基于MATLAB GUI控制系统仿真软件的设计与实现

摘要

MATLAB语言是一种十分有效的工具，能容易地解决在系统仿真及控制系统计算机辅助设计领域的教学与研究中遇到的问题，它可以将使用者从繁琐的底层编程中解放出来，把有限的宝贵时间更多地花在解决科学问题上。MATLAB GUI 是MATLAB的人机交互界面。由于GUI本身提供了windows基本控件的支持，并且具有良好的事件驱动机制，同时提供了MATLAB数学库的接口，所以GUI 对于控制系统仿真的平台设计显得十分合适。GUI对于每个用户窗口生成.fig和.m 文件。前者负责界面的设计信息，后者负责后台代码的设计。

本文所做的研究主要是基于MATLAB GUI平台，结合控制系统基础理论和MATLAB控制系统工具箱，实现了用于控制系统计算机辅助分析与设计的软件。本软件主要功能：实现传递函数模型输入、状态方程模型输入、模型装换、控制系统稳定性分析、系统可观性可控性判断，绘制系统奈奎斯特图、波特图、根轨迹图以及零极点分布图。在继续完善的基础上能够用于本科自动控制原理教程的教学实验和一般的科学研究。

关键词：控制系统；MATLAB GUI；计算机辅助设计

Abstract

MATLAB language is a very effective tool,and can be easily resolved in the system simulation and control system of teaching in the field of computer-aided design and research problems,it could be the bottom of the user from tedious programming liberate the limited spend more valuable time to solve scientific problems.The MATLAB GUI is the interactive interface.As the GUI itself provides the basic control windows support,and has a good mechanism for event-driven,while providing the MATLAB Math Library interface，the GUI for control system simulation platform for the design of it is suitable. GUI window generated for each user. Fig and.M file. The former is responsible for the design of the interface information,which is responsible for the design of the background code.

Research done in this article is mainly based on MATLAB GUI platform,the basis of combination of control system theory and MATLAB Control System Toolbox,the realization of control systems for computer-aided analysis and design software. The main functions of the software: the realization of transfer function model input,the state equation model input,the model fitted for the control system stability analysis,system observability controllability judgments、rendering the system Nyquist diagram、Bode plots、root locus and Pole-zero distribution. While continuing to improve based on the principle of automatic control can be used for undergraduate teaching course experiments and scientific research in general.

Key words:Control System;MATLAB GUI; Computer-assistant design

目录

第1章概述 (1)

1.1 论文选题背景和意义 (1)

1.2 计算机辅助分析与设计在控制系统仿真中的发展现状 (1)

1.3 本文主要内容 (3)

第2章控制系统与MATLAB语言 (4)

2.1 控制系统理论基础 (4)

2.2 MATLAB语言与控制系统工具箱 (5)

第3章 MATLAB GUI简介及应用 (9)

3.1 MATLAB GUI (9)

3.2 软件设计步骤 (10)

第4章仿真系统测试与演示 (16)

4.1 控制系统的模型输入 (16)

4.2 控制系统的稳定性分析 (19)

4.3 控制系统可控可观性分析 (20)

4.4 控制系统频率响应 (23)

4.5 控制系统时域响应 (27)

4.6 控制系统根轨迹绘制 (28)

结论 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

第1章概述

1.1 论文选题背景和意义

自动控制原理是自动控制专业和自动化专业的主要课程之一，是研究自动控制技术的基础理论课，是必修的专业基础课程。自动控制原理能使学生掌握自动控制系统的基本理论、基本概念、分析和设计方法，为更深入地学习现代控制策略和研究各种自动控制系统打下理论基础[1]。

在自动控制领域里的科学研究和工程应用中有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任务，给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量，为了解决海量计算的问题，各种控制系统设计与仿真的软件层出不穷，技术人员凭借这些产品强大的计算和绘图功能，使系统分析和设计的效率得以大大提高。然而在众多控制系统设计与仿真软件中，MATLAB以其强大的计算功能、丰富方便的图形功能、模块化的计算方法，以及动态系统仿真工具Simulink；脱颖而出成为控制系统设计和仿真领域中的佼佼者，同时也成为了当今最流行的科学工程语言。

然而MATLAB自身所存在的某些缺点限制了它的应用范围件。一、MATLAB 以解释方式执行效率很低，这在处理图像是特别明显；二、MATLAB程序不能脱离其环境运行，因此它不能被用于开发商用软件；三、MATLAB的程序是后缀为m的脚本文件它对用户完全透明，因此用户可任意进行修改，但有时为维护代码的完整性和安全性，并不希望用户了解或更改核心程序；四、其界面编写功能也过于简单，以致不能满足用户的高级需求。但是在本文软件设计开发主要应用于自动控制原理教学实验，并不需要复杂的图像处理和对代码完整性及安全性的苛刻保护，所以运用MATLAB GUI能较为简单得对软件进行设计开发[2]。

1.2 计算机辅助分析与设计在控制系统仿真中的发展现状

控制理论是一门发展极为迅速的学科[3]。在近一个世纪的发展过程中，其“经典控制理论”与“现代控制理论”的体系己基本完善，近三十年来的“先进控制理论”，如“大系统理论”、各类“智能控制”等，亦取得了蓬勃的发展和可喜的进展。今天的控制理论及其应用技术己不再仅是自动化学科的重要基础，而已成为机电工程、航空航天等现代工程技术中不可缺少的一部分，并在经济学、生物学、医学等领域中获得越来越广泛的应用。伴随着控制理论向深度和广度发展的