基于MATLAB GUI的自動控制典型環(huán)節(jié)虛擬實驗平臺的開發(fā)*

趙新寬 梁建廣 王藝橙

（1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 珠海 519090；2.博世（珠海）安保系統(tǒng)有限公司 廣東 珠海 519090）

《自動控制原理與系統(tǒng)》是高職電氣自動化技術(shù)專業(yè)的主干課程之一。它主要以自動控制理論作為系統(tǒng)分析的工具，通過對典型控制系統(tǒng)，如直流調(diào)速系統(tǒng)的性能分析與改善，使學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、性能指標(biāo)、校正方法等（知識目標(biāo)），能夠?qū)Φ湫铜h(huán)節(jié)進行判斷和測試，能夠正確組建反饋控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)性能要求改變調(diào)節(jié)器參數(shù)（能力目標(biāo)）。

該課程涉及知識面廣、信息量大，而且理論性和實踐性較強，特別是高職學(xué)生由于基礎(chǔ)比較薄弱，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模十分吃力，系統(tǒng)分析也常常力不從心。因此，該課程歷來是高職相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革的重點，改革主要是對知識進行重構(gòu)，把學(xué)科體系的講授內(nèi)容變換成行動導(dǎo)向的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

在教學(xué)方法上，大部分院校都使用了基于MATLAB軟件的仿真教學(xué)。MATLAB中SIMULINK工具箱是系統(tǒng)分析和設(shè)計的有力工具。但從教學(xué)實踐來看，由于基礎(chǔ)較差，高職學(xué)生對MATLAB的運用有很大的障礙，造成仿真學(xué)習(xí)效率不高，教師往往要花很大的精力講授仿真軟件的使用。而且，學(xué)生在仿真時看到的是數(shù)學(xué)模型，而非真實的環(huán)節(jié)和系統(tǒng)，使得學(xué)生學(xué)到的理論知識難以有效遷移。如果可以把真實環(huán)節(jié)、系統(tǒng)同其背后的數(shù)學(xué)模型對應(yīng)呈現(xiàn)，學(xué)生修改真實環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的物理參數(shù)后，馬上可以看到數(shù)學(xué)模型的對應(yīng)變化，看到不同信號的響應(yīng)情況。

虛擬實驗平臺即是把真實自動控制環(huán)節(jié)、系統(tǒng)同數(shù)學(xué)建模有機結(jié)合的實驗平臺。學(xué)生可以在平臺上修改物理參數(shù)、改變輸入信號、觀察響應(yīng)情況，同時可以觀察數(shù)學(xué)模型的變化情況?，F(xiàn)以典型環(huán)節(jié)為例介紹虛擬實驗平臺的設(shè)計和開發(fā)。

基于MATLAB GUI的典型環(huán)節(jié)虛擬實驗平臺的設(shè)計

MATLAB開發(fā)環(huán)境提供了創(chuàng)建用戶界面的捷徑（GUIDE）。GUIDE可以根據(jù)用戶GUI的版面設(shè)計過程直接自動生成M文件框架。設(shè)計之后的編碼工作，集中在相應(yīng)的Callback函數(shù)上，因此，更加標(biāo)準(zhǔn)化和簡化。

本實驗平臺的界面如圖1所示。在最左邊的設(shè)置面板中，可以選擇不同的典型環(huán)節(jié)，如比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)等六種環(huán)節(jié)。在通過下拉菜單選定環(huán)節(jié)之后，相應(yīng)的模擬電路會出現(xiàn)在中間的展示區(qū)域，對應(yīng)的物理參數(shù)出現(xiàn)在設(shè)置面板中（不同環(huán)節(jié)的構(gòu)成不同，參數(shù)有異），可以根據(jù)實驗?zāi)康倪M行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完畢確認(rèn)后，對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型馬上予以呈現(xiàn)。可以選擇不同的輸入信號，如脈沖信號、階躍信號、斜坡信號、加速度信號等作為信號源進行實驗。點擊“運行”按鈕，輸入信號和響應(yīng)信號會以不同顏色對比呈現(xiàn)出來。由于本環(huán)節(jié)僅是虛擬實驗平臺的一部分，所以還有一個返回主菜單按鈕。還可以在本環(huán)節(jié)中加入菜單欄，引入響應(yīng)曲線存儲、打印等功能。

