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船舶航向实验系统及航向控制器的设计及仿真课设报告.pdf
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课 程 设 计 报 告
船舶航向实验系统及航向控制器的设计与仿真
姓 名: XXX
专业班级:
学 号:
指导老师:
2012 年 12 月 21 日
摘 要
本课程设计利用 Matlab 环境中的 Simulink 仿真工具箱和友好的 GUI 界面,设计了船舶
航向实验系统所需的航向控制器。该航向控制器通过实物仿真,帮助学生更直观地理解航向
控制的过程,增强感性认识,培养学生的研究能力、综合应用能力和创新能力;同时本课程
设计所设计的船舶航向控制器是一个开放的平台,有兴趣的同学可以根据需要添加相应的程
序来实现所需功能。
文中基于 Matlab /GUI 的串口通信功能的编程实现表明利用 Matlab/ GUI 可以进行包含
一般界面元素的界面开发,在此基础上,加入串口通信功能,实现数据的实时采集与分析处
理,并进行图形化显示。在实物仿真中通过串口将计算机与船舶模型连接构成闭环船舶航向
控制系统,利用 Simulink 中的控制器控制船舶模型,此控制器可直接使用工具箱中的控制
器和也可使用设计好的控制器,更换方便,操作简单,易于实现。
图形用户界面(Graphical User Interface,简称 GUI )是提供人机交互的工具和方法。
Matlab 用一个包含多种不同风格用户控件对象的图形窗口代表用户界面。用户必须对每一
个对象进行编程,使用户在 GUI 中的行为能够达到相应的目的。Matlab/GUI 是一种新型的
图形用户界面开发方式,特别适合能够熟练运用 Matlab 语言进行仿真但是对 VC 界面开发了
解不够深入的科技工作者。
本课程设计所设计航向控制器为 PID 自整定控制器,控制器部分是利用 Matlab 逻辑工
具箱进行设计,此方法设计步骤简单,易于实现,可直接与 Simulink 工具箱连接进行仿真,
并且以该控制器为核心的仿真图也可与仿真实验平台进行完美的连接,因此可以通过仿真实
验平台验证控制器的性能。
关键词:GUI 航向控制 PID 实物仿真
目 录
第一章 概论 ..........................................................1
1.1 引言.......................................................... 1
1.2 图形用户界面概述.............................................. 1
第二章 GUI 的创建 ..................................................... 3
2.1 GUI 设计概述 .................................................. 3
2.2 GUI 实现 ...................................................... 3
2.3 采用 GUIDE 创建 GUI ............................................4
2.3.1 GUI 组件介绍 ............................................ 4
2.3.2 菜单编辑器 .............................................. 4
2.3.3 创建 GUI 模型 ............................................ 4
第三章 控制器的设计 ..................................................7
3.1 串口的基本操作................................................ 7
3.2 实物仿真...................................................... 7
3.3 S-FUNCTION 函数 ............................................... 8
结 果 .............................................................. 11
参考文献 ............................................................ 12
致 谢 .............................................................. 13
第一章 概论
1.1 引言
本课程设计所设计的船舶航向控制器采用Matl ab 环境中的 Simulink 仿真工具箱和 GUI
界面。
Matlab 是 Mathworks 公司推出的一款功能强大的数学软件。它集数值分析、矩阵计算、
信号处理和图形显示于一身,包含大量高度集成的函数可供调用,命令语句功能强大为科学
研究,工程设计及众多学科领域提供一种简洁、高效的编程工具,并在图像处理、控制设计、
信号检测、金融建模设计等领域得到广泛应用。因此在制作各种教学软件或信号处理软件时,
在 Matlab 提供的 GUI( GraphicalUser Interface)上利用 Matlab 语言编写核心代码并构建
框架是一种不错的选择这不但减少了代码编写的工程量而且制作出的软件同时具有界面友
好和能够方便进行各种数据处理及图像分析等特点。
随着信息社会的不断推进,具有不同功能的应用软件已成为人们生活、学习及工作中不
可缺少的一部分。比如,工作中经常用到的文字处理软件、图形图像软件等,对于这些软件
的设计,程序员大多习惯于选择 VC、Java、VB 等高级编程语言编写代码,因为这些编程语
言制作出的软件界面友好,功能强大。然而在对大量数据进行各种复杂分析和处理时,相比
于 Matlab 编程语言而言,这些高级语言则处于明显的劣势。Matlab 不仅具有强大的科学计
算功能,还具有界面设计开发功能。
Matlab 图形用户界面是有别于 VC 界面和 Java 界面的是一种新型界面开发方式。对于
熟悉 Matlab 而不想编写大量 VC 代码的科研人员来说,Matlab/GUI 无疑是一个最佳选择。
它既能嵌入已有的仿真程序,又能把仿真的图形化结果以人机交互的动态方式展现给操作
者,给人深刻的印象,同时仿真代码的不可见性为一些不熟悉Matlab 的操作者提供了操作
界面的可能。
在基于 Matlab/ GUI 制作的软件中关键需要解决三大问题:1、界面功能;2、界面外观
的优化;3、不同 GUI 之间的调用。因此,本课程设计给出一个利用 Matlab/GUI 制作的仿真
控制器的实例。此仿真控制平台是为了满足学生船舶控制实验的需要。
本课程设计在设计仿真控制平台中涉及到航向控制器的设计,航向控制器是仿真平台的
基础,在航向控制器的基础之上实现仿真平台上的相关功能。
1.2 图形用户界面概述
Matlab 是一套高性能的数值计算和可视化软件,它作为新兴的逻辑语言和可视化工具,
有着其他编程语言所不能比拟的优势,如 Fortran 语言是一种专门用于科学计算的语言,但
其图形界面的功能比较弱,利用其开发的程序,用户界面不友好,使用起来不方便。而 Visual
Basic, Visual C等可视化编辑语言开发出来的程序界面友好,但由于其不是专门用于科学
计算的语言,因此其科学计算功能较弱。
由于 Matlab 强大的应用功能,用户越来越多。Matlab 的应用可让用户不再需要了解大
量底层与开发无关的工作,极大地提高了开发效率。Matlab 为解决用户开发和客户交互的
局限,提供了一个全新的 GUI 设计方案。
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