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1、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
2、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Virtual laboratory based on Matlab The step response analysis systemElectronic Information Engineering Specialty Class 1201 Ye WeiInstructor: Wang Yuhuai Abstract： MATLAB is can generate a signal using its powerful
3、signal processing toolbox, but also can response calculation system, and can complete the analysis and Simulation of time domain, frequency domain and complex frequency domain for continuous time systems. Experiments using MATLAB.M file operation, export graphics analysis. Experiment two order respo
4、nse using MATLAB graphical user interface tool design modification of the RLC circuit and RLC circuit parameters showed two order state trajectory of the interface and control program interface controls, showed two order state trajectory of RLC circuit. Key words：Matlab；Guide；In response to a first
5、order system;In response to the two order system目 录1引言12 概述12.1 GUI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53.3.1实验设计53.3.2 实验设计原理73.3.3 MATLAB 图形用户界面（GUI）设计73.3.4 设计实验想法83.3.5 实例实验结果分析与结论8总结9参考文献：10附录11基于Matlab虚拟实验室阶跃系统响应分析
6、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”（Matrix Laboratory）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、
7、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
8、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Math Works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Matrix Laboratory矩阵实验室的缩写被誉为“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB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。在这个环境下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
9、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。 2.1 GUI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
10、。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matlab GUI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
11、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
12、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
13、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。3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
14、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View Callbacks，选择Callback，MATLAB Editor会自动调到该按钮对用的Callback Function 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;3.2 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
15、界面中“一阶系统响应”按钮，点击右键选择菜单上的View Callbacks，选择Callback，MATLAB Editor会自动调到该按钮对用的Callback Function 上，可以直接在那里填写代码，编程控制GUI。其中“一阶系统响应”按钮Callback Function 的程序代码如下相关Matlab仿真程序如下：clear num=3; den=0.5 1; Gs=tf(num,den) t=0:0.1:20; figure(1); impulse(Gs,t) xlabel(时间) ylabel(输出)title(一阶系统单位脉冲响应) figure(2); step(Gs,
16、t) xlabel(时间)ylabel(输出)title(一阶系统单位阶跃响应)figure(3); r=t; lsim(Gs,r,t) xlabel(时间)ylabel(输出)title(一阶系统单位斜坡响应)3.2.2 实验相关Matlab仿真图形与分析与结论图.3.3 一阶系统单位阶跃响应 分析（一阶系统单位阶跃响应）：一阶系统的阶跃响应没有超调，不存在峰值时间。即t和%不存在图.3.4 一阶系统单位斜坡响应 分析（一阶系统单位阶跃响应）：在t=0处曲线的斜率等于零，当 t 时，c ()=t 与输入r(t)=t 差了一个时间常数 。 图.3.5 一阶系统单位脉冲响应 分析（一阶系统单位脉
17、冲响应）：该曲线在t=0时斜率等于-1/乙,若系统保持初始响应的变化率不变，则当t=乙时输出就为零。3.3 二阶状态轨迹的显示3.3.1实验设计（a） 在MATLAB 命令窗口重输入“guide”，启动GUI（b） 利用GUI界面，并将其保存为untitled22222.fig 文件。修改RLC电路参数及显示RLC电路二阶状态轨迹的界面（c） 运行GUI，并生成untitled22222.m文件。得到如下图片。图.3.6 二阶系统响应选中图3.6 所示界面中“显示状态轨迹”按钮，点击右键选择菜单上的View Callbacks，选择Callback，MATLAB Editor会自动调到该按钮对
18、用的Callback Function 上，可以直接在那里填写代码，编程控制GUI。其中返回的程序代码如下：close(gcf); untitled11111;其中“显示状态轨迹”按钮Callback Function 的程序代码如下相关Matlab仿真程序如下：function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)t = 0:0.1:100;%从界面上获取电路参数R = str2num(get(handles.edit1,string);L = str2num(get(handles.edit2,string);C = str2n
