運動控制系統實驗軟件開發平臺

史成城，謝麗蓉，張 丹

（新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

運動控制系統就是通過控制電機電壓、電流和頻率等輸入量來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按照人們期望的要求進行，以滿足生產工藝及其他應用的需要［1］。隨著計算機的發展和電機的廣泛應用，在工業中，需要通過計算機仿真來驗證設計過程的合理性。而在教學中，因為內容與實踐的緊密聯系，通過計算機仿真可以幫助學生更好地理解和掌握知識。

運動控制系統是一門實踐性和應用型課程，相關教材有很多，雖然有一些實例圖示，但缺乏全面系統配合教學內容的實驗系統。在教學過程中，由于缺少緊扣教材的實驗系統，學生很難理解一些復雜的概念和原理。為此，我們在可視化計算軟件Matlab平臺上開發了運動控制系統交互式實驗系統。

1 運動控制系統教學實驗軟件

1.1 系統特色

Matlab在運動控制系統實驗中的應用大多是涉及個別課程內容的孤立程序，而這個軟件是一個完整的演示和交互式實驗系統，且已發布為可獨立運行的軟件。這一軟件平臺緊扣教學內容，包含了大量的仿真演示，每個仿真界面均有詳細的幫助與原理說明。學生可以通過在GUI界面改變元件參數和條件，觀察并分析波形，還可以加載實例，自己動手編寫模擬實驗。可視化的界面形象生動，使用方便，交互性強，且仍具有擴展能力。

1.2 Matlab軟件平臺

Matlab軟件提供了現代化的教學手段，尤其是對專業課的教學。在理論教學基礎上，實際系統、工程應用、實際案例的學習是必不可少的，加入仿真技術輔助教學軟件，既可演示復雜系統的未知結果，又可以演示系統隨參數變化而變化的各種趨勢，有助于學生對理論的理解，更能彌補實驗手段的不足。Matlab的仿真為專業課的教學提供了很好的方法［2］。

Simulink是基于框圖的仿真平臺，它掛接在Matlab環境上，以Matlab的強大計算功能為基礎，用直觀的模塊框圖進行仿真和計算［3］。其中的電力系統（power system）工具箱是專門用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統和電力系統仿真的模型庫，它具有豐富的器件模型和齊全的分析功能［4］。利用此工具箱可以方便地實現電力電子仿真模型的搭建。

但在教學中還存在一定的問題，如：搭建復雜模型的教學過程，學生不僅不能很好地掌握知識點，而且對課程的興趣也逐漸降低。

1.3 系統組成

針對存在的問題和Matlab軟件的優點，筆者利用Matlab GUI開發出一套完整的運動控制系統軟件實驗平臺作為教學的主要輔助手段。本實驗系統包括電機的特性仿真、電機起動、制動、調速、調節器的設計及電力電子變流幾大部分。

各界面的設計主要采用了靜態文本框、可編輯文本框、觸控按鈕、面板和坐標軸等控件來實現一些功能［5］，各個控件的功能通過編寫其相應的回調函數來實現，主界面中通過選單（菜單）欄的建立來切換各子界面。

2 典型實驗界面

2.1 雙閉環直流調速系統調節器設計實驗

此實驗的結構界面布局為1個主界面和6個子界面。界面的設計按照工程設計的方法，即先電流環再轉速環的設計順序，通過對調節器框圖化簡及調節器結構的選擇，對調解器的參數進行計算［6］。界面中包含了調節器設計的主要內容，并且通過相應的后臺代碼，用戶在界面中填寫已知的調節器參數或加載實例，可得到可視化的仿真結果。

電流環與轉速環在設計過程中的思想與方法基本相同，本文以電流環的響應曲線、電流環的伯德圖為例進行介紹。電流環的響應曲線界面包括5個部分（如圖1所示）。

（1）選單欄（包括參數說明）；

（2）需要用戶填寫已知的電機參數（即輸入參數）；

（3）根據已知參數得出相應的電流環參數及近似條件的校驗；

（4）繪出電流環的響應曲線，相應的波形會在可視的圖形窗口畫出；

（5）一些功能按鈕，用戶在填好參數后，單擊確定按鈕就可方便地得到仿真結果，同時也可以通過加載事例按鈕來得到加載事例的結果和波形。

因為在加載事例中程序反應稍顯慢，通過一個進度條來過渡。清除按鈕用于清除text中的參數和圖形顯示窗口中所顯示的圖形［7］。用戶通過點擊電流環的動態結構框圖按鈕，可得到電流環的結構框圖，使用戶對電流環的總體設計有更深刻的理解。

