基于MATLAB的虚拟实验室

本科生学年论文（设计）（2012级）论文（设计）题目基于Matlab的虚拟实验室作者叶伟分院、专业理工分院班级电子1201指导教师（职称）王玉槐(讲师)字数5700字成果完成时间2014年11月15日杭州师范大学钱江学院教务部制基于Matlab虚拟实验室阶跃系统响应分析电子信息工程专业1201班叶伟指导教师王玉槐摘要：MATLAB是利用其强大的信号处理工具箱可以生成信号,而且还可计算系统的响应,并可完成对连续时间系统的时域、频域及复频域的分析和仿真。实验一利用MATLAB的.m文件运行，导出图形分析。实验二阶响应利用MATLAB图形用户界面工具设计修改RLC电路参数及显示RLC电路二阶状态轨迹的界面并用程序控制界面中的控件，显示RLC电路的二阶状态轨迹。关键词：Matlab；Guide；一阶系统响应；二阶系统响应VirtuallaboratorybasedonMatlabThestepresponseanalysissystemElectronicInformationEngineeringSpecialtyClass1201YeWeiInstructor:WangYuhuaiAbstract：MATLABiscangenerateasignalusingitspowerfulsignalprocessingtoolbox,butalsocanresponsecalculationsystem,andcancompletetheanalysisandSimulationoftimedomain,frequencydomainandcomplexfrequencydomainforcontinuoustimesystems.ExperimentsusingMATLAB.Mfileoperation,exportgraphicsanalysis.ExperimenttwoorderresponseusingMATLABgraphicaluserinterfacetooldesignmodificationoftheRLCcircuitandRLCcircuitparametersshowedtwoorderstatetrajectoryoftheinterfaceandcontrolprograminterfacecontrols,showedtwoorderstatetrajectoryofRLCcircuit.Keywords：Matlab；Guide；Inresponsetoafirstordersystem;Inresponsetothetwoordersystem0目录1引言....................................................................12概述...................................................................12.1GUI简介..........................................................22.2虚拟实验室总体结构................................................23阶跃系统响应分析........................................................33.1实验界面建立......................................................33.2一阶线性系统时间响应的Matlab仿真实验.............................43.2.1实验设计思路.................................................43.2.2实验相关Matlab仿真图形与分析与结论.........................43.3二阶状态轨迹的显示................................................63.3.1实验设计.....................................................63.3.2实验设计原理................................................83.3.3MATLAB图形用户界面（GUI）设计..............................83.3.4设计实验想法................................................93.3.5实例实验结果分析与结论......................................9总结....................................................................10参考文献：..............................................................11附录....................................................................121基于Matlab虚拟实验室阶跃系统响应分析电子信息工程专业叶伟指导教师王玉槐1引言MATLAB是“矩阵实验室”（MatrixLaboratory）的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需要。与其他计算机语言相比，其特点是简洁和智能化，适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，是的编程和调试效率大大提高。