基于MATLAB/GUI的自動控制原理虛擬實驗平臺

摘 要:實驗是《自動控制原理》的課程學習的重點。為彌補自動控制原理課程常規實驗盲目性和可靠性低等缺陷，基于MATLAB /GUI，通過設置圖形窗口、調整控件、編寫M文件等，設計和開發了自動控制原理虛擬實驗平臺和仿真軟件，通過創建現場菜單完成對各實驗界面的集成。該平臺可視化和動態效果好，既能完成自動控制原理的實驗仿真，又可以進行實際系統的分析、綜合以及研究開發。

關鍵詞:自動控制原理 MATLAB語言 GUI 實驗界面

中圖分類號:TP13-4文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)12(b)-0096-01

引言

《自動控制原理》是電氣信息類專業的核心課程，理論性強，實驗是理解和消化課程內容的重要途徑。目前許多高校的實驗教學還處于傳統模擬實驗階段，利用集成封閉的實驗箱，將相應的有源網絡模塊連接成典型環節或系統，再施加典型信號，通過示波器觀察實驗結果。這種實驗方法存在明顯不足:(1)實驗箱集成度高，學生對實驗呈現出盲目性，同時容易損壞儀器設備。(2)知識學習和實驗動手操作相互分離，使學生缺乏學習主動性和創造性。(3)由于元件非線性等因素，使實驗結果與理論知識差異較大。

MATLAB是面對科學計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MATLAB/GUI設計和開發《自動控制原理》虛擬實驗平臺，不但能很好地解決傳統實驗存在的問題，加深對自動控制原理理論課程內容的理解，更能使學生擺脫復雜的數學推導，對新知識產生濃厚的探索興趣。

1 虛擬實驗平臺的總體設計

整個平臺由控制面板、登錄界面、實驗界面和主界面四大模塊組成。

控制面板:設置進入按鈕和提供一些簡單的信息，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、修改密碼、用戶管理的功能。主界面:用于各實驗界面的調用，并對平臺功能和使用法方法進行介紹。實驗界面:用于各實驗的仿真操作，包括設置參數、指標計算、數據輸出和保存等功能。

2 用戶界面的設計

2.1 實驗界面

以根軌跡為例，介紹實驗界面的設計。

先在草紙上構思界面的草圖，設計坐標軸(axes)、標注以及顯示相關輸出參數需要8個靜文本框(static text)，6個編輯文本框(edit text)來輸入參數，四個控制按鈕(push button)來控制圖形的顯示以及相關操作。將控件調節適中并擺放整齊。

再通過雙擊按鈕，打開property inspector進行控件tag和string兩個屬性的設置，tag的設置要便于識別。將四個可編輯文本的屬性分別設置為fz_input、fm_input、scope_X1、scope_X2、scope_Y1和scope_Y2，將仿真、坐標控制按鈕分別設置為simulation_button、axes_button，坐標軸axes的tag設置為show_axes。運行GUI便可生成的圖形界面。

然后編寫M文件，設置初始化程序。先初始化實驗名稱按鈕(如時域分析)、圖形數據的生成與輸出，并顯示相關參數值。在相應按鈕上單擊鼠標右鍵，選擇View Callbacks→Callback，在該回調函數內寫下相應代碼。再初始化“保存”按鈕、圖形數據的生成與輸出，并顯示相關參數的輸出值。在“保存”按鈕上單擊鼠標右鍵，選擇View Callbacks→Callback，在該回調函數內寫下相應代碼。

最后單擊運行程序，輸入分子和分母系數，單擊實驗名稱，如“時域分析”按鈕，即可輸出相應的實驗界面。

2.2 主界面

完整的實驗平臺一定要把所有的實驗界面集成在一起，以便用戶調用，在MATLAB/GUI設計中，可以通過調用gcf函數，以菜單的方式將各實驗界面集成在一起形成主界面。現場菜單用于向用戶提供一系列選項清單，用戶可以直接點擊調用，進入實驗環節。

進行某一項實驗時，首先單擊該實驗的現場菜單，從中選擇要調用的實驗界面;然后根據需要輸入系統傳遞函數分子和分母的系數，確定傳遞函數。最后單擊開始按鈕，就可以觀察系統的仿真圖形和特性參數，進行系統分析。例如調用“根軌跡”項目時，可單擊“根軌跡”的現場菜單，則實驗界面被打開。實驗時只需輸入傳遞函數分子系數，如“1，2”，分母系數，如“1，2，3”，則該系統傳遞函數為G(s)H(s)=(s+2)/(s+2s+2)。再選定坐標范圍X軸為-4～1，Y軸為-2～2，然后單擊響應，最后單擊坐標按鈕，若要獲得某點坐標單擊該點即可，結果如圖1所示。故可知該函數的分離點為(-3.42，0).

3 結語

基于MATLAB的自動控制原理虛擬實驗仿真平臺，不但能使抽象的概念形象化，而且其較好的可視化和動態效果，可大大激發學習者的學習、設計和創新激情。通過該平臺學生可以了解自動控制原理實驗的所有過程和細節，并且在進行硬件實驗前能夠掌握有關系統參數的調節范圍和規律，避免實驗的盲目性和可能出現的硬件電路損壞。近幾年來的實踐證明，將虛擬仿真實驗與傳統模擬實驗相結合，更能加深學生對理論知識的理解，教學效果明顯，達到實驗教學的真正效果。

參考文獻

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[4]王煥然，徐穎秦.自動控制原理虛擬實驗平臺的設計與開發[J].電力系統及其自動化學報，2010，22(4):157～16.

①基金項目:江南大學教學改革成果(JXCG200924)，江蘇省質量工程培育項目(江大教[2008]240號)，2010年江南大學大學生創新訓練計劃立項項目(1003056)。