毕业设计(论文)-基于MATLAB的“自动控制原理”远程教学平台.doc
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1、 摘要摘要 “自动控制原理”是研究各类控制系统共性的一门基础学科,是各大院校控制类 专业的一门主要专业基础课。其教学实践环节对于学生理解与掌握课程中抽象的理论 概念起着至关重要的作用,而传统的自动控制原理实验课存在一些弊端:实验设备高 度集成,可扩展性差;实验内容形式陈旧,不能达到实验要求和促进课程理论教学的 目的;学时有限,实验室又是非开放性的,有限时间内掌握和巩固课堂内容较为困难。 本文所研究的虚拟实验平台能够随时更新实验内容,紧跟学科的发展前沿,极大提高 学生学习的积极性和创造性,而且使用者不必知道太多有关Matlab编程的知识,扩展 了Matlab仿真软件的应用范围,同时该虚拟实验平台
2、的实现必然会对远程教育、网上 教学产生深远的影响。本设计主要应用了IIs、matlab及matlab web server,建立了一个 自动控制远程教学平台,使用户能在一台没有安装matlab的计算机中也能运用matlab解 决自控原理方面的习题,提供了一个交流与共享的平台。 关键词关键词:自控原理, 教学平台, matlab, 虚拟实验 Abstract “Automatic Control Theory“ is the study of various control systems in common a basic discipline, control of major instit
3、utions is a main specialty basic course. Part of their teaching practice and master the curriculum for the students to understand theoretical concepts in the abstract plays a vital role, and the traditional principle of automatic control of experimental course there are some drawbacks: a high degree
4、 of integration of laboratory equipment, poor scalability; experimental form of the old content can not bemeet experimental requirements and aims to promote the teaching of curriculum theory; hours are limited, laboratory and non- open, limited classroom time to master and consolidate the content is
5、 more difficult. Studied in this paper to update the virtual experimental platform to test the contents, followed by the development of cutting-edge discipline, greatly improving the student learning initiative and creativity, and users do not know much about the knowledge of Matlab programming, ext
6、ending the application of simulation software Matlab range, while the realization of the virtual experiment platform bound for distance education, online learning have a profound impact. The design of the main application of the IIs, matlab and matlab web server, automatic control of the establishme
7、nt of a distance learning platform that allows users to install matlab on a computer that does not also address the use of matlabs exercise self- control theory provides a communication and Sharing the platform. Key words:Control principle, Teaching platform, Matlab, Virtual Experiment 目目 录录 1 绪论1 1
8、.1 题目背景及目的.1 1.2 国内外的发展研究.1 1.2.1 网络教育平台在国外的发展.1 1.2.2 网络教育平台在国内的发展.2 1.2.3 MATLAB 自动控制教育平台的发展前景.2 2 MATALB 软件的概述4 2.1 基本功能4 2.2 应用4 2.3 特点5 2.4 优势5 2.4.1 友好的工作平台和编程环境.5 2.4.2 简单易用的程序语言 6 2.4.3 强大的科学计算机数据处理能力 6 2.4.4 出色的图形处理功能 6 2.4.5 应用广泛的模块集合工具箱 7 2.4.6 实用的程序接口和发布平台 7 2.4.7 应用软件开发(包括用户界面) .7 3 平台系
9、统配置8 3.1 软件应用及思路框架介绍8 3.1.1 网络连接方式.8 3.1.2 MATLAB Web Server 的工作原理简介.8 3.1.3 所需安装及运行的软件.9 3.2 IIS 的安装配置9 3.2.1 IIS 的安装.10 3.2.2 IIS 的配置.12 3.2.3 常见问题及解决方法.19 3.2.4 其他服务器.20 3.3 MATLAB WEB SERVER的配置.21 3.4 MATLAB WEB SERVER应用程序的开发.24 3.4.1 创建输入文件.24 3.4.2 创建 Matlab Web 应用程序的 M 文件 .25 3.4.3 创建输出文件.27
