基于MATLAB-GUI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。

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)。

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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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MATLAB的自动控制仿真实验平台设计研究MATLAB是一种非常流行的科学计算软件，已经成为自动控制领域中用于仿真和分析的最重要的工具之一。

在本文中，我们将研究如何使用MATLAB来设计和开发一个自动控制仿真实验平台，该平台将允许用户对各种控制系统进行试验、观察和分析。

设计思路与步骤1. 界面设计首先，我们将设计一个易于使用和良好可读的用户界面，以方便用户进行实验。

该界面应该包含各种控件，如电子表、滑动条、按钮、图表和图像，以显示和控制实验进展。

MATLAB 提供了丰富的工具箱，可以快速简便地构建GUI界面。

2. 系统模型接下来，我们将建立一个控制系统的数学模型。

这个数学模型应该能够准确地描述控制系统的行为和响应。

在这一步，我们需要利用MATLAB的线性系统自动建模工具箱，根据已知的系统参数，自动生成系统转移函数或状态空间表达式。

我们还可以在MATLAB中使用自定义函数来生成系统模型，支持多种建模方式。

3. 控制策略设计一旦得到了模型，下一步是选择并设计一种合适的控制策略，以满足用户想要实现的特定目标。

常见的控制策略包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。

通过MATLAB的控制工具箱，我们可以方便地分析不同的控制策略，并比较它们的性能。

在这一步中，需要将设计好的控制器与先前得到的系统模型建立联系，以生成仿真结果。

4. 实验模拟一旦建立了模型和控制策略，我们将利用MATLAB来模拟实验。

这个过程包括定制各种仿真参数，如仿真时程、初始状态条件、输入信号和滤波器规格。

我们还可以跑动仿真多次，以评估各种参数对实验结果产生的影响。

5. 结果呈现最后，我们将利用MATLAB的可视化工具箱让用户对仿真结果进行呈现和分析，将得到的实验数据图表化呈现，减塑上多个特征量如响应时间、超调量、相关度、误差等，以评估控制系统的性能。

设计成果基于MATLAB的自动控制仿真实验平台，使用了一组重要的MATLAB工具，可以加快和简化控制系统设计和仿真的过程，将有助于用户更好地理解控制系统的行为和优化控制系统设计。

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·58·2017年第17期文章编号：2095－6835（2017）17－0058－03基于MATLAB的自动控制仿真实验平台设计＊范娟，赵松瑞（文华学院机械与电气工程学部，湖北武汉430074）摘要：为了解决《自动控制原理》理论教学过程中学生在概念理解方面遇到的困难，减少复杂的计算和曲线绘制，借助MATLAB软件设计了自动控制虚拟仿真实验平台。

该平台针对《自动控制原理》课程所涉及的内容进行设计，借助友好的人机交互界面，学生可以按需求改变实验内容和相应参数，不被固定的实验框架所限制，改变了传统的教学实验模式。

这种方式有利于激发学生的主动性和创新性，显著改善了学习效果，提高了教学质量。

关键词：MATLAB；CAI教学；《自动控制原理》；仿真实验平台中图分类号：G642文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2017.17.058目前，《自动控制原理》课程的教学基本分为理论教学和实验教学两部分。

理论教学通过课堂讲解传授有关理论知识，通常会出现学生对一些概念理解不清，过程计算浪费时间比较长，上课难以跟上进度等问题。

另一项内容就是实验教学，即在学生掌握一定理论知识之后开设，采取学生课前预习，课中实验，课后总结书写实验报告的形式。

实验教学由电子实验台和示波器搭配进行，随着学生人数的不断增加，需要提供大量的硬件实验设备，所以，学校要不断加大对硬件的投入力度。

随着计算机技术的进步和虚拟仿真技术的出现，CAI教学方式[1]为我们指明了解决《自动控制原理》课堂问题的新方向。

MATLAB被视为《自动控制原理》所需的重要仿真—————————————————————————＊［基金项目］文华学院质量工程资助项目（J0900740715）火灾防治教育，加强公共消防设施和消防装备建设。

由于我国目前处于经济发展阶段，经济的发展势必会增加火灾发生的概率，加强公众的火灾防治教育，加强公共设施装备的建设，可以减少火灾负外部性的影响和损失。

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。

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。

基于Matlab的自动控制原理仿真实验平台的设计与实现作者：骆岩红郭婷来源：《教育教学论坛》2020年第16期摘要：自动控制原理是一门理论性较强的课程，为了帮助学生掌握学习内容，常常配套了一定课时的实验。

但是由于现有的实验环境常常局限于实验台，而实验台陈旧不堪，并缺乏一定的灵活性，所以文章根据需要设计了一套基于Matlab GUI和Simulink的自动控制原理实验仿真系统。

该系统按照学习内容，安排了相应的实验，并提供了直观的图形操作界面。

结果表明，所设计的系统操作简单、直观，便于学生观察和对知识的理解和领会，达到了教学、实验和课外研究的要求。

关键词：Matlab;自动控制原理;GUI;Simulink中图分类号：G642.0; ; ;文献标志码：A; ; ;文章编号：1674-9324（2020）16-0372-02一、引言自动控制原理是通信工程、物联网工程专业培养方案中要求开设的一门课程。

该课程的特点是：理论性较强，涉及的公式多、概念抽象，所以在课程讲授过程中，教师应帮助学生更好地理解和掌握知识，做到理论联系实际，才能达到课程最终的学习目的。

根据需要，大纲中设置了一定课时的实验，但是所采用的实验环境，常常是配套的实验台。

现有的实验平台存在几个问题：（1）设备陈旧，使得实验结果存在一定的误差，导致实验结果不准确;（2）实验箱上电路基本固定，所安排的大多是验证性的实验;（3）传统实验缺乏一定的灵活性，很难满足实际需求的设计。

鉴于此，根据教学的经验，本文基于Matlab的图形界面GUI功能和Simulink，设计了一款“基于Matlab的自动控制原理的仿真实验平台系统”，它不仅可以完成大纲的实验要求，而且也可以满足一定的课程设计，为我们拓展思路、拓宽视野带来了很大的好处。

它所设计的系统操作过程简单、直观，便于学生观察和对知识的理解和领会。

实验表明，它所设计系统较好地满足了教学和研究的需求。

二、系统总体设计1.系统功能结构介绍。

基于MATLAB GUI的自动控制原理仿真实验平台设计
陈梅;费玉环
【期刊名称】《曲阜师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(50)2
【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MATLAB GUI 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、频域、根轨迹及状态空间对系统进行分析,并对系统进行了PID整定、根轨迹及频域法校正,可获得系统的时域、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.
【总页数】4页(P125-128)
【作者】陈梅;费玉环
【作者单位】曲阜师范大学工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于MATLAB GUI的自动控制原理仿真软件设计
2.基于MATLAB/GUI的自动控制原理虚拟实验平台
3.基于Matlab的自动控制原理仿真实验平台的设计与实现
4.基于Matlab_GUI的电气工程虚拟仿真实验平台设计
5.基于MATLAB GUI的氢气膜分离虚拟仿真实验平台设计
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