雷建和，胡廷軒，宮汝林，張 棟

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520)

基于Matlab的數(shù)字實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)

雷建和，胡廷軒，宮汝林，張 棟

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520)

Matlab在繪制自動(dòng)控制原理的相關(guān)圖形時(shí)具有局限性，需要使用者掌握編程語(yǔ)言才能使用，對(duì)使用者要求較高。鑒于此，開(kāi)發(fā)了一個(gè)可供教學(xué)和科研的數(shù)字實(shí)驗(yàn)軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)了在繪圖時(shí)只需輸入相關(guān)參數(shù)就可生成相關(guān)圖形的功能。通過(guò)利用Matlab GUI工具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)界面，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)各個(gè)子模塊，再通過(guò)回調(diào)函數(shù)將各模塊連接在一起，組成一個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了利用Simulink進(jìn)行仿真的實(shí)驗(yàn)，方便學(xué)生更好地去學(xué)習(xí)自控原理課程，提高課堂教學(xué)效率。該系統(tǒng)具有界面友好、使用方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，且涵蓋了自動(dòng)控制的主要繪圖。該軟件不僅可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以用在相關(guān)領(lǐng)域的科研工作上。

自動(dòng)控制原理；數(shù)字實(shí)驗(yàn)軟件；Matlab；圖形用戶界面(GUI)

在進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，目前所用工具是Matlab軟件[1]。使用Matlab軟件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，必須能熟練地應(yīng)用Matlab語(yǔ)言進(jìn)行編程，否則就無(wú)法使用該軟件，因而較為費(fèi)事費(fèi)力。尤其是在分析系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響時(shí)，參數(shù)每變化一次就需要重新進(jìn)行繪圖分析。同時(shí)，在目前學(xué)時(shí)壓縮的情況下，要對(duì)學(xué)生講解系統(tǒng)的分析也需要進(jìn)行一些圖形的繪制。

針對(duì)以上情況，本文采用Matlab語(yǔ)言設(shè)計(jì)一款“傻瓜”型的軟件，能夠根據(jù)使用者的要求，輸入系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)，系統(tǒng)就能自動(dòng)地繪制出使用者進(jìn)行系統(tǒng)分析所需要的圖形，從而避免了采用編程繪制圖形帶來(lái)的麻煩。該軟件不但可用作為自動(dòng)化科研所進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的輔助工具，同時(shí)也可以用于與自動(dòng)化有關(guān)專業(yè)的高等學(xué)校的教學(xué)[2-3]。

1 實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選取

Matlab是一款將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起的軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和方便的繪圖功能[4]，是用來(lái)學(xué)習(xí)自控原理的最佳選擇。在學(xué)習(xí)自控原理時(shí)，往往需要繪制時(shí)域、復(fù)域和頻域等相關(guān)圖形，而Matlab又具有出色的繪圖功能，可以通過(guò)編程繪制所需圖形，還能進(jìn)行圖形的計(jì)算和分析[5]，所以本文選擇Matlab作為開(kāi)發(fā)軟件。

GUIDE(graphical user interface development environment)是Matlab圖形用戶接口開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供了一系列工具用于建立GUI對(duì)象，通過(guò)窗口、按鈕、圖標(biāo)和文本等圖形對(duì)象構(gòu)成用戶界面[6]。在使用GUI時(shí)，會(huì)生成一個(gè)相應(yīng)的M文件，可以在此文件內(nèi)編寫所需的回調(diào)函數(shù)來(lái)控制相關(guān)控件。本文利用GUI來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)界面，可以讓使用者直接輸入相關(guān)參數(shù)以繪制出所需要的圖形，具有界面友好、使用方便的特點(diǎn)。生成的exe文件，還可以脫離Matlab環(huán)境，在未安裝Matlab的機(jī)器上使用，使本軟件具有更廣泛的使用空間。

在學(xué)習(xí)自控原理時(shí)，常常需要進(jìn)行一些仿真實(shí)驗(yàn)，而Simulink常用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真，它不僅適用于線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，也適用于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)[7-8]。本文利用Simulink設(shè)計(jì)了一些常用的仿真實(shí)驗(yàn)，使用者不用再去組建仿真模型，可直接在仿真界面修改相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了使用者的時(shí)間，提高了教學(xué)和科研效率[9-10]。

下面介紹GUI界面的創(chuàng)建過(guò)程。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容

本設(shè)計(jì)為基于Matlab的數(shù)字實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)，借助于可視化的圖形用戶界面GUI工具，克服Matlab本身在繪制圖形時(shí)的局限性，生成一個(gè)exe文件，通過(guò)輸入相關(guān)參數(shù)就可以繪制圖形。本設(shè)計(jì)主要完成以下功能：

1)可以完成階躍響應(yīng)曲線、根軌跡、Bode圖、Nichols圖和Nyquist曲線等圖形的繪制；

2)可以進(jìn)行Simulink仿真實(shí)驗(yàn)；

3)支持?jǐn)?shù)據(jù)輸入、圖形輸出、保存界面和保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等功能；

4)界面友好，使用方便，結(jié)果便于分析。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)步驟

1)利用GUI，先繪制實(shí)驗(yàn)主界面、實(shí)驗(yàn)子界面；

2)編寫實(shí)驗(yàn)子界面的回調(diào)函數(shù)，讓每個(gè)子界面都能完成自己的功能；

3)編寫實(shí)驗(yàn)主界面的回調(diào)函數(shù)，用來(lái)調(diào)用各個(gè)子界面，使之具有一個(gè)完整的功能；

4)把各個(gè)界面的M文件打包編譯生成exe文件，從而成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。

1.4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)共包括6個(gè)模塊：主模塊、引導(dǎo)模塊、時(shí)域分析法模塊、復(fù)域分析法模塊、頻域分析法模塊和Simulink仿真模塊[11-12]。