10、3.5 常见问题及解决方法28 4 自控教育平台30 4.1 平台功能组成介绍30 4.1.1 系统目录结构.30 4.1.2 功能介绍.30 4.2 控制系统 MATLAB32 4.2.1 代数稳定判定及举例:.32 4.2.2 利用 matlab 求控制系统的根轨迹图33 4.2.3 控制系统阶跃响应与稳态误差分析:.35 4.2.4 控制系统时域分析中的求给定响应.36 4.2.5 Simulink 在系统仿真中的应用.37 结论40 参考文献41 致谢42 附录 主要表单及 M 文件43 0 1 绪论绪论 1.1 题目背景及目的题目背景及目的 “自动控制原理”是自动控制技术的基础理论,
11、是自动化专业重要的一门专业基 础课程。该课程的理论性强、概念抽象、涉及面广,学习起来具有相当难度;同时, 根轨迹等各类图形曲线一直贯穿在整个教学过程中1 ,若采用传统的教学手段,教师 需花费大量课堂时间绘制这些图形曲线,传统的实验室手段已不能满足现代教学的需 要;而计算机技术的发展和网络的普及,使虚拟实验室技术得以应用和发展。在机械 控制工程教学中,控制系统实验同样对教学起着重要的作用。Math Works公司的 Matlab软件作为工程计算的工具和教学工具也越来越多地被应用在教学当中Matlab软件 为控制系统的分析和设计提供了强大的功能。然而Matlab软件本身规模庞大,组件众 多,操作相
12、对复杂并且对运行环境要求较高。如果建立一个基于Matlab的服务平台, 用户(学生)通过网络终端提供的友好用户界面进行交互的学习,不仅能够有效解决这些 问题,而且能够提高学习效率,改善教学效果 2,3。 1.2 国内外的发展研究国内外的发展研究 1.2.1 网络教育平台在国外的发展 从 1996 年底,1997 年初开始出现支持网络教学的软件平台。国际上应用比较好的 有 IBM Lotus 公司开发的 Learning SpaceIBM 电子学习策略的核心技术 , 作为世 界领先的基于 Web 的远程教学平台 ,它提供了完整的可扩展的分布式解决方案,是唯 一能够在单一平台上提供自学、非同步协作
13、学习和虚拟教室同步交互学习所有 3 种在 线学习模式的分布式教学平台;英属哥伦比亚大学计算机系开发的 WebCT ,它提供了 一批支持多媒体学习环境的学员、教师和技术方面的工具; WBT 系统在 995 年开发 的 Topclass 是一个综合的课程稀内容和教室管理系统;另外还有 BlackBoard 公司开 发的 Course Info ; MadDuck 学习技术公司开发的 Web Course in a Box 以及 Asymmet rix 公司研制的支持网络培训和虚拟学习环境的集成软件 ToolBook 等。这些 产品都是从支持多媒体开发或网站建设等方面发展起来的 , 经过多年的积累
14、, 成长为 1 综合的网络教学支撑平台。 1.2.2 网络教育平台在国内的发展 我国的网络教育支撑平台研究起步较晚,它的发展主要经历了五个阶段: 第一阶段:基于网络课程的网络教学支持平台(特点:简单易用,适用面较窄) 第二阶段:基于计算机网络的完整集成的网络教育支撑平台(特点:系统完备性、 通用性、集成性、符合教学机制、支持教学策略) 第三阶段:基于 “天网” 、 “地网”结合的网络教育支撑平台 第四阶段:多元化的网络教育平台 第五阶段:网络教育平台产品化和多样化的发展 综上所述,我们可以看出伴随着教育需求的增长、教学理论与现代信息技术、传 播技术的不断发展和完善 , 网络教学平台的研究不断地
15、出现一些新的热点和趋势。 1、由单一的网络教育平台向支持多模式的网络教育平台发展; 2、注重新技术开发和应用,例如将移动技术、网格技术、点对点技术等应用到平 台的开发中来,同时对 Blog,Wiki 实时通信等社会软件对网络教育平台的建设也产生 了重要的影响; 3、随着智能代理,数据挖掘和虚拟现实技术在网络教育中的深入应用,网络教育 平台将实现个性化和智能化; 4、注重对网络教育平台的简易型。实用性的研究,促进网络教育的快速发展。 1.2.3 MATLAB 自动控制教育平台的发展前景 目前国内的网络教学主要是将文字、图片、表格、流媒体、多媒体动画或者教室 的电子讲稿这几种信息的载体呈现给学生接
16、受,没有利用网络的交互性使学生从被动 地接受既成资料变为主动地研究性学习。在线仿真实验在美国等发达国家的高校已广 泛应用于网络在线教学系统,著名的Matlab软件的网络应用就是其中之一。Matlab软件 为控制系统的分析和设计提供了强大的功能。然而Matlab软件本身规模庞大,组件众 多,操作相对复杂并且对运行环境要求较高。如果建立一个基于Matlab的服务平台, 用户(学生)通过网络终端提供的友好用户界面进行交互的学习,不仅能够有效解决这些 2 问题,而且能够提高学习效率,改善教学效果4。所以目前来说,这样的教育平台是教 育体系中迫切需要的。 3 2 MATALB 软件的概述软件的概述 MA
17、TLAB 是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国 MathWorks 公司出 品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术 计算语言和交互式环境,主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 2.1 基本功能基本功能 MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交 互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及 非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中, 为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面 的解决
18、方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如 C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用 软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、 实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控 制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式 十分相似,故用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言
