培养了学生的兴趣和实践能力。

【关键词】虚拟技术；自动控制原理；实验系统0 引言《自动控制原理》是工学专业一门重要的专业基础课程，其教学目标是使学生掌握控制系统的基本性能特点，从而学会分析和设计控制系统的方法。

这门课程教学特点鲜明，除理论教学外，实验教学也是其中不可缺少的环节。

然而，在硬件实验平台实现教学目标，每种仪器都必须配置多套，若要频繁改变系统参数或结构，必然要大量更换或调整相应元器件，随之而来的问题是：①即使实验教师工作量增大也很难对所有学生进行指导；②实验设备损坏及老化现象将加剧。

这样不但影响教学效果，同时也使实验经费紧张的问题更加突出，因此仅仅进行硬件实验有很大的局限性。

另一方面，目前“自动控制原理”实验的内容侧重于理论验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律。

这种方式将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。

滞后的实验设备和呆板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。

基于以上分析，本文结合LabVIEW和MATLAB两种软件开发平台，设计开发了一套《自动控制原理》虚拟实验系统。

它有效缓解了实验教学中实验设备不足和滞后等问题；同时在实验操作中也允许出现误操作，而维护保障的费用几乎为零，因此便于开展设备易损性、综合性、设计性实验。

1 虚拟实验系统的设计实验系统主要针对经典控制理论的相关实验展开系统设计，附加少量现代控制理论实验，以满足不同学生的学习需求。

其研究对象主要是线性定常的单输入、单输出系统，采用传递函数为系统数学模型，根据时域分析法和频率响应法分析和设计系统。

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。