摘 要

《控制工程基础》是工程专业重要课程之一，实验是该课程的基础。为了避免控制工程传统实验复杂性和盲目性的缺点，本文借助MATLAB软件将《控制工程基础》的系统知识进行仿真和分析并且设计开发出该课程的虚拟实验平台。论文主要研究了利用MATLAB软件建立《控制工程基础》的知识框架和数学模型，并对控制工程系统的时域特性分析，频域特性分析，稳定性分析以及系统设计和校正，在SIMULINK创建各部分的模拟电子电路，然后通过MATLAB GUI人机交互界面进行汇总。主要内容包括典型环节、二阶系统、系统频率特性分析、系统稳定性研究和系统稳定性指标的校正。其中进行了各典型环节对系统的影响的分析、二阶系统分析、Nyquist以及Bode图的绘制、以及PID校正。

该实验平台通过GUI、SIMULINK模块和MATLAB的链接将《控制工程基础》的相关内容设计成可以分级处理和自主设计运行输出的实验系统和操作界面，将《控制工程基础》与现代化虚拟仿真模块和平台设计结合起来，实现了MATLAB软件与理论课程教学的结合，提供了一种更方便、直观、可靠的教学方式，为现当代高校进行该课程教学和课程实验设计奠定了一定的基础。

关键词：MATLAB；虚拟实验平台；SIMULINK；GUI界面

Abstract

"Foundation of Control Engineering" is one of the important courses in engineering. Experiment is the basis of the course. In order to avoid the shortcomings of controlling the complexity and blindness of the traditional experiment, this paper uses MATLAB software to simulate and analyze the system knowledge of "foundation of control engineering" and design and develop the virtual experiment platform of the course. This paper mainly studies the knowledge framework and mathematical model of "controlling engineering foundation" by using MATLAB software, and analyzes the time domain characteristic analysis, frequency domain characteristic analysis, stability analysis and system design and correction of control engineering system. In SIMULINK, first simulate electronic circuit, and then complete it through the MATLAB GUI human-computer interface to aggregate. The main contents include the typical link, the second order system, the system frequency characteristic analysis, the system stability research and the system stability index correction, which analyzes the effects of the typical links on the system, the second-order system analysis, the Nyquist and Bode plot, and the PID correction.

The experimental platform through the GUI, SIMULINK module and MATLAB link to "foundation of control engineering " related content designed to be graded and independent design and operation of the output of the experimental system and user interface, the "foundation of control engineering " and modern virtual simulation module and platform design combined to achieve the combination of MATLAB software and theoretical course teaching, providing a more convenient, intuitive and reliable teaching methods for the contemporary colleges and universities to carry out the course teaching and curriculum design .

Key Words：MATLAB；Virtual experiment platform；Simulink；GUI platform

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的及意义 ………………………………………………………...1

1.2 国内外研究现状 ………………………………………………………………………...2

1.3 课题的研究内容 ………………………………………………………………………...2

第二章 虚拟实验平台设计方案 3

2.1 虚拟实验平台简介……………………………………………………………………...4

2.2 虚拟实验平台的发展 …………………………………………………………………...4

2.3 虚拟实验平台的优势 …………………………………………………………………...5

2.4 虚拟实验系统总体设计方案 …………………………………………………………...6

2.4.1 虚拟实验平台显示的形式 6

2.4.2 虚拟实验平台的设计目标 6

第三章 虚拟平台的实现方法 8

3.1 利用Microsoft系列软件建立平台接口 ………………………………………………..8

3.2 利用MATLAB的GUI界面链接M文件进行显示。 ………………………………..9

3.3 基于MATLAB\GUI的Simulink仿真显示 …………………………………………..11

4.4 最终方案的确定 ……………………………………………………………………….12

第四章 控制工程基础系统各部分模块的建立 13

4.1 系统的时域分析 ……………………………………………………………………….14

4.1.1 系统的时间响应 14

4.1.2系统的稳定性指标 14

4.1.3 时域分析的MATLAB\SIMULINK仿真 15

4.2 系统的频域分析 ……………………………………………………………………….17

4.2.1控制系统的频域特性分析 17

4.2.2 频域分析的MATLAB\Simulink仿真 18

4.3系统的稳定性分析……………………………………………………………………...20

4.3.1系统的稳定性 20

4.3.2 系统稳定性的GUI\Simulink实现 21

4.4 系统稳定性调节……………………………………………………………………….22

4.4.1 PID调节 22

4.4.2 PID调节的Simulink实现 22

第五章 控制工程基础虚拟实验平台总界面的设计 25

第六章 总结与展望 25

6.1 全篇内容总结………………………………………………………………………….26

6.2 系统的不足与展望…………………………………………………………………….26

致谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的及意义

《控制工程基础》是现代高等教育电气自动化、机械物流工程类专业必修的科目之一。其课程以机械工程实践有关系的电路学、动力学、热力学为基础，抽象概括出广泛的研究对象，对所得数据的传递、反馈、处理、收集为目的进行研究，主要内容涉及控制工程系统模型的建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术^[1,2]。

然而《控制工程基础》这门课理论性极强，所涉及的数学物理基础较为广泛，抽象概念和公式较多，学生们往往会觉得知识点描述晦涩难懂，老师也会觉得部分内容很难教学，而且教学过程容易枯燥，无法激发起学生的学习兴趣。但是目前大部分高校对该课程重视度不高，仅仅利用电子模拟实验台和示波器进行实验^[3,4]。这样虽然可以让学生接线和调整器件参数，但是学生对于参数与系统性能的关系难以有直观的认识，不利于学生实验自主性和创新性意识的开发。

控制工程作为现在高等教育机械专业的重点课程，必须以实际出发，将学生从对传统控制理论知识的理解逐步引导到运用课程学习的相关知识去解决机械工程中实际控制问题，为此要有与之适应的虚拟实验平台，这样就可以使学生牢固掌握控制工程的基本概念和方法，启发学生对课程学习的兴趣。