19、完成相同的事 情简捷得多,并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点 ,使 MATLAB 成为 一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C+ ,JAVA 的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数 库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序, 用户可以直接进行下载就可以用。 2.2 应用应用 MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作: 数值分析 4 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 MATLAB
20、的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测 试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱(单独 提供的专用 MATLAB 函数集)扩展了 MATLAB 环境,以解决这些应用领域内特 定类型的问题。 2.3 特点特点 1、高效的数值计算及符号计算功能 ,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来 ; 2、具有完备的图形处理功能 ,实现计算结果和编程的可视化 ; 3、友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言 ,使学者易于学习和掌握 ; 4、功能丰富的应用工具箱 (如信号处理工具箱、通信工具箱等 ) ,为用户提供了大 量方便实用的处理工具 。 2.4 优势优势
21、2.4.1 友好的工作平台和编程环境 MATLAB 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用 MATLAB 的函数和文件, 其中许多工具采用的是图形用户界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、历史命令窗口、 编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着 MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB 的用户界面也越来越精致, 更加接近 Windows 的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。简单的编程 环境提供了比较完备的调试系统,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够
22、及时 5 地报告出现的错误及进行出错原因分析。 2.4.2 简单易用的程序语言 MATLAB 一个高级的矩阵/阵列语言,它包含控制语句、函数、数据结构、输入和 输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步,也可 以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M 文件)后再一起运行。新版本的 MATLAB 语言是基于最为流行的 C语言基础上的,因此语法特征与 C语言极为相似, 而且更加简单,更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专 业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强,这也是 MATLAB 能够 深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 2
23、.4.3 强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合。其拥有 600 多个工程中要用到的数学 运算函数,可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研 和工程计算中的最新研究成果,而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下,可 以用它来代替底层编程语言,如 C 和 C+ 。在计算要求相同的情况下,使用 MATLAB 的编程工作量会大大减少。MATLAB 的这些函数集包括从最简单最基本的 函数到诸如矩阵,特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大 致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、 傅立叶变
24、换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、 三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 2.4.4 出色的图形处理功能 MATLAB 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能,以将向量和矩阵用图形表 现出来,并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、 图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的 MATLAB 对整 个图形处理功能作了很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功 能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善,而且对于一些其他软 6 件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处
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