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。实验一利用MATLAB的.m文件运行，导出图形分析。实验二阶响应利用MATLAB图形用户界面工具设计修改RLC电路参数及显示RLC电路二阶状态轨迹的界面并用程序控制界面中的控件，显示RLC电路的二阶状态轨迹。2概述自动控制原理虚拟实验室是使用MATLAB软件搭建而成的所以在使用进行实验之前我首先简单了解MATLAB软件的诞生和发展以便帮助我们今后更好的掌握和应用虚拟实验室软件为我们的学习奠定良好的基础。MATLAB软件是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。MATLAB是英文MatrixLaboratoryMATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致所以不像学习其他高级语言如Basic、Fortran和C等语言那样难于掌握用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。在对所求解的问题用户只需简单的列出数学表达式其结果便以数值或图形方式显示出来。最早开发MATLAB软件的目的就是帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。从MATLAB诞生开始由于其高度的集成性和应用的方便性在高校中得到了广泛的应用与推广。由于它能非常快地实现科研人员的设想极大地节约了科研人员的时间受到了大多数科研人员的青睐与重视。它可以很方便地设计出漂亮2的界面例如它像VB等高级语言一样也可以设计出漂亮的用户接口同时因为它还具有最丰富的函数库工具箱极易实现计算功能。另外MATLAB软件和其他高级语言也具有良好的接口可以很方便地与其他语言实现混合编程这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。2.1GUI简介用户图形界面GUI是程序的图形化界面。一个好的GUI能够使程序更加容易的使用。它提供用户一个常见的界面还提供一些控件例如按钮列表框滑块菜单等。用户图形界面应当是易理解且操作是可以预告的所以当用户进行某一项操作它知道如何去做。例如当鼠标在一个按钮上发生了单击事件用户图形界面初始化它的操作并在按钮的标签上对这个操作进行描述。创建MATLAB用户图形界面必须由三个基本元素:1.组件.在matlabGUI中的每一个项目(按钮,标签,编辑框等)都是一个图形化组件。组件可分为三类:图形化控件(按钮,编辑框,列表,滚动条等),静态元素(窗口和文本字符串),菜单和坐标系。图形化控件和静态元素由函数uicontrol创建,菜单由函数uimenu和uicontextmenu创建,坐标系经常用于显示图形化数据,由函数axes创建。2.图象窗口(Figure)。GUI的每一个组件都必须安排在图象窗口中。以前我们在画数据图象时图象窗口会被自动创建。但我们还可以用函数figure来创建空图象窗口空图象窗口经常用于放置各种类型的组件。3.回应。最后如果用户用鼠标单击或用键盘键入一些信息那么程序就要有相应的动作。鼠标单击或键入信息是一个事件如果matlab程序运行相应的函数那么matlab函数肯定会有所反应。例如如果用户单击一按钮这个事件必然导致相应的matlab语句执行。这些相应的语句被称为回应。只要执行GUI的单个图形组件必须有一个回应。2.2虚拟实验室总体结构虚拟实验室立足于自动控制原理应用具有强大功能且简单易懂的MATLAB软件搭建虚拟实验平台帮助老师在教学工作中更有效的顺利完成教学工作使学生在有限的时间里高效率的掌握知识为今后社会的进步和祖国的建设添砖加瓦成为社会的栋梁之才奠定扎实的理论基础。虚拟实验室技术是虚拟实现应用研究就的重要载体。随着虚拟实验技术的成熟人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。虚拟实验室进驻高校和科研机构已经是不容怀疑的趋势和发展的必然要求。对于国内教学型虚拟实验室的建设,有关部门提出如下几点建议1、用“平民化”的技术实教学型虚拟实验室的建设和应用2、更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室3、切合实际合理选择开发技术。基于以上提出的三点建设性意见本虚拟实验室结合教学实际和科学研究的需要采取三三结合的方法搭建了既满足课本实验要求又能用于佐证教学研究的虚拟实验室平台旨在为教育事业能更好、更快、更稳的向前发展而架桥铺路。33阶跃系统响应分析3.1实验界面建立1.按guide按钮或在MATLAB命令窗口重输入“guide”，启动GUI界面。利用GUI界面，并将其保存为untitled.fig文件。图.3.1新建guide界面2.添加按钮和控件并命名，得到如下图片图.3.2虚拟实验室选中图3.2所示界面中“退出”按钮，点击右键选择菜单上的ViewCallbacks，选择Callback，MATLABEditor会自动调到该按钮对用的CallbackFunction上，可以直接在那里填写代码，编程控制GUI。输入如下程序：close(gcf)%untitled11111.fig在“二阶系统响应”输入如下程序：close(gcf);untitled22222;43.2一阶线性系统时间响应的Matlab仿真实验3.2.1设计思路1.设计1.5s03单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位斜坡响应的Matlab仿真实验并分析。2.选中图3.2所示界面中“一阶系统响应”按钮，点击右键选择菜单上的ViewCallbacks，选择Callback，MATLABEditor会自动调到该按钮对用的CallbackFunction上，可以直接在那里填写代码，编