matlabgui控制系统仿真软件的设计与实现
摘 要MATLAB是一个非常方便的工具，它能快速简单的地解决在控制系统电脑辅助设计方面碰到的一些问题，MATLAB也能搞定系统仿真里的某些问题。有了这个工具，人们能够利用它抛弃较为复杂繁多的底层编码，把精力花在更为高端的科学难题上。MATLAB的人机交互界面就是MATLAB GUI。这个工具能够很好的适用微软系统常用的一些组件，而且它的事件驱动系统也非常完美。并且这个软件本身还拥有很多数学库接口，因此GUI能够完美的完成控制系统的仿真软件的开发。用户在使用GUI时一般都会生成两种文件，分别为.fig和.m。.fig文件内容主要是关于GUI的窗口信息，.m文件内容主要反应具体的程序代码。本次毕业设计的重点内容就是利用MATLAB GUI这个软件，并且充分运用它的控制系统工具箱辅助，再加上本科阶段所学的自动控制理论，完成控制系统仿真软件的实现。这个软件大概具有如下的一些功能：实现状态方程模型输入，传递函数模型输入，系统可控性与可观性判断，控制系统稳定性分析，模型转换，绘制系统波特图，奈奎斯特图，根轨迹图以及零极点分布图，并且通过持续不断的改进，可以将其应用于本科学习阶段的自控原理以及其他的一些层面的运用。
目 录
第一章 概述 1
1.1论文选题背景和意义 1
1.2控制系统仿真中计算机辅助分析与设计的发展现状 1
1.3本文主要内容 2
1.4控制系统的理论基础 3
1.5 MATLAB语言以及控制系统工具箱 4
第二章 MATLAB GUI简介及其应用 7
2.1MATLAB GUI简介 7
2.2软件设计的步骤 7
第三章 仿真系统测试与演示 14
3.1控制系统模型输入 14
3.2控制系统稳定性分析 18
3.3控制系统可控可观性分析 20
3.4控制系统的频率响应 23
3.5控制系统的时域响应 27
3.6 控制系统根轨迹画法 29
总 结 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 35
第一章 概述
1.1 论文选题背
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
景和意义
自动控制原理可以说是我们专业本科阶段最重要的课程，是本科阶段所要求的必修课和学习自控系统的核心课程。自动控制原理可以使学生掌握自动控制系统的理论基础，分析方法和设计方法，能够为更加深层次地学习各种自动控制系统以及现代控制理论打下坚实基础。
在有关自控范围的很多科学软件设计以及很多实际研究中需要完成庞大而复杂的计算，同时也需要绘制各种各样的仿真曲线，这样一来在系统的设计过程中也相应的会带来各种不变，为了减轻烦重的工作量提高效率，人们发明了各式各样的相关软件，他们依靠自己所发明的软件强悍的计算能力以及绘制图纸的能力，大大的提高了系统在分析以及设计方面的工作效率。在他们所发明的这些软件当中，MATLAB脱颖而出，MATLAB凭借自身强悍的计算功能，模块化的计算方式以及直观简便的图形功能，再配合Simulink仿真这个强大的工具，成为了同类型软件当中最受人们欢迎的软件。
然而，MATLAB软件自己本身也会存在一些不足之处，这些不足对其的使用也造成了一些影响。一，MATLAB的运行是以解释为基础的，所以相应的处理效率就显得不足，尤其当它在处理图像的时侯最为突出；二，MATLAB程序运行的环境是这个软件本身所特有的，因此它与某些商用软件并不能兼容；三，MATLAB的程序会生成一个脚本文件，其后缀名称是m，在使用过程中人们可以随意修改，但很多时候为了保障代码的安全性，不需要用户知道和随意改变主要程序；四，MATLAB本身窗口的设计功能比较单调，很多时候达不到用户的更高端的要求。但是在这些缺点不影响本次毕业设计的实现，本次设计的安全性也没有很高要求，所以用MATLAB GUI这个工具既简单又方便。
1.2 控制系统仿真中计算机辅助分析与设计的发展现状
自动控制可以说是一个发展非常快速的学科。纵观过去近百年来的发展，随着“经典控制理论”和“现代控制理论”这两个体系越来越成熟，尤其是近几十年来，“先进控制理论”得到了比较不错的发展。现代的控制理论不单单只是我们这个专业的基础，同时也是很多现代科学工程领域发展中不可缺少的一部分，而且现代医学与其他相关行业发展也都与其密不可分。随着控制理论更加深层次的发展，相应的也出现了许多控制方法和设计算法，近年来计算机技术的飞速发展，大多数设计可以利用CAD程序完成。这样的现状可以使人们抛弃较为复杂的底层编码和一些困难的计算，并且让使用者不需要了解详细的专业基础知识就可以很好的操作，这样就大大降低了控制理论的使用门槛，使用控制理论的人越来越多，其实用性和使用范围得到极大提高。
