基于MATLAB圖形用戶界面的電機(jī)試驗(yàn)過程性能監(jiān)測(cè)研究

張 濤， 鄒會(huì)杰

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司， 陜西 西安 710000）

引言

控制系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)的目的是提出一個(gè)在線的自動(dòng)化程序，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能。目前的研究方法主要由基于最小方差基準(zhǔn)（MVC）、基于用戶自定義基準(zhǔn)以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等性能評(píng)價(jià)方法，然而這些方法的應(yīng)用都比較繁瑣和復(fù)雜，非常有必要設(shè)計(jì)針對(duì)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的仿真軟件，便于性能評(píng)價(jià)方法的實(shí)際應(yīng)用。

MATLAB是當(dāng)今科研領(lǐng)域最常用的應(yīng)用軟件之一，它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、符號(hào)運(yùn)算和數(shù)據(jù)可視化功能，是一種簡(jiǎn)單易用、可擴(kuò)展的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和平臺(tái)。

GUI（Graphical User Interface）是一種提高程序易用性、交互性的計(jì)算機(jī)編程方法，用戶可以在這樣的界面中通過一系列鼠標(biāo)、鍵盤操作指揮后臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)某些功能。利用MATLAB/GUI設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)仿真界面，用戶只需輸入系統(tǒng)的待測(cè)參數(shù)便可得到控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)值，極大地減少了工作人員的工作量，保證控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 性能評(píng)價(jià)仿真軟件概述

使用控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)軟件的主要目的就是對(duì)控制系統(tǒng)的性能作出定量的分析，評(píng)定出它的等級(jí)，例如優(yōu)、良、中和差等，并在運(yùn)行早期提出控制系統(tǒng)可能存在的問題，它可以實(shí)時(shí)地指導(dǎo)操控人員對(duì)控制系統(tǒng)存在的潛在問題采取各種應(yīng)對(duì)措施?？刂葡到y(tǒng)性能評(píng)價(jià)軟件向用戶提供各種類型的數(shù)據(jù)和報(bào)表以便進(jìn)行分析，必須具備以下幾個(gè)功能：

具有良好的操作和顯示界面；能夠存儲(chǔ)和共享分析數(shù)據(jù)；提供性能評(píng)價(jià)報(bào)告，具有數(shù)據(jù)查詢功能；能夠擴(kuò)展，滿足用戶對(duì)軟件功能不斷完善的需要；對(duì)控制系統(tǒng)性能可以定期評(píng)價(jià)和保存歷史性能信息；跟蹤控制系統(tǒng)的參數(shù)變化及其對(duì)控制性能的影響；掌握擾動(dòng)和不同操作條件對(duì)于控制系統(tǒng)性能的影響；具有完整的系統(tǒng)接口，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出；能夠保障軟件的安全和準(zhǔn)確運(yùn)行。

2 軟件開發(fā)用到的相關(guān)技術(shù)

圖形用戶界面GUI是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單和文字說明等對(duì)象（Objects）構(gòu)成的一個(gè)用戶界面。用戶通過一定的方法(如鼠標(biāo)或鍵盤)選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。

2.1 句柄圖形對(duì)象

MATLAB是一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)計(jì)算機(jī)語言，其數(shù)據(jù)可視化技術(shù)中的各種圖形元素，實(shí)際上都是抽象圖形對(duì)象的實(shí)例。MATLAB在創(chuàng)建這些圖形對(duì)象實(shí)例時(shí)會(huì)返回一個(gè)用于標(biāo)識(shí)此對(duì)象實(shí)例的數(shù)值，稱為該對(duì)象實(shí)例的句柄。通過操作句柄，用戶就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)圖形對(duì)象實(shí)例的各種底層控制和設(shè)置。句柄是圖形對(duì)象的標(biāo)識(shí)代碼，標(biāo)識(shí)代碼含有圖形對(duì)象的各種必要的屬性信息。因此，這些對(duì)象也被稱為句柄圖形對(duì)象。

2.1.1 面向?qū)ο蟮乃季S方法

面向?qū)ο笫且环N程序設(shè)計(jì)方法，是相對(duì)于面向過程而言的。面向?qū)ο蟮膬?yōu)越性在于可以重復(fù)使用對(duì)象進(jìn)行編程。相對(duì)于過程而言，對(duì)象是一個(gè)更為穩(wěn)定的描述單元。由于面向?qū)ο笥羞@樣一些優(yōu)越性，它目前是主流的編程技術(shù)。

2.1.2 句柄圖形對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)

在MATLAB中，由圖形命令產(chǎn)生的每一個(gè)對(duì)象都是圖形對(duì)象。圖形對(duì)象按父對(duì)象和子對(duì)象組成層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 圖形對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)

