基于matlab的虛擬實驗系統設計—主界面及部分模塊的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 鈕的功能后, 根據模型框架，首先新建一個GUI（圖形用戶界面），將模塊涉及到的工具箱中的對象控件拖至主界面，選擇的控件在按照統一的格式在界面上布置好，然后運行，得到相應的M文件。定義變量，在模型中，由用戶來輸入相應的參數，在各個pushbutton按鈕下添加完成相應功能的代碼。在添加完畢后，運行調試直到成功。最后得出根軌跡的窗口: 根軌跡分析窗口 實驗報告生成模塊的設計 (1)設計思想及目標為了使實驗過程中的實驗目的與原理、實驗步驟、數據、框圖以及分析和設計結果等能夠在實驗模塊界面中顯示，我們做了實驗報告生成這個子系統。我們的目標是用戶就可以根據自己的需要，點擊本模塊上“實驗報告生成”這個按鈕，保存實驗過程中的目的與原理、相關數據、分析步驟以及實驗結果等內容。即當用戶做完實驗后系統可以自動生成相應形式的實驗報告，然后可以直接打印出實驗報告。(2)實驗報告框圖在根軌跡實驗中,我們將實驗報告分成三頁顯示，在根軌跡的主界面上，通過點擊“實驗報告生成”按鈕，得到三個下拉菜單：（1）實驗原理與目的，（2）實驗步驟,（3）實驗結果,： 根軌跡界面實驗報告生成實驗原理和目的實驗結果實驗步驟校正后特性校正前特性幾何校正滯后校正解析法超前校正最大法超前校正 實驗報告框圖 其中實驗目的與原理包括實驗目的，內容以及思考題；實驗步驟則闡述了根軌跡圖的繪制、根軌跡設計校正裝置的四種不同方法以及校正前后系統零、極點和開、閉環傳遞函數的求法；實驗結果則描繪了校正前系統的特性，主要以根軌跡圖的形式顯示出來；校正后系統的特性是按照四種不同方法的校正，分別對校正后實驗結果以根軌跡圖的形式顯示出來。實驗報告生成完成以后，由系統原先給定的參數及特性，再根據實驗過程中的四種不同的校正方法，用戶可以根據自己的需要，通過點擊“實驗報告生成”這個按鈕，隨心所欲地顯示校正前后系統的特性，如根軌跡圖以及傳遞函數等。用戶也可以改變實驗系統中的參數，動態地在“實驗報告生成”這個按鈕下顯示校正前后系統的特性。(3)實驗報告的生成用戶界面上建立一個FIGURE文件，并生成M文件，再將自己在實驗過程中用到的實驗目的與原理、參數，分析的過程以及設計結果等導入到實驗報告中，最后編譯M文件程序后，完成整個子系統的實驗的調用。在主函數（主界面）中對生成實驗報告各函數的調用相類似，下面是調用函數chaoqianfa()即：用超前校正法生成實驗報告時主函數中的主要代碼： function Untitled_21_Callback(hObject, eventdata, handles)global nump denp numh denh l14 l27 l24 l26figure(chaoqianfa)①實驗目的和實驗原理的生成利用MATLAB軟件的GUI界面編程，生成一個m文件，再將該實驗的目的、內容和相關的原理寫入m文件。這樣在運行主程序的時候，該m文件會被自動調用，彈出“實驗目的與原理”界面，： ‘“實驗原理與目的”界面②實驗步驟的生成利用MATLAB軟件的GUI界面編程，生成一個m文件，再將實驗的詳細步驟寫入m文件。這樣在運行主程序的時候，該m文件會被自動調用，彈出“實驗步驟”界面，運用GUI界面編程，結果如圖。 “實驗步驟”界面③實驗結果顯示同樣利用GUI界面生成m文件和fig文件。然后將用戶在實驗過程中涉及到的校正前后相關參數、公式設置成全局變量，然后將其導入該m文件。根據用戶進行的不同系統分析，在主界面中調用相應的fig文件，顯示不同的實驗分析結果。包括校正前系統的根軌跡和系統的性能指標，以及在選用校正方法校正后系統的相應的校正環節傳遞函數、校正后根軌跡和系統的性能指標。我們從四種校正方法中選取一中來說明,就選最大法超前校正。，選用最大法超前校正對系統進行校正。 校正前實驗結果 校正后實驗結果3．3 主界面的設計 設計思想及目標作為強大的科學計算軟件，MATLAB也提供了圖形用戶界面的設計和開發功能。圖形化用戶界面（Graphical User Interfaces）,簡稱GUI，是一種圖形化的溝通界面，通過此界面可以很方便地達到一些特定的控制的操作，而這些界面調用MATLAB來進行運算處理操作。