基于MATLAB/GUI的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

摘 要:實(shí)驗(yàn)是《自動(dòng)控制原理》的課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。為彌補(bǔ)自動(dòng)控制原理課程常規(guī)實(shí)驗(yàn)盲目性和可靠性低等缺陷，基于MATLAB /GUI，通過(guò)設(shè)置圖形窗口、調(diào)整控件、編寫M文件等，設(shè)計(jì)和開發(fā)了自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和仿真軟件，通過(guò)創(chuàng)建現(xiàn)場(chǎng)菜單完成對(duì)各實(shí)驗(yàn)界面的集成。該平臺(tái)可視化和動(dòng)態(tài)效果好，既能完成自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)仿真，又可以進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的分析、綜合以及研究開發(fā)。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)控制原理 MATLAB語(yǔ)言 GUI 實(shí)驗(yàn)界面

中圖分類號(hào):TP13-4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)12(b)-0096-01

引言

《自動(dòng)控制原理》是電氣信息類專業(yè)的核心課程，理論性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)是理解和消化課程內(nèi)容的重要途徑。目前許多高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還處于傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)階段，利用集成封閉的實(shí)驗(yàn)箱，將相應(yīng)的有源網(wǎng)絡(luò)模塊連接成典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，再施加典型信號(hào)，通過(guò)示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種實(shí)驗(yàn)方法存在明顯不足:(1)實(shí)驗(yàn)箱集成度高，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出盲目性，同時(shí)容易損壞儀器設(shè)備。(2)知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作相互分離，使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性。(3)由于元件非線性等因素，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論知識(shí)差異較大。

MATLAB是面對(duì)科學(xué)計(jì)算的高性能可視化仿真軟件，GUI(Graphical User Interfaces)是一種新型的圖形用戶界面。通過(guò)MATLAB/GUI設(shè)計(jì)和開發(fā)《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不但能很好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，加深對(duì)自動(dòng)控制原理理論課程內(nèi)容的理解，更能使學(xué)生擺脫復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)新知識(shí)產(chǎn)生濃厚的探索興趣。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)由控制面板、登錄界面、實(shí)驗(yàn)界面和主界面四大模塊組成。

控制面板:設(shè)置進(jìn)入按鈕和提供一些簡(jiǎn)單的信息，如研制單位，研制人員。登錄界面:主要用于用戶登錄，還包括用戶注冊(cè)、修改密碼、用戶管理的功能。主界面:用于各實(shí)驗(yàn)界面的調(diào)用，并對(duì)平臺(tái)功能和使用法方法進(jìn)行介紹。實(shí)驗(yàn)界面:用于各實(shí)驗(yàn)的仿真操作，包括設(shè)置參數(shù)、指標(biāo)計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出和保存等功能。

2 用戶界面的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)界面

以根軌跡為例，介紹實(shí)驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)。

先在草紙上構(gòu)思界面的草圖，設(shè)計(jì)坐標(biāo)軸(axes)、標(biāo)注以及顯示相關(guān)輸出參數(shù)需要8個(gè)靜文本框(static text)，6個(gè)編輯文本框(edit text)來(lái)輸入?yún)?shù)，四個(gè)控制按鈕(push button)來(lái)控制圖形的顯示以及相關(guān)操作。將控件調(diào)節(jié)適中并擺放整齊。

再通過(guò)雙擊按鈕，打開property inspector進(jìn)行控件tag和string兩個(gè)屬性的設(shè)置，tag的設(shè)置要便于識(shí)別。將四個(gè)可編輯文本的屬性分別設(shè)置為fz_input、fm_input、scope_X1、scope_X2、scope_Y1和scope_Y2，將仿真、坐標(biāo)控制按鈕分別設(shè)置為simulation_button、axes_button，坐標(biāo)軸axes的tag設(shè)置為show_axes。運(yùn)行GUI便可生成的圖形界面。

然后編寫M文件，設(shè)置初始化程序。先初始化實(shí)驗(yàn)名稱按鈕(如時(shí)域分析)、圖形數(shù)據(jù)的生成與輸出，并顯示相關(guān)參數(shù)值。在相應(yīng)按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇View Callbacks→Callback，在該回調(diào)函數(shù)內(nèi)寫下相應(yīng)代碼。再初始化“保存”按鈕、圖形數(shù)據(jù)的生成與輸出，并顯示相關(guān)參數(shù)的輸出值。在“保存”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇View Callbacks→Callback，在該回調(diào)函數(shù)內(nèi)寫下相應(yīng)代碼。

最后單擊運(yùn)行程序，輸入分子和分母系數(shù)，單擊實(shí)驗(yàn)名稱，如“時(shí)域分析”按鈕，即可輸出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面。

2.2 主界面

完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一定要把所有的實(shí)驗(yàn)界面集成在一起，以便用戶調(diào)用，在MATLAB/GUI設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)調(diào)用gcf函數(shù)，以菜單的方式將各實(shí)驗(yàn)界面集成在一起形成主界面。現(xiàn)場(chǎng)菜單用于向用戶提供一系列選項(xiàng)清單，用戶可以直接點(diǎn)擊調(diào)用，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

進(jìn)行某一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先單擊該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)菜單，從中選擇要調(diào)用的實(shí)驗(yàn)界面;然后根據(jù)需要輸入系統(tǒng)傳遞函數(shù)分子和分母的系數(shù)，確定傳遞函數(shù)。最后單擊開始按鈕，就可以觀察系統(tǒng)的仿真圖形和特性參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析。例如調(diào)用“根軌跡”項(xiàng)目時(shí)，可單擊“根軌跡”的現(xiàn)場(chǎng)菜單，則實(shí)驗(yàn)界面被打開。實(shí)驗(yàn)時(shí)只需輸入傳遞函數(shù)分子系數(shù)，如“1，2”，分母系數(shù)，如“1，2，3”，則該系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)H(s)=(s+2)/(s+2s+2)。再選定坐標(biāo)范圍X軸為-4～1，Y軸為-2～2，然后單擊響應(yīng)，最后單擊坐標(biāo)按鈕，若要獲得某點(diǎn)坐標(biāo)單擊該點(diǎn)即可，結(jié)果如圖1所示。故可知該函數(shù)的分離點(diǎn)為(-3.42，0).

3 結(jié)語(yǔ)

基于MATLAB的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，不但能使抽象的概念形象化，而且其較好的可視化和動(dòng)態(tài)效果，可大大激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新激情。通過(guò)該平臺(tái)學(xué)生可以了解自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)的所有過(guò)程和細(xì)節(jié)，并且在進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)前能夠掌握有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍和規(guī)律，避免實(shí)驗(yàn)的盲目性和可能出現(xiàn)的硬件電路損壞。近幾年來(lái)的實(shí)踐證明，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，更能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，教學(xué)效果明顯，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正效果。

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①基金項(xiàng)目:江南大學(xué)教學(xué)改革成果(JXCG200924)，江蘇省質(zhì)量工程培育項(xiàng)目(江大教[2008]240號(hào))，2010年江南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目(1003056)。