2.2 GUI基本概念

一個(gè)好的GUI能夠使程序更加容易使用，它提供給用戶一個(gè)常見的界面，還提供一些空間，如按鈕、列表框、滑塊和菜單等。

創(chuàng)建MATLAB用戶圖形界面必須具有以下三類基本元素：

1）組件。在MATLAB GUI中的每一個(gè)項(xiàng)目都是一個(gè)圖形化組件。組件可分為三類：圖形化控件（如按鈕、編輯框、列表、滾動(dòng)條等）、靜態(tài)元素（如窗口和文本字符串）、菜單和坐標(biāo)系。

2）圖形窗口。GUI的每一個(gè)組件都必須安排在圖像窗口中。在畫數(shù)據(jù)圖像時(shí)，圖像窗口會(huì)被自動(dòng)創(chuàng)建或用函數(shù)figure來創(chuàng)建。

3）回應(yīng)。用戶單擊某一按鈕使相應(yīng)的MATLAB語句被執(zhí)行，這些相應(yīng)的語句被稱為回應(yīng)。

2.3 GUI層次結(jié)構(gòu)

GUIDE是MATLAB圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境（graphical user interface development environment）的簡(jiǎn)稱，它提供了一系列工具用于建立GUI對(duì)象。GUIDE是一個(gè)組件布局工具集，能夠生成用具所需的組件資源并保存在一個(gè)FIG文件；其次，GUIDE還可以生成一個(gè)包含GUI初始化和發(fā)布控制代碼的M文件，該文件為回調(diào)函數(shù)提供了一個(gè)框架。利用GUIDE創(chuàng)建GUI時(shí)，樣板可以選擇以下4種：Blank GUI、GUI with Uicontrols、GUI with Axes and Menu、Modal Question Dialog。一般采用默認(rèn)的Blank GUI樣板，編輯界面如圖2所示。

GUIDE可以首先在布局GUI的同時(shí)生成以下兩個(gè)文件：

1）FIG文件。該文件包括GUI的圖像窗口和所有子對(duì)象(包括用戶控件和坐標(biāo)軸)的完全描述以及所有對(duì)象的屬性值。

2）M文件。該文件包括用戶用來發(fā)布控制界面和回調(diào)函數(shù)的各種函數(shù)。

圖2 GUI編輯界面

3 軟件功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖形用戶界面的程序是在圖形界面下創(chuàng)建與用戶交互的控件元素，用戶可以通過操作這些交互控件實(shí)現(xiàn)特定的功能，并且可以返回顯示在程序界面響應(yīng)的結(jié)果顯示區(qū)域中。因此，用戶只和前臺(tái)界面下的控件發(fā)生交互，而所有運(yùn)算、繪圖等內(nèi)部操作都封裝在內(nèi)部，終端用戶不需要去追究這些復(fù)雜過程的代碼。

3.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)好的圖形界面需要考慮以下因素：簡(jiǎn)單性、一致性、習(xí)常性、其他因素（比如界面的響應(yīng)要迅速、連續(xù)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)算的要給出等待的時(shí)間提示，并允許用戶中斷運(yùn)算，等等）。

3.2 設(shè)計(jì)步驟

界面的制作包括界面設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)，一般制作步驟如下：分析界面所要求實(shí)現(xiàn)的主要功能，明確設(shè)計(jì)任務(wù)；構(gòu)思草圖，從使用者和功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，并上機(jī)實(shí)現(xiàn)；編寫對(duì)象的相應(yīng)程序，對(duì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行逐項(xiàng)檢查。

3.3 界面設(shè)計(jì)

根據(jù)前面講述的GUI設(shè)計(jì)原則和一般步驟，設(shè)計(jì)了某同步主輔發(fā)電機(jī)試驗(yàn)過程性能監(jiān)測(cè)仿真界面如圖3所示。

圖3 電機(jī)試驗(yàn)過程性能監(jiān)測(cè)仿真界面

4 結(jié)語

本文基于MATLAB/GUI設(shè)計(jì)了某型號(hào)電機(jī)試驗(yàn)過程性能監(jiān)測(cè)仿真界面。用戶在界面中載入待要評(píng)價(jià)的運(yùn)行數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)在后臺(tái)運(yùn)行程序，并將結(jié)果顯示在界面中對(duì)應(yīng)的文本框中。通過圖3所示的性能監(jiān)測(cè)界面可以很直觀的看出待評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的合格與否。通過上面的仿真界面，也可方便的向別人提供性能監(jiān)測(cè)的應(yīng)用程序，并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有非常實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅華飛.MATLAG GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2] 張濤，王印松，田靖雨.基于MATLAB/GUI的控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)研究[J].儀器儀表用戶，2015（1）：16-18；76.