這些模塊都有下一級(jí)的模塊，如時(shí)域分析法模塊下又有階躍響應(yīng)曲線模塊，階躍響應(yīng)曲線模塊下又有使用說(shuō)明模塊；復(fù)域分析法模塊下又有根軌跡模塊，根軌跡模塊下又有使用說(shuō)明模塊；頻域分析法模塊下又有Bode圖模塊和Nyquist曲線模塊，且這兩個(gè)模塊下又有各自的使用說(shuō)明模塊。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

Matlab 的GUIDE中包含所有設(shè)計(jì)GUI所需的工具，還具有支持界面優(yōu)化功能，如界面外觀、界面屬性等。本文利用GUIDE設(shè)計(jì)GUI界面，界面之間主要利用回調(diào)函數(shù)來(lái)連接。GUI界面實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示。

Matlab GUI實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)部分，即界面布局、編寫回調(diào)函數(shù)和生成exe文件。首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)界面進(jìn)行整體布局，包括創(chuàng)建菜單欄和子菜單，并將所需控件布局在GUI設(shè)計(jì)窗口中；其次，設(shè)置控件和子菜單的屬性，在M文件中編寫其回調(diào)函數(shù)，文件運(yùn)行后生成圖形用戶界面；最后合并fig文件和M文件生成exe可執(zhí)行文件，并在其他電腦運(yùn)行可執(zhí)行程序。

圖2 GUI設(shè)計(jì)流程圖

3 具體實(shí)驗(yàn)舉例

系統(tǒng)主界面如圖3所示，本系統(tǒng)包括兩部分，即自控原理繪圖計(jì)算部分和Simulink仿真實(shí)驗(yàn)部分。

通過(guò)點(diǎn)擊界面上按鈕進(jìn)入下一界面，點(diǎn)擊退出可以關(guān)閉本軟件。

圖3 系統(tǒng)界面

下面以線性系統(tǒng)的頻域分析法為例，介紹繪圖計(jì)算部分的內(nèi)容及使用方法。

頻率分析法是根據(jù)頻率特性曲線的形狀及其特征量來(lái)分析研究系統(tǒng)的特性，而不是對(duì)系統(tǒng)模型求解，它是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的又一種圖解法，采用圖形化的工具來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析[7]。頻率特性曲線包括3種常用形式：極坐標(biāo)圖(又稱Nyquist圖)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖(又稱Bode圖)和對(duì)數(shù)幅相圖(又稱Nichols圖)。

傳遞函數(shù)有一般式和零極點(diǎn)增益形式。

1)一般式

(1)

2)零極點(diǎn)增益形式

(2)

式中：K0為放大系數(shù)；s=s1,s2,…,sn，傳遞函數(shù)的極點(diǎn)；z=z1,z2,…,zn，傳遞函數(shù)的零點(diǎn)；分母多項(xiàng)式為相應(yīng)微分方程的特征多項(xiàng)式；傳遞函數(shù)的極點(diǎn)為微分方程的特征根。

本實(shí)驗(yàn)提供了兩種傳遞函數(shù)的輸入形式，即傳遞函數(shù)的一般式形式和傳遞函數(shù)零極點(diǎn)增益形式。在本界面上，可以按照說(shuō)明輸入相關(guān)參數(shù)在指定位置，如分子系數(shù)、分母系數(shù)、響應(yīng)時(shí)間、零點(diǎn)、極點(diǎn)和增益等。說(shuō)明按鈕所鏈接的界面也對(duì)本實(shí)驗(yàn)做了一個(gè)詳細(xì)的使用說(shuō)明，以方便使用本軟件。點(diǎn)擊“退出”按鈕，可以關(guān)閉本界面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存圖形如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)保存結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)控制原理課程理論性較強(qiáng)，需要大量的圖形和仿真來(lái)幫助研究系統(tǒng)，如果單純地利用編程來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，工作量將會(huì)非常大。利用Matlab的GUI功能，可以更加方便地去繪制圖形，可以開(kāi)發(fā)用途更為廣泛的應(yīng)用軟件，應(yīng)用于課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，減輕老師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)，不僅可以改善教學(xué)效果，同時(shí)還提高了教學(xué)效率。

[1]結(jié)碩，韓光勝.Matlab在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(2)：95-97，108.

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TheDevelopmentofDigitalExperimentSoftwareBasedonMatlab

LEI Jianhe，HU Tingxuan，GONG Rulin，ZHANG Dong

(College of Auto mation Engineering,Qingdao Technological University，Qingdao，266520，China)

Because Matlab in drawing the principle of automatic control of the relevant graphics with limitations，it often has a higher requirement to the users with a good command of the programming language.In view of this，the paper develops a digital experiment software for teaching and research.The software can achieve the functions that when enters the relevant parameters it can generate the relevant graphics.This paper designs the experimental interface by using Matlab GUI tool，utilizing the modular design methods.First design the various sub-modules，and then callback function to connect the modules together to form a system..Meanwhile，it also designs to use Simulink simulation experiment to facilitate the students’ to better study the principle of self-control theory courses to improve the classroom efficiency.This system has some distinguishing features such as user-friendly，easy-to-use， strong functions，covering the main drawings of the principles of automatic control.The software can not only be used for experimental teaching，but also can be used in related areas of scientific research.

principles of automatic control；digital experiment software；Matlab；graphical user interface

2016-04-22；修改日期:2016-05-12

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃(J14LN26);青島理工大學(xué)名校建設(shè)工程(MX4-1)。

雷建和(1961-)，男，博士，副教授，主要從事信息獲取與處理、模式識(shí)別與智能系統(tǒng)等方面的研究。

TP319

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.006