摘 要：針對自動控制理論教學(xué)中無法在課堂上直接利用倒立擺實驗設(shè)備進行演示的問題，設(shè)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(diào)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(guān)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(fù)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(guān)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(xué)中，倒立擺系統(tǒng)是一種重要的輔助教學(xué)工具，將控制算法應(yīng)用于倒立擺系統(tǒng)，觀察其控制效果，可以使學(xué)生更加生動形象地學(xué)習(xí)理解各種控制算法原理及其特性。然而，由于倒立擺實驗設(shè)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(xué)中很難在課堂中直接利用倒立擺實驗設(shè)備進行演示。針對這個問題，本文利用MATLAB/GUI設(shè)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(diào)用仿真文件進行仿真，可用于課堂教學(xué)演示。除此之外，該平臺還可作為學(xué)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(shè)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(diào)用MATLAB的.mdl文件，MATLAB的GUI不脫離MATLAB的開發(fā)環(huán)境，調(diào)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(yīng)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(shè)計

2.1 仿真實驗平臺總體設(shè)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(luò)算法和ANFIS[6][7][8]（Adaptive Neural Network-Based Fuzzy Interface System）算法進行設(shè)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(nèi)。

2.1.1 界面設(shè)計

仿真實驗平臺通過主界面調(diào)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(yīng)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(fēng)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(diào)函數(shù)為：

2.2 仿真實驗平臺詳細設(shè)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(shè)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(diào)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(diào)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(diào)函數(shù)來實現(xiàn)，流程如圖4所示：

3 結(jié)束語

本文利用MATLAB/GUI設(shè)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(yīng)用于自動控制理論教學(xué)中。

參考文獻：

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[8]陳慧萍，王建東，樊春霞.基于自適應(yīng)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(xué)。

作者單位：武警工程大學(xué)信息工程系，西安 710086