694523553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 “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的实现必然会对远程
2、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:自控原理, 教学平台, matlab, 虚拟实验AbstractAutomatic Control Theory is the study of various control systems in common a basic discipline, control of major institutions is a main spe
3、cialty 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 of integration of la
4、boratory 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 more difficult.Studie
5、d 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, extending the application
6、of simulation software Matlabrange, 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 establishment of a distance learning
7、 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 andSharing the platform.Key words:Control principle, Teaching platform, Matlab, Virtual Experiment目 录1 绪论11.1 题目背景及目的11.2 国内外的发展研究11.2.1 网络教
8、育平台在国外的发展11.2.2 网络教育平台在国内的发展21.2.3 MATLAB自动控制教育平台的发展前景22 MATALB软件的概述42.1 基本功能42.2 应用42.3 特点52.4 优势52.4.1 友好的工作平台和编程环境52.4.2 简单易用的程序语言62.4.3 强大的科学计算机数据处理能力62.4.4 出色的图形处理功能62.4.5 应用广泛的模块集合工具箱72.4.6 实用的程序接口和发布平台72.4.7 应用软件开发(包括用户界面)73 平台系统配置83.1 软件应用及思路框架介绍83.1.1 网络连接方式83.1.2 MATLAB Web Server的工作原理简介83
9、.1.3 所需安装及运行的软件93.2 IIS的安装配置93.2.1 IIS的安装103.2.2 IIS的配置123.2.3 常见问题及解决方法193.2.4 其他服务器203.3 Matlab Web Server的配置213.4 Matlab Web Server应用程序的开发243.4.1 创建输入文件243.4.2 创建Matlab Web应用程序的M文件253.4.3 创建输出文件273.5 常见问题及解决方法284 自控教育平台304.1 平台功能组成介绍304.1.1 系统目录结构304.1.2 功能介绍304.2 控制系统MATLAB324.2.1 代数稳定判定及举例:324.
10、2.2 利用matlab求控制系统的根轨迹图334.2.3 控制系统阶跃响应与稳态误差分析:354.2.4 控制系统时域分析中的求给定响应364.2.5 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431 绪论1.1 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,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
11、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
12、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 ; Ma
13、dDuck 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 , 成长为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”
14、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
15、。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
16、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。2 MATALB软件的概述MATLAB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
17、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
18、、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MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作: 数值分析 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
19、设计与仿真 财务与金融工程 MATLAB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2.
20、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,而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析
21、。 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。 2.4.3 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
22、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
23、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件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等),MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求,例如图形对话等,MATLAB也有相应的
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