圖1 典型環(huán)節(jié)虛擬實驗平臺界面示意圖

典型環(huán)節(jié)虛擬實驗平臺的實現(xiàn)

虛擬實驗環(huán)節(jié)的使用，不涉及任何的編程。但是在實驗功能的背后，卻離不開M-file編程與SIMULIK建模，只不過這些對于使用者而言都是透明的。

（一）模擬電路和數(shù)學(xué)模型的正確顯示

首先應(yīng)當(dāng)把不同環(huán)節(jié)對應(yīng)的模擬電路圖片同.fig文件和.m文件存放于一個文件夾下，以備讀取，然后在“環(huán)節(jié)選擇”下拉菜單控件的callback函數(shù)中進行相應(yīng)編程。調(diào)用get（）函數(shù)，讀取“環(huán)節(jié)選擇”控件值，handles是包含所有控制句柄和用戶數(shù)據(jù)的structure。根據(jù)所做的選擇調(diào)用顯示對應(yīng)的圖片，正確顯示需要設(shè)置的參數(shù)名稱，禁用多余的數(shù)值輸入框，具體如下：

傳遞函數(shù)是以文本的形式顯示在界面上（當(dāng)然也可以改為框圖模式），用戶輸入的數(shù)值也是以字符串的形式。因此，在對應(yīng)的輸入控件callback中要把字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值，并進行有效性檢查。在“確定”按鈕控件的callback函數(shù)應(yīng)該進行正確的運算，再把最終的結(jié)果以正確的表示形式顯示。如下：

（二）實驗運行功能的實現(xiàn)

虛擬實驗室運行功能的實現(xiàn)依賴于SIMULINK的正確建模，以及根據(jù)面板設(shè)置的不同，修改仿真模型相應(yīng)環(huán)節(jié)的參數(shù)，并把仿真結(jié)果讀取到工作空間后，正確顯示在面板上。在本模塊中，在同一個.mdl文件中（該文件與.fig等文件在同一文件夾下），針對四種輸入信號，各建立一個模型，如對于階躍信號如圖2所示。

圖2 階躍信號仿真模型示意圖

“運行”控件的回調(diào)函數(shù)要進行打開模型，判斷輸入信號類型，以便正確修改模塊參數(shù)等等。

如果模型文件正確打開，則根據(jù)選擇的輸入信號類型選擇具體的模型，然后根據(jù)選擇的典型環(huán)節(jié)類型，讀取相關(guān)全局變量，進行傳遞函數(shù)模塊分子和分母矩陣表達式的設(shè)置：

kesai_wn與wn_wn是全局變量，在參數(shù)設(shè)置“確定”控件的callback進行計算，分別對應(yīng)于振蕩環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)表達式中的2ξωn與 ω2n。 mat2str（）函數(shù)把矩陣轉(zhuǎn)化為表達式，這是由傳遞函數(shù)模塊參數(shù)類型決定的。

simset（）函數(shù)是進行仿真的設(shè)置，此處把基本工作空間設(shè)置為目標(biāo)工作空間。至此，在界面上就可以運行得到輸入輸出的對比曲線。

結(jié)語

本文所介紹的只是筆者教學(xué)實踐中所使用的虛擬實驗室的一部分，虛擬實驗室的構(gòu)建思路是既可以進行虛擬的“實驗”（看到表面發(fā)生了什么），也可以看到數(shù)學(xué)模型的變化（本質(zhì)上發(fā)生了什么）。在后續(xù)單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試學(xué)習(xí)中，改變PID調(diào)節(jié)器模擬電路的參數(shù)后，幅頻、相頻特性以及響應(yīng)曲線都對比顯示出來，能使學(xué)生清楚看到系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能發(fā)生的變化，以及時域、頻域指標(biāo)的情況，學(xué)習(xí)效果較好，解決了理論與實驗相脫節(jié)的問題。

[1] 沈玉梅.MATLAB在《自動控制原理與系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)教育研究，2009（11）：148-149.

[2] 陳貴銀.高職《自動控制原理與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革探索[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009（3）：20-22.

[3] 李念念，張紅梅.基于MATLAB GUI的信號與系統(tǒng)分析軟件開發(fā)[J].工業(yè)控制計算機，2011（3）：19.