摘 要

本文阐述了MATLAB软件在《控制工程基础》中的应用概况，利用MATLAB软件对控制系统进行系统分析以及相关的设计。主要内容包括利用MATLAB构建经典系统的数学模型，并实现对控制系统的时域分析、频率特性分析、稳定性分析以及利用MATLAB进行分析设计系统校正；然后利用MATLAB GUI对上述内容进行界面的设计以及汇总，包括传递函数模型和零极点函数模型的MATLAB实现和转换，时域响应仿真，Nyquist和Bode图绘制与分析，系统稳定性的判定以及利用MATLAB设计基于频域法的系统校正，其中系统校正包括了对相位超前校正、滞后校正、滞后-超前校正以及PID校正的实现。本文利用GUI界面设计将控制工程基础的内容设计成相关的功能界面，为控制工程基础的现代化教学提供了一定的参考价值。

关键词：MATLAB；控制工程基础；GUI

Abstract

This paper illustrated the application status of MATLAB in the Foundation of control Engineering that includes the system analyzing, system designs and other relevant functions. The main content was based on the utilization of MATLAB which includes building a classical mathematical model, the time response analysis, frequency response analysis, stability analysis of control system and systems correction. The essay also illustrated how MATLAB GUI function in designing the interactive interface and display the contents above. In this section, the building and transition of the transfer function model and zero pole function model have been discussed, as well as the time response stimulation. In addition, the drawing and analysis of Nyquist figures and Bode figures, the identification of system stability and the design of system correction via frequency domain methods in MATLAB were also discussed in this section.

Though the In system correction part, implemented the leading, lagging, lagging-leading and PID correction.GUI, the relevant information of control engineering could be displayed in the option interface which contribute to the modern education of foundational control engineering.

Key Words：MATLAB；Basis Of Control Engineering；GUI

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 1

1.3 课题的研究内容 2

第二章 控制系统的分析 4

2.1 控制系统的数学建模 4

2.1.1 控制系统的数学模型 4

2.1.2 基于MATLAB的数学模型转换 5

2.1.3 数学建模的GUI程序界面 5

2.2 系统的时域分析 6

2.2.1 系统的时间响应 6

2.2.2 系统的性能指标 6

2.2.3 MATLAB的时域响应仿真 7

2.2.4 时域响应仿真的GUI程序界面 7

2.3 系统的频域分析 10

2.3.1 控制系统的频率特性分析 10

2.3.2 MATLAB频域分析的相关函数 10

2.3.3 系统频域分析的GUI程序界面 11

2.4 稳定性分析 12

2.4.1 系统的稳定性 12

2.4.2 系统稳定性的MATLAB直接判定 13

2.4.3 系统稳定性的MATLAB图形化判定 14

2.4.4 基于MATLAB LTI Viewer的系统稳定性判定 14

2.4.5 系统稳定性的GUI程序界面 14

第三章 系统校正 16

3.1 校正的概念 16

3.2 频域法超前校正 16

3.2.1 超前校正装置 16

3.2.2 基于MATLAB的频域法超前校正 17

3.2.3 超前校正的GUI程序界面 18

3.3 频域法滞后校正 19

3.3.1 滞后校正装置 19

3.3.2 基于MATLAB的频域法滞后校正 19

3.3.3 滞后校正的GUI程序界面 20

3.4 频域法滞后-超前校正 21

3.4.1 滞后-超前校正器 21

3.4.2 基于MATLAB的滞后-超前校正 22

3.4.3 滞后-超前校正的GUI程序界面 23

3.5 基于频域法的PID校正 23

3.5.1 PID调节器 23

3.5.2 基于MATLAB的PID控制器设计 24

3.5.3 频域法PID校正的GUI程序界面 24

第四章 基于GUI的主界面设计 26

第五章 总结 28

参考文献 29

致谢 30

附录 31

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》是一门理论性极强，涉及知识面和应用范围均较为广泛的课程。课程以数学、物理及有关学科为理论基础，以机械工程中有关系统的动力学为其抽象、概括及研究的对象，对信息的传递、处理以及反馈进行研究分析。运用相关的机械控制理论，可以解决许多实际的工程问题。但是控制工程基础内容比较抽象、难度大，在学习的过程中需要有一定的拓展和实践来理解抽象的控制理论。实践性教学对该课程的学习非常重要，但在实验中由于受到设备条件的限制，往往会使所得到的实验值与理论值存在一定的偏差，因而达不到期望的实验效果。随着科学以及工业生产技术的迅速发展，运用控制系统理论来分析和解决实际工程问题变得日益重要，因此优化控制工程基础的教学也十分必要。

MATLAB 由 Math works 公司于 1984 年推出，集数值计算、 矩阵运算、 数据分析、 动态仿真、 信号处理、 图形处理与显示等功能于一体，而且MATLAB编程语言简单且内涵丰富，编程使用方便，函数库可任意扩充，并具有强大的计算和绘图功能，因此被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计^[7]。除此之外MATLAB中还具有大量的拓展工具箱，例如对于控制系统来说，就有控制系统工具箱、系统辨识工具箱以及模糊控制工具箱等。而这些工具箱的设计者均是相应领域的著名专家，如此强大的功能使得MATLAB软件目前已经成为控制系统分析的最为流行的软件。