GUI是未來的趨勢，因為人類對于圖形辨識的能力遠遠超過其他表達方式，因此借助GUI程序能夠設計出專屬某個主題的圖形化界面。MATLAB中的基本圖形用戶界面對象分為3類：1)界面控件對象(uicontrol)：能建立按鈕、列表框、編輯框等圖形用戶界面對象。2)下拉式菜單對象(uimenu):能建立下拉式菜單和子菜單等圖形用戶界面對象。3)內容式菜單對象 (uicontextmenu) ：建立內容式菜單用戶界面對象。圖形對象不僅包括界面控件對象，下拉式菜單對象和內容式菜單對象，而且還包括圖形、坐標軸、線條、曲面、文本和它們的子對象。其中，計算機屏幕是根對象，它是其他對象的父對象；圖形窗口是計算機屏幕的子對象；坐標軸，界面控件對象，下拉式菜單對象和內容式菜單對象是圖形窗口的子對象；圖像、線條、曲面、等是坐標軸的子對象。在MATLB中的GUI對象層次結構如圖所示：Root計算機屏幕Figure圖形窗口對象Uicontextmenu對象Image對象Light對象Line對象Patch對象Rectangle對象Text對象Uimenu對象Axes對象Uicontrol對象 MATLAB中的GUI對象層次結構圖在MATLAB中，每個圖形對象都是由一個數字來標識，叫句柄(Handle)。每創建一個對象，就為它建立一個唯一的句柄，用來唯一地確定該對象。計算機屏幕作為根對象，其對象句柄通常為零；其他的圖形對象句柄是浮點值。MATLAB可以獲得圖形，坐標軸，uicontrol，uicontextmenu，uimenu和其他對象的句柄。具體地講，可以通過下述3個函數來獲得對象句柄值。 178。 gcf 獲得當前圖形窗口的句柄值。178。 gca 獲得當前圖形窗口內當前坐標軸的句柄值。178。 gco 獲得當前圖形窗口內當前對象的句柄值。利用上述對象和MATLAB進行界面設計的方法，進行周密的組織、設計，來設計出一個界面良好、操作簡便、功能強大的圖形用戶界面。同時在摸索過程中不斷的改進我們的界面，使得程序最終可以達到我們預定的設計目，即設計出一個界面良好、操作簡便、功能強大并且具有豐富的在線幫助的圖形用戶。我們設計得主界面是讓用戶可以很快的了解該軟件的功能并可以很簡單的通過圖形用戶界面來對該程序進行操作。:在我們得主界面上有六個窗口組成：1)實驗操作窗口： 通過該連接可以將用戶導入實驗操作的子窗口，該窗口的設計目的是為了讓用戶有個可以實現自己模型的平臺，這個平臺是為了那些不滿足于現有的實驗項目的用戶，結合模型元件庫就可以設計出適合不同用戶的平臺。2)模型元件庫： 這個部分包含有5個元件庫，是配合實驗操作窗口所設計的，是為了方便用戶的建模，使得用戶不需要再進入MATLAB的SIMULINK來調用相應的模塊。3)仿真實驗項目： 這是我們該程序的主體，其包括了我們所完成的六個實驗項目的鏈接，通過相應的鏈接我們可以進入不同的實驗子窗口，在各個實驗的窗口中我們就可以完成各個實驗項目。4)仿真模型： 這個部分包括了三個仿真實驗模型，其分別是機械，電路和自動化模型，在其各自的窗口中我們可以通過圖形用戶界面很方便的了解自動化控制中幾個比較典型的模型，對于學習自動化理論的用戶來說是相當方便的。5)幫助： 這個部分是為了讓用戶在使用該軟件的時候盡快的了解軟件的使用方法和為了用戶在使用軟件時遇到的一些問題進行解答。6)完成 ： 是為了在用戶結束使用的時候退出MATLAB或退出實驗窗口所設立的。 虛擬實驗系統主界面實驗操作窗口模型元件庫仿真模型幫助仿真試驗項目輸入元件庫輸出元件庫連續線性環節元件庫非線性元件庫離散線性環節元件庫彈簧小車模型電路模型自動化模型自動控制系統穩定性根軌跡實驗窗口頻域分析窗口自控系統靜態誤差線性二階系統實驗指導關于虛擬實驗系統退出實驗數字PID控制退出MATLAB完成 主界面模塊框圖根據主界面的模塊框圖，我們就可以在圖形用戶界面（GUI）里設計出我們的主界面，具體設計步驟如下：菜單的建立，在MATLAB中可以通過命令行方式和GUI設計工具中的菜單編輯器Menu Editor兩種方式來建立菜單。在本次設計中我采用了GUI設計工具中的菜單編輯器Menu Editor。首先新建一個GUI（圖形用戶界面），根據主界面的模型框架，在菜單編輯器建立菜單，然后運行，得到相應的M文件。在得到的M文件中，定義變量，進行各個模塊的調用。