圖1 仿真結果界面圖

在選單欄的參數說明中，對每個參數符號都加以說明，方便用戶的查詢。同時在界面的底部，給出每個參數的單位，為了生動和界面的布局，通過編程使其上下滾動顯示。

在圖2所示界面中，主要是對電流環開環增益和電流環截止頻率的求解，并根據電流環的開環傳遞函數（顯示在圖形窗口中，點擊確定按鈕或者加載事例后被響應曲線所覆蓋，方便用戶查看）得出電流環的單位閉環傳遞函數，繪制其相應參數的階躍響應曲線［8－9］。通過波形觀察階躍響應跟隨性能指標（上升時間、超調量和調節時間）。采用同樣的方法，繪制電流環的伯德圖，可以觀察到電流環的穩態性能，如圖2所示。

2.2 電力電子實驗仿真實例

電機起、制動、調速及電力電子換流制作方法相同，以電力電子換流為例，仿真模型可首先根據原理搭建相應的Simulink，模型搭建無誤后，拖拽模塊，完成界面的搭建［10］。電力電子變流包括4個部分（整流、直流斬波、交流調壓、PWM逆變）。下面介紹單相全波可控整流的仿真（見圖3）。

圖2 電流環的伯德圖

圖3 單相全波可控整流仿真

為了實現在界面中填入元件參數或仿真時間，從而改變Simulink中的參數，需要simset命令［11］，仿真時起動后臺的Simulink，導出波形，繪制在GUI中axes里［12］。Start Simulination的Callback程序如下：

3 結束語

通過先進的軟件工具開發教學演示平臺，對提高教學質量具有積極的意義。本軟件仿真平臺借助Matlab的編程功能，能夠對復雜的電力拖動控制系統的計算進行快速求解，運用GUIDE直觀顯示及界面輔助用戶查詢的功能，使得界面形象、操作簡單。已將此軟件應用于課堂演示中，達到了很好的效果，加深了學生對概念和基本原理的理解。GUI提供交互式實驗操作環境，在傳統教學基礎上強調了理論和實踐的結合。我們將在教學實踐中對本系統進行不斷的優化。

（References）

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.2版.北京：機械工業出版社，2003.

［2］李顯宏.Matlab7.x界面設計與編譯技巧［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［3］李國勇.計算機仿真技術與CAD：基于 Matlab的控制系統［M］.2版.北京：電子工業出版社，2008.

［4］尚麗，淮文軍.基于Matlab／Simulink和GUI的運動控制系統虛擬實驗平臺設計［J］.實驗室研究與探索，2010，29（6）：66－71.

［5］秦輝，席裕庚.基于Matlab GUI的預測控制仿真平臺設計［J］.系統仿真學報，2006，18（10）：2778－2781.

［6］邱金蕙，王矞輝，李振全，等.基于Matlab／GUI的新型界面開發方式［J］.河北工業科技，2008，25（4）：233－235.

［7］韓慶慶，肖乾虎，袁琦，等.基于GUI功能設計的電機仿真試驗系統［J］.水電能源科學，2011，29（1）：129－131.

［8］褚丹雷，薛小龍，胡國清.基于Matlab－GUI界面的計算機控制系統設計及Simulink動態仿真［J］.探測與控制學報，2002，24（1）：48－52.

［9］沈捷，王莉.數字信號處理教學實驗軟件包的GUI設計與實現［J］.實驗技術與管理，2008，25（2）：88－91.

［10］Stoecklin S，Allen C.Creating a reusable GUI component［J］.Software－practice ＆ Experience，2002，32（5）：403－416.

［11］Memon A M.GUI testing：pitfalls and process［J］.Computer，2002，35（8）：87－88.

［12］Ayasun Saffet，Karbeyaz Gueltekin.DC Motor Speed Control Methods Using MATLAB／Simulink and Their Integration into Undergraduate Electric Machinery Courses［J］.Computer Applicationsin Engineering Education，2007，15（4）：347－354.