上个世纪70年代，美国的两位学者发行了一本书，这本书介绍了许多利用电脑辅助相关的程序以及研究方法。这些都是关于控制系统的，其中有求系统的频域响应，根轨迹，时间响应和一些和控制系统相关的程序。类似的其他国家也推出了相关的一些软件，如CACSD软件，INTRAC软件，DPACSF软件等。在这一过程中还出现了很多专业的仿真语言，其中比较常见的有TSIM，CSMP，ACSL，ESL。人们必须按照它自己本身特有的语句以及模块编写对应的程序来满足需求，只有基于此才可以对系统进行仿真。
在我们国家最具有代表性的当属中国科学院系统科学研究所针对控制系统仿真的CADCSC软件。来自清华大学两位科研人员也发表了一些相关成果，他们的这些作品以及程序也很具有代表性。上个世纪80年代末，中国科学院自动化所马纪虎先生推出了一款名为CSMPC的仿真语言，在我们国内也得到了广泛的推崇。
过去的这几年，为了满足控制系统研究与教学的要求，MATLAB以及Simulink软件也被更多的人使用，这点在国外尤为明显。发达国家的技术人员一般对MATLAB以及Simulink语言使用率一直都是第一位的。在我们国家，研究人员们也慢慢的认识到MATLAB语言在研究系统仿真，自动控制等领域的作用，国内很多高校也相继开通MATLAB这门课程，可以让这个工具更好的为老师学生们教学与研究带来方便，使得将来MATLAB语言能被越来越多的运用到工程计算等领域中。
上个世纪80年代，Math Works公司开发了一款非常强大的数值计算软件，这个可视化软件就是初期的MATLAB。它包含了一些最基础的部分，组成了操作容易，界面简单的使用界面。这个软件还拥有像ToolBox这种特殊的工具箱，这个工具箱可以解决许多特定的专业难题。MATLAB强大的计算实力和简便的图形界面，再加上它本身特有的工具箱拥有的大量专用函数，为软件使用者们减少了大量计算以及编程，为方便，快捷，精准地完成控制系统的设计带来非常多的便利，MATLAB语言能被越来越多的运用到工程计算等领域。
2015年3月份，Math Works公司发布了最新的MATLAB8.5版本。新版本的MATLAB以现在兼容性最广的C++作为基础来进行编程的，所以它的程序编写规则与C++语言几乎差不多，并且更为方便快捷，符合人类的编程书写习惯。这样一来就大大降低了控制理论的使用门槛，只要有一定的C语言基础就可以很好的使用MATLAB。并且MATLAB的兼容性好，拓展性好也是其优势，使得MATLAB语言能被越来越多的运用到更多的科学研究上。
1.3 本文主要内容
本次毕业设计的主要目的就是基于MATLAB GUI这个工具，为本科阶段自控教学的课程实验做出一个有关控制系统分析和设计的仿真软件。它的基本功能有如下几点：状态方程模型输入，传递函数模型输入，系统可控性与可观性判断， 控制系统稳定性分析，模型转换，绘制系统波特图，奈奎斯特图，根轨迹图以及零极点分布图。所以，这次的毕业设计会先对控制系统理论基础做个简单说明，然后对MATLAB软件进行基本研究，并通过例子来说明该软件的设计和实现具体操作方法。
目 录
第一章 概述 1
1.1论文选题背景和意义 1
1.2控制系统仿真中计算机辅助分析与设计的发展现状 1
1.3本文主要内容 2
1.4控制系统的理论基础 3
1.5 MATLAB语言以及控制系统工具箱 4
第二章 MATLAB GUI简介及其应用 7
2.1MATLAB GUI简介 7
2.2软件设计的步骤 7
第三章 仿真系统测试与演示 14
3.1控制系统模型输入 14
3.2控制系统稳定性分析 18
3.3控制系统可控可观性分析 20
3.4控制系统的频率响应 23
3.5控制系统的时域响应 27
3.6 控制系统根轨迹画法 29
总 结 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 35
第一章 概述
1.1 论文选题背
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
景和意义
自动控制原理可以说是我们专业本科阶段最重要的课程，是本科阶段所要求的必修课和学习自控系统的核心课程。自动控制原理可以使学生掌握自动控制系统的理论基础，分析方法和设计方法，能够为更加深层次地学习各种自动控制系统以及现代控制理论打下坚实基础。
在有关自控范围的很多科学软件设计以及很多实际研究中需要完成庞大而复杂的计算，同时也需要绘制各种各样的仿真曲线，这样一来在系统的设计过程中也相应的会带来各种不变，为了减轻烦重的工作量提高效率，人们发明了各式各样的相关软件，他们依靠自己所发明的软件强悍的计算能力以及绘制图纸的能力，大大的提高了系统在分析以及设计方面的工作效率。在他们所发明的这些软件当中，MATLAB脱颖而出，MATLAB凭借自身强悍的计算功能，模块化的计算方式以及直观简便的图形功能，再配合Simulink仿真这个强大的工具，成为了同类型软件当中最受人们欢迎的软件。
