張春慧 宗哲英 洪寶棣

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

“機械工程控制基礎(chǔ)”是內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)、農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是銜接基礎(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁，課程對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)具有重要作用。然而課程在開展過程中存在學(xué)時少、重理論、輕實踐、授課方式單一等問題，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效果受到影響。如何在有限的學(xué)時內(nèi)提高課程的實踐性，將理論與實踐有機融合，對課程效果有著重要意義。

在“機械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)探索中，MATLAB 因其良好的人機交互性和強大的計算能力被引入傳統(tǒng)的教學(xué)課堂中[1-5]。MATLAB GUI是一種圖形用戶界面，其圖形化的界面極大地簡化了設(shè)計過程中界面的布局操作，方便使用者執(zhí)行交互式的任務(wù)[6]。本文基于MATLAB GUI設(shè)計開發(fā)了“機械工程控制基礎(chǔ)”虛擬仿真實驗平臺，將理論環(huán)節(jié)與實踐環(huán)節(jié)有機融合，對實驗教學(xué)起到了輔助作用。

一、總體設(shè)計

本文所設(shè)計“機械工程控制基礎(chǔ)”虛擬仿真實驗平臺基于MATLAB R2019a版GUI開 發(fā)，GUI（Graphical User Interface）即用戶圖形界面，由窗口、菜單、按鈕、文字說明等構(gòu)成用戶界面，用戶可通過鼠標或鍵盤激活圖形對象從而產(chǎn)生某種動作或變化，如繪圖、計算等。

采用“從上到下”的設(shè)計理念，上層進行主界面設(shè)計，根據(jù)課程的主體內(nèi)容設(shè)計4個“實驗入口”按鈕和1個“退出”按鈕；下層進行4個實驗界面設(shè)計，實現(xiàn)實驗操作；上下層之間通過接口實現(xiàn)鏈接，總體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計圖

二、界面設(shè)計

（一）登錄界面設(shè)計

“機械工程控制基礎(chǔ)”仿真平臺選擇內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)校門作為封面，點擊“進入”按鈕進入登陸界面：登錄界面包括新用戶注冊、密碼設(shè)置、老用戶登錄等功能。

（二）主界面設(shè)計

1.主界面結(jié)構(gòu)框圖

“機械工程控制基礎(chǔ)”課程的主體內(nèi)容為線性系統(tǒng)時域分析、線性系統(tǒng)頻域分析、線性系統(tǒng)根軌跡分析和控制系統(tǒng)分析4部分，虛擬仿真實驗平臺主界面也相應(yīng)設(shè)計為4部分。

2.主界面設(shè)計及運行

（1）在MATLAB命令窗口輸入“guide”指令創(chuàng)建GUI界面，選擇空白模板；

（2）點擊保存生成一個.m文件和一個.fig文件；

（3）在m文件中，使用4個按鈕和4個文本框，分別對應(yīng)4部分主體內(nèi)容；

（4）運行該文件。

（三）實驗界面設(shè)計

1.線性系統(tǒng)時域仿真

點擊“線性系統(tǒng)時域仿真”按鈕進入時域分析界面，該界面包含“階躍響應(yīng)”，“脈沖響應(yīng)”和“動態(tài)性能指標計算”三個模塊，如圖2所示。

圖2 時域分析界面

“階躍響應(yīng)”和“脈沖響應(yīng)”模塊可直觀展示不同系統(tǒng)對于不用輸入信號的輸出結(jié)果；“動態(tài)性能指標計算”模塊可計算二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)各項動態(tài)性能指標，包括：上升時間tr、峰值時間tp、調(diào)整時間ts和超調(diào)量σ%等，通過各動態(tài)指標的計算定量分析機械系統(tǒng)運行過程中的動態(tài)性能，如穩(wěn)定性和快速性。

2.線性系統(tǒng)頻域仿真

圖2中點擊“線性系統(tǒng)頻域仿真”按鈕進入頻域分析界面，如圖3所示：

圖3 頻域分析界面

該部分可進行頻域系統(tǒng)Bode圖、Nyquist曲線及Nichols曲線的繪制，點擊按鈕進入相應(yīng)界面，輸入系統(tǒng)傳遞函數(shù)即可得到相應(yīng)曲線。

這里簡要介紹Nyquist曲線繪制界面的設(shè)計步驟：

（1）創(chuàng)建GUI界面，拖入所需控件，如按鈕、坐標軸、靜態(tài)文本框、可編輯文本框等；

（2）點擊保存生成.m文件，命名為Nyquist_1，點擊各個控件進行回調(diào)函數(shù)的編寫。以O(shè)K鍵為例：

a=str2num（get（handles.fenzi，'string'））;b= str2num（get（handles.fenmu，'string'））;T=1;[c，d]=c2dm（a，b，T，'Zoh'）;nyquist（c，d）;（3）運行程序，在可編輯文本框內(nèi)輸入分子分母，點擊“OK”按鈕，生成奈氏曲線，如圖4所示。

圖4 Nyquist圖

3.線性系統(tǒng)根軌跡分析

點擊“線性系統(tǒng)根軌跡分析”按鈕進入根軌跡分析GUI界面。根軌跡曲線繪制界面設(shè)計與Nyquist曲線繪制界面設(shè)計類似，不作贅述，其“OK”的回調(diào)函數(shù)為：

a=str2num（get（handles.fenzi，'string'））;b= str2num（get（handles.fenmu，'string'））;

T=1;[c，d]=c2dm（a，b，T，'Zoh'）;rlocus（c，d）;輸入分子分母，點擊“OK”按鈕生成根軌跡曲線。

三、平臺測試

（一）時域模塊測試

選擇時域部分“動態(tài)性能指標計算”模塊進行測試。階躍響應(yīng)模型測試：輸入傳遞函數(shù)分子、分母系數(shù)，點擊“確定并計算”得到性能指標計算結(jié)果及其單位階躍響應(yīng)曲線。

該模塊可針對階躍響應(yīng)模型進行動態(tài)性能指標的計算，結(jié)果顯示某Ⅰ型系統(tǒng)在接受單位階躍信號后，超調(diào)量σ%為36.728%，峰值時間tP為50秒，調(diào)整時間tS為817秒，同時計算出穩(wěn)態(tài)誤差為1.4，并以曲線的形式直觀地展示該系統(tǒng)的動態(tài)過程。[6]

測試結(jié)果顯示該模塊可行有效，可作為時域系統(tǒng)性能指標計算主體實驗的輔助手段。

（二）控制系統(tǒng)分析模塊測試

為滿足系統(tǒng)性能要求，本實驗采用“超前-滯后”校正，從圖5可看出系統(tǒng)校正前后單位階躍響應(yīng)曲線變化明顯，校正后超調(diào)減小，穩(wěn)定性增強，但響應(yīng)時間增大，快速性變差，與計算結(jié)果一致。

四、結(jié)束語

本文基于MATLAB GUI設(shè)計開發(fā)了“機械工程控制基礎(chǔ)”虛擬仿真實驗平臺，對平臺的組成部分登錄界面、主界面和實驗界面分別進行了設(shè)計開發(fā)，并對平臺功能進行了測試，測試結(jié)果顯示平臺可正常運行且結(jié)論正確、有效可行，可針對“機械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的計算與結(jié)論進行課堂驗證，解決了教學(xué)實踐中存在的理論與實驗脫節(jié)、存在時間差的問題，對改善學(xué)生學(xué)習(xí)效果、提高課程教學(xué)質(zhì)量均有重要意義。