19、um(get(handles.edit3,string);%若系统以i(t) L ,v (t) c 为响应，伊e(t)为激励%确定系统状态方程和输出方程中的a,b,c,d 矩阵a = -R/L -1/L;1/C 0;b = 1/L;0;c = 1 0;0 1;d = 0;sys = ss(a,b,c,d); %建立系统状态空间模型Response = step(sys,t); %求系统的阶跃响应axes(handles.axes1);plot(t,Response(:,1),b-,linewidth,3); %显示i (t) Lylabel(il(t),fontsize,14)axes(han
20、dles.axes2);plot(t,Response(:,2),r-,linewidth,3); %显示v (t) cylabel(vc(t),fontsize,14)axes(handles.axes3);plot(Response(:,2),Response(:,1),linewidth,3); %显示状态轨迹xlabel(vc(t),fontsize,14)ylabel(il(t),fontsize,14)%判断系统的阻尼状态alph = R/(2*L);omega = 1/sqrt(L*C);if (R=0)str = 无阻尼;elseif(alphomega)str = 过阻尼;e
21、ndif(alph=omega)str = 临界阻尼;endif(alph4L/C）图.3.8 二阶系统响应（过阻尼）b.使系统处于临界阻尼状态（R2=4L/C）图.3.9 二阶系统响应（临界阻尼）c.使系统处于欠阻尼状态（R2omega)str = 过阻尼;endif(alph=omega)str = 临界阻尼;endif(alphomega)str = 欠阻尼;Endendset(handles.text5,string,str);26参考：毕业论文（设计）工作记录及成绩评定册题 目： 学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级： 指 导 教 师： 职称： 助理指导教师： 职称： 年 月 日实
22、验中心制使 用 说 明一、此册中各项内容为对学生毕业论文（设计）的工作和成绩评定记录，请各环节记录人用黑色或蓝色钢笔（签字笔）认真填写（建议填写前先写出相应草稿，以避免填错），并妥善保存。二、此册于学院组织对各专业题目审查完成后，各教研室汇编选题指南，经学生自由选题后，由实验中心组织发给学生。三、学生如实填好本册封面上的各项内容和选题审批表的相应内容，经指导教师和学院领导小组批准后，交指导教师；指导老师填好毕业论文（设计）任务书的各项内容，经教研室审核后交学生签名确认其毕业论文（设计）工作任务。四、学生在指导老师的指导下填好毕业论文（设计）开题报告各项内容，由指导教师和教研室审核通过后，确定其
23、开题，并将此册交指导老师保存。五、指导老师原则上每周至少保证一次对学生的指导，如实按时填好毕业论文（设计）指导教师工作记录，并请学生签字确认。六、中期检查时，指导老师将此册交学生填写前期工作小结，指导教师对其任务完成情况进行评价，学院中期检查领导小组对师生中期工作进行核查，并对未完成者提出整改意见，后将此册交指导老师保存。七、毕业论文（设计）定稿后，根据学院工作安排，学生把论文（打印件）交指导老师评阅。指导老师应认真按毕业论文（设计）指导教师成绩评审表对学生的论文进行评审并写出评语，然后把论文和此册一同交教研室。八、教研室将学生的论文和此册分别交两位评阅人评阅后交回教研室保存。九、学院答辩委员
24、会审核学生答辩资格，确定答辩学生名单，把具有答辩资格学生的论文连同此册交各答辩小组。十、学生答辩后由答辩小组记录人填好毕业论文（设计）答辩记录表中各项内容，然后把学生的论文和此册一同交所在答辩小组，答辩小组对其答辩进行评审并填写评语后交教研室。十一、学院答辩委员会进行成绩总评定，填好毕业论文（设计）成绩评定表中各项内容，然后把论文（印刷版和电子版（另传）和此册等资料装入专用档案袋中，教教研室后由实验中心统一保存。目 录1毕业论文（设计）选题审批表2. 毕业论文（设计）任务书3毕业论文（设计）开题报告4. 学生毕业论文（设计）题目更改申请表5毕业论文（设计）指导老师工作记录6毕业论文（设计）中期
25、检查记录7毕业论文（设计）指导教师成绩评审表8毕业论文（设计）评阅人成绩评审表9. 毕业论文（设计）答辩申请表10毕业论文（设计）答辩记录表11毕业论文（设计）答辩成绩评审表12毕业论文（设计）成绩评定表毕业设计（论文）选题审批表题目名称 基于单片机的超声波测距题目性质工程设计理论研究实验研究计算机软件综合论文其它题目来源科研题目 生产现场教学 其它自拟题目选题理由：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，精度也能达到使用要求，超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视
26、觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。 指导教师意见： 签名： 年 月 日院（系）领导小组意见： 签名：
27、年 月 日注：此表由学生填写毕业论文（设计）任务书1、毕业论文（设计）应达到的目的：（1）能对学生在学期间所学知识的检验与总结，培养和提高学生独立分析问题和解决问题的能力，使学生受到科学研究、工程设计和撰写技术报告等方面的基本训练。（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对事物能潜心观察、用于开拓、用于实践的基本素质；（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实践能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行考核。2、毕业论文（设计）的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：以单片机为核心设计
28、了基于激光测距的防撞预警系统，采用TDC-GP2芯片作为激光飞行计时单元,给出激光发射及回波接收放大电路，基于模块化思想设计、完成系统软件设计流程；最后通过实验测试，系统要能很好测出前方车辆距离及运行状态，并能及时发出报警，利用Matlab对其测试结果进行验证，修正。3、对毕业论文（设计）成果的要求包括图表、实物等硬件要求：设计完成后，要提供电路图，实验电路版，控制原始程序，实验要保存大量的原始数据。完成设计论文。4、毕业论文（设计）工作进度计划：序号论文（设计）工作进度日期（起止周数）1根据所出题目，结合自身所学知识，选择合适课题，确定毕业设计论文题目。13-14-1第16周止2根据所定题目
29、，全面搜集素材，列出各种设计方案，并一一比较，选择出最好的设计方案。13-14-1第18周止3联系指导老师，将自己的设计方案与老师沟通、交流，得到指导老师的认同与指点，开始设计。13-14-1第19周止4根据方案，确定所要用的器材。设计总体框架结构，分出各大的模块，并将其展开，以得到比较细的设计模式。13-14-2第1周止5 根据所列框图，结合自己所学知识，开始各分支电路模块的设计。13-14-2第2周止6完成初稿，将所做的模块给指导老师查阅，看是否有不当之处，再进行改进。并将大电路的设计方案告之老师，得到老师更好的建议。13-14-2第3周止7大胆进行设计，将每一个小的电路，大的模块，都精心
30、设计好，完成整个硬件和软件部分的设计过程。13-14-2第6周止8将所有设计整理结合，形成设计论文，交与指导老师检查，并经老师指点，做进一步的改进工作。13-14-2第7周止9改进毕业设计论文，得到自己及老师认为满意的论文。13-14-2第10周止指导教师日期年 月 日教研室审查意见：签字： 年 月 日学院负责人意见：签字： 年 月 日学生签字： 接受任务时间： 年 月 日注：任务书由指导教师填写。 毕业论文（设计）开题报告题目基于单片机的超声波测距1、本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势 近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应
31、用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；