然而，MATLAB软件自己本身也会存在一些不足之处，这些不足对其的使用也造成了一些影响。一，MATLAB的运行是以解释为基础的，所以相应的处理效率就显得不足，尤其当它在处理图像的时侯最为突出；二，MATLAB程序运行的环境是这个软件本身所特有的，因此它与某些商用软件并不能兼容；三，MATLAB的程序会生成一个脚本文件，其后缀名称是m，在使用过程中人们可以随意修改，但很多时候为了保障代码的安全性，不需要用户知道和随意改变主要程序；四，MATLAB本身窗口的设计功能比较单调，很多时候达不到用户的更高端的要求。但是在这些缺点不影响本次毕业设计的实现，本次设计的安全性也没有很高要求，所以用MATLAB GUI这个工具既简单又方便。
1.2 控制系统仿真中计算机辅助分析与设计的发展现状
自动控制可以说是一个发展非常快速的学科。纵观过去近百年来的发展，随着“经典控制理论”和“现代控制理论”这两个体系越来越成熟，尤其是近几十年来，“先进控制理论”得到了比较不错的发展。现代的控制理论不单单只是我们这个专业的基础，同时也是很多现代科学工程领域发展中不可缺少的一部分，而且现代医学与其他相关行业发展也都与其密不可分。随着控制理论更加深层次的发展，相应的也出现了许多控制方法和设计算法，近年来计算机技术的飞速发展，大多数设计可以利用CAD程序完成。这样的现状可以使人们抛弃较为复杂的底层编码和一些困难的计算，并且让使用者不需要了解详细的专业基础知识就可以很好的操作，这样就大大降低了控制理论的使用门槛，使用控制理论的人越来越多，其实用性和使用范围得到极大提高。
上个世纪70年代，美国的两位学者发行了一本书，这本书介绍了许多利用电脑辅助相关的程序以及研究方法。这些都是关于控制系统的，其中有求系统的频域响应，根轨迹，时间响应和一些和控制系统相关的程序。类似的其他国家也推出了相关的一些软件，如CACSD软件，INTRAC软件，DPACSF软件等。在这一过程中还出现了很多专业的仿真语言，其中比较常见的有TSIM，CSMP，ACSL，ESL。人们必须按照它自己本身特有的语句以及模块编写对应的程序来满足需求，只有基于此才可以对系统进行仿真。
在我们国家最具有代表性的当属中国科学院系统科学研究所针对控制系统仿真的CADCSC软件。来自清华大学两位科研人员也发表了一些相关成果，他们的这些作品以及程序也很具有代表性。上个世纪80年代末，中国科学院自动化所马纪虎先生推出了一款名为CSMPC的仿真语言，在我们国内也得到了广泛的推崇。
过去的这几年，为了满足控制系统研究与教学的要求，MATLAB以及Simulink软件也被更多的人使用，这点在国外尤为明显。发达国家的技术人员一般对MATLAB以及Simulink语言使用率一直都是第一位的。在我们国家，研究人员们也慢慢的认识到MATLAB语言在研究系统仿真，自动控制等领域的作用，国内很多高校也相继开通MATLAB这门课程，可以让这个工具更好的为老师学生们教学与研究带来方便，使得将来MATLAB语言能被越来越多的运用到工程计算等领域中。
上个世纪80年代，Math Works公司开发了一款非常强大的数值计算软件，这个可视化软件就是初期的MATLAB。它包含了一些最基础的部分，组成了操作容易，界面简单的使用界面。这个软件还拥有像ToolBox这种特殊的工具箱，这个工具箱可以解决许多特定的专业难题。MATLAB强大的计算实力和简便的图形界面，再加上它本身特有的工具箱拥有的大量专用函数，为软件使用者们减少了大量计算以及编程，为方便，快捷，精准地完成控制系统的设计带来非常多的便利，MATLAB语言能被越来越多的运用到工程计算等领域。
2015年3月份，Math Works公司发布了最新的MATLAB8.5版本。新版本的MATLAB以现在兼容性最广的C++作为基础来进行编程的，所以它的程序编写规则与C++语言几乎差不多，并且更为方便快捷，符合人类的编程书写习惯。这样一来就大大降低了控制理论的使用门槛，只要有一定的C语言基础就可以很好的使用MATLAB。并且MATLAB的兼容性好，拓展性好也是其优势，使得MATLAB语言能被越来越多的运用到更多的科学研究上。
1.3 本文主要内容
本次毕业设计的主要目的就是基于MATLAB GUI这个工具，为本科阶段自控教学的课程实验做出一个有关控制系统分析和设计的仿真软件。它的基本功能有如下几点：状态方程模型输入，传递函数模型输入，系统可控性与可观性判断， 控制系统稳定性分析，模型转换，绘制系统波特图，奈奎斯特图，根轨迹图以及零极点分布图。所以，这次的毕业设计会先对控制系统理论基础做个简单说明，然后对MATLAB软件进行基本研究，并通过例子来说明该软件的设计和实现具体操作方法。
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