基于MATLAB/GUI的倒立擺仿真實驗平臺設計

摘 要：針對自動控制理論教學中無法在課堂上直接利用倒立擺實驗設備進行演示的問題，設計實現(xiàn)了基于MATLAB/GUI（MATLAB’s Graphical User Interface）的直線二級倒立擺仿真實驗平臺，該平臺可集成多個仿真實驗，具有很強的可拓展性，能夠在界面中修改仿真參數(shù)并方便地調用仿真文件進行仿真。通過多次實驗，驗證了該實驗平臺的正確性和實用性。

關鍵詞：MATLAB；GUI；二級倒立擺；仿真；實驗平臺

中圖分類號：TM359.4

倒立擺是一種典型的復雜被控對象，具有非線性、多變量、強耦合和自然不穩(wěn)定的特性[1]。在控制過程中倒立擺系統(tǒng)能有效地反映可控性、魯棒性、隨動性以及跟蹤性等許多控制中的關鍵問題[2]，很多新的控制算法都是通過倒立擺系統(tǒng)來進行檢驗的。在控制理論教學中，倒立擺系統(tǒng)是一種重要的輔助教學工具，將控制算法應用于倒立擺系統(tǒng)，觀察其控制效果，可以使學生更加生動形象地學習理解各種控制算法原理及其特性。然而，由于倒立擺實驗設備體積大，不便于搬運，并且需要專門的計算機進行控制，實際教學中很難在課堂中直接利用倒立擺實驗設備進行演示。針對這個問題，本文利用MATLAB/GUI設計實現(xiàn)了直線二級倒立擺仿真實驗平臺，該平臺可集成多個仿真實驗，具有很強的可拓展性，并且能夠在界面中修改仿真參數(shù)并方便地調用仿真文件進行仿真，可用于課堂教學演示。除此之外，該平臺還可作為學生的實驗平臺使用。

1 選用MATLAB/GUI進行開發(fā)的原因

之所以選用MATLAB/GUI進行直線二級倒立擺仿真實驗平臺的開發(fā)，原因如下：

（1）對于自動控制等專業(yè)的人員，經(jīng)常使用MATLAB進行仿真而缺乏軟件開發(fā)的經(jīng)驗，利用MATLAB/GUI進行界面開發(fā)更容易上手。

（2）MATLAB將所有GUI支持的用戶控件都集成在GUIDE（Graphical User Interface Development Environment）中，并向用戶提供一系列的用戶圖形界面工具，這些工具可大大簡化GUI設計和生成的過程[3]。

（3）直線二級倒立擺仿真實驗平臺需要調用MATLAB的.mdl文件，MATLAB的GUI不脫離MATLAB的開發(fā)環(huán)境，調用自身的仿真文件更加方便。

（4）MATLAB的優(yōu)勢之一就是它的數(shù)據(jù)處理能力，直線二級倒立擺仿真實驗平臺需要對仿真數(shù)據(jù)進行處理并畫出相應圖形，如果選用VC來實現(xiàn)這些功能，困難很大，而選用MATLAB/GUI可能只需要簡單的幾條語句。

2 直線二級倒立擺仿真實驗平臺設計

2.1 仿真實驗平臺總體設計

本文針對五種算法：PID（Proportional Integral Differential）算法、LQR[4][9]（Linear Quadratic Regulator-LQR）算法、變量融合模糊控制算法[5]、BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡算法和ANFIS[6][7][8]（Adaptive Neural Network-Based Fuzzy Interface System）算法進行設計，這四種方法是直線二級倒立擺常用的四種控制算法，分屬于經(jīng)典控制（PID），現(xiàn)代控制（LQR）以及智能控制，具有代表性，算法的仿真都已提前在MATLAB/Simulation中完成，不在本文介紹范圍之內。

2.1.1 界面設計

仿真實驗平臺通過主界面調用不同的實驗界面，其主控界面如圖1所示。

在界面中，有五個單選框，選中其中某個實驗，單擊“進入”即可進入相應實驗的界面，單擊“退出”則退出仿真實驗平臺。

變量融合模糊控制算法的界面如圖2，所示，其它實驗界面與它類似，風格一致。界面中主要包括仿真框圖、仿真曲線以及參數(shù)部分。

2.1.2 界面按鍵功能實現(xiàn)方法

以主界面中的“進入”鍵為例。如果選擇“變量融合模糊控制算法”，回調函數(shù)為：

2.2 仿真實驗平臺詳細設計

以仿真實驗平臺中的第三個實驗為例。

2.2.1 主要功能

“變量融合模糊控制算法”仿真實驗的設計界面如圖3所示，它的主要功能包括：

（1）在axes1中顯示仿真框圖，該功能通過調用imread函數(shù)實現(xiàn)。

（2）在編輯框中顯示各參數(shù)的默認值，該功能通過set函數(shù)實現(xiàn)。

（3）在界面中可以修改參數(shù)。

（4）單擊“開始”按鈕后，將界面中的參數(shù)傳遞給仿真文件。

（5）調用仿真文件進行仿真。

（6）在axes2中顯示本次仿真的仿真曲線。

2.2.2 主要功能實現(xiàn)方法

上一小節(jié)中所描述的前3個功能是顯示時實現(xiàn)的，后3個功能需要通過“開始”按鈕的回調函數(shù)來實現(xiàn)，流程如圖4所示：

3 結束語

本文利用MATLAB/GUI設計實現(xiàn)了直線二級倒立擺的仿真實驗平臺，該平臺可集成多個仿真實驗并且可以根據(jù)需要，增加其它仿真實驗，具有很強的可拓展性。通過該平臺，可以方便地修改仿真系統(tǒng)中的參數(shù)并進行仿真。經(jīng)過多次實驗，驗證了該實驗平臺的正確性和實用性，該平臺可方便的應用于自動控制理論教學中。

參考文獻：

[1]劉麗，馬盈倉.倒立擺系統(tǒng)的泛邏輯控制及相關比較研究[J].計算機應用與軟件，2010（27）：126.

[2]楊亞煒，張明廉.三級倒立擺的數(shù)控穩(wěn)定[J].北京航空航天大學學報，2006（26）：311-314.

[3]施曉紅，周佳.精通GUI圖形界面編程[M].北京：北京大學出版社，2003：164-166.

[4]孫建軍，王仲民.倒立擺實驗系統(tǒng)與最優(yōu)控制算法研究[J].天津職業(yè)技術師范學院學報，2004（14）：52.

[5]秦毅，王生鐵，張計科.二級倒立擺基于信息融合的模糊控制[J].自動化技術與應用，2007（26）：12.

[6]劉懷國，孫建華，張冰.ANFIS及其在控制系統(tǒng)中的應用[J].華東船舶工業(yè)學院學報（自然科學版），2001（15）：28-29.

[7]高翔宇.BP神經(jīng)網(wǎng)絡在倒立擺控制中的應用[A].北京信息科技大學優(yōu)秀畢業(yè)設計論文選集本科2006屆[C]，2006（09）：257-271.

[8]陳慧萍，王建東，樊春霞.基于自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)控制[J].計算機仿真，2004（21）：85.

[9]劉金琨.先進PID控制及MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：15-25.

作者簡介：王蓉（1985-），女，陜西合陽人，教員，助教，碩士研究生，研究方向：先進控制理論、主要從事一線教學。

作者單位：武警工程大學信息工程系，西安 710086