下面舉一個“仿真模型”菜單的調用%仿真模型fzsyxm=uimenu(gmain,39。Label39。,39。仿真模型(amp。F)39。,39。Call39。,39。clear all39。)。state=uimenu(fzsyxm,39。Label39。,39。模型一：彈簧小車模型(amp。T)39。,39。Call39。,39。clear all39。)。 uimenu(state,39。Label39。,39。界面仿真方式(amp。J)39。,39。Call39。,39。tanhuang39。)。state=uimenu(fzsyxm,39。Label39。,39。模型二：電路模型(amp。D)39。,39。Call39。,39。clear all39。)。uimenu(state,39。Label39。,39。界面仿真方式(amp。J)39。,39。Call39。,39。dianlu39。)。state=uimenu(fzsyxm,39。Label39。,39。模型三：自動化控制模型(amp。Z)39。,39。Call39。,39。clear all39。)。uimenu(state,39。Label39。,39。界面仿真方式(amp。J)39。,39。Call39。,39。zidong39。)。其中，‘tanhuang’ 、‘dianlu’ 、‘zidong’分別是彈簧小車模型、電路模型、自動化控制模型的M文件。最后生成新的M文件:,在運行該文件,得到圖的主界面 虛擬實驗系統的主界面4 系統設計成果及實驗舉例 系統設計成果經過三個月的努力，我們建立了一個用戶界面良好的《自動控制原理》虛擬實驗系統。 系統主界面效果圖在這個系統中實驗全部用軟件來實現，只需利用現有的計算機就可完成“自動控制原理 課程的實驗，它太大減少購置儀器的經費，不愧為一種“價廉物美”的替代實驗手段。該系統是中文界面，具有人機界面友好、結果可視化的優點?？蓪崿F資源共享和多任務并行的要求。對用戶而言，操作簡單易學且無須編程，參數輸人與修改是活．具有多次或重復仿真運行的控制能力，可以顯示校正前后系統的特性曲線，能很直觀漂亮地繪制出控制系統的階躍響應曲線、伯德圖、乃氏圖和根軌跡圖．這些很強的交互能力使其在自動控制原理的實驗中可以發揮理想的效果。重要的模型參數、輸人數據、設計與仿真結果可以保存下來。保存下來的模型參數可用于重復進行系統分析、設計與仿真；保存下來的輸人數據、設計與仿真結果可以作為撰寫實驗報告的素材。下面我們具體舉根軌跡實驗說明。在此，我們以根軌跡實驗為例簡要地說明本虛擬實驗系統在《自動控制原理》實驗中的應用，展示一下本虛擬實驗系統的功能。從WINDOWS中進入自動控制原理虛擬實驗系統，單擊系統主界面上的仿真實驗項目下拉菜單中的“根軌跡實驗窗口”按鈕，進入根軌跡實驗窗口，如圖所示 根軌跡分析窗口l 在輸入參數區輸入實驗數據，如:被控對象G（s）：num= [1],den= [1 5 4 0],反饋通道H（s）：num= [1] ，den= [1]，控制器G（s） ：num= [1] ，den= [1]l 點擊求傳遞函數按鈕,在顯示區得出：開環零點：無；開環極點：0，1，4；G（s）G（s）H（s）==l 點擊繪制根軌跡，在坐標區顯示出該系統的根軌跡圖 系統繪制出的根軌跡圖l 點擊滯后超前校正按鈕，在坐標區顯示出校正后的系統根軌跡圖 校正后的根軌跡圖l 最后我們點擊試驗報告生成菜單，自動生成試驗報告。我們由實驗報告生成模塊中知道：實驗報告包括實驗原理與目的（）、實驗步驟（）、和實驗結果（）。等三部分都生成好后，就可以打印出實驗報告，本次實驗結束。5 總結和展望本次畢業設計我們用MATLAB設計了《自動控制原理》虛擬實驗系統，主要設計友好的人機界面供學生做實驗使用。學生只要在相應實驗的界面上指定位置輸入數值（如傳遞函數的分子、分母），再點擊相應按鈕便可得到結果，讓學生將主要精力放在對控制理論概念的理解上。通過這次畢業設計機會我強化了自己的自動控制理論，學會了用MATLAB進行控制理論和控制工程研究的基本思路和方法。MATLAB語言的數值計算和繪圖功能非常強大，而且精度可以滿足要求，這就直接省去了我們的繪圖時間。我還了解了MATLAB的控制系統工具箱，它是MATLAB中的一個重要的領域型工具箱，主要用于線性定常系統的分析、設計與