基于MATLAB GUI的機械工程控制基礎課程虛擬仿真實驗平臺設計

張春慧 宗哲英 洪寶棣

（內蒙古農業大學機電工程學院 內蒙古呼和浩特 010010）

“機械工程控制基礎”是內蒙古農業大學機械制造及其自動化專業、農業機械化及其自動化專業的重要專業基礎課，是銜接基礎課與專業課的橋梁，課程對學生工程能力的培養具有重要作用。然而課程在開展過程中存在學時少、重理論、輕實踐、授課方式單一等問題，導致學習過程枯燥，學生學習興趣不高，教學效果受到影響。如何在有限的學時內提高課程的實踐性，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”課程的教學探索中，MATLAB 因其良好的人機交互性和強大的計算能力被引入傳統的教學課堂中[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計過程中界面的布局操作，方便使用者執行交互式的任務[6]。本文基于MATLAB GUI設計開發了“機械工程控制基礎”虛擬仿真實驗平臺，將理論環節與實踐環節有機融合，對實驗教學起到了輔助作用。

一、總體設計

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

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

圖1 總體設計圖

二、界面設計

（一）登錄界面設計

“機械工程控制基礎”仿真平臺選擇內蒙古農業大學校門作為封面，點擊“進入”按鈕進入登陸界面：登錄界面包括新用戶注冊、密碼設置、老用戶登錄等功能。

（二）主界面設計

1.主界面結構框圖

“機械工程控制基礎”課程的主體內容為線性系統時域分析、線性系統頻域分析、線性系統根軌跡分析和控制系統分析4部分，虛擬仿真實驗平臺主界面也相應設計為4部分。

2.主界面設計及運行

（1）在MATLAB命令窗口輸入“guide”指令創建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4部分主體內容；

（4）運行該文件。

（三）實驗界面設計

1.線性系統時域仿真

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

圖2 時域分析界面

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

2.線性系統頻域仿真

圖2中點擊“線性系統頻域仿真”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Bode圖、Nyquist曲線及Nichols曲線的繪制，點擊按鈕進入相應界面，輸入系統傳遞函數即可得到相應曲線。

這里簡要介紹Nyquist曲線繪制界面的設計步驟：

（1）創建GUI界面，拖入所需控件，如按鈕、坐標軸、靜態文本框、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函數的編寫。以OK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.線性系統根軌跡分析

點擊“線性系統根軌跡分析”按鈕進入根軌跡分析GUI界面。根軌跡曲線繪制界面設計與Nyquist曲線繪制界面設計類似，不作贅述，其“OK”的回調函數為：

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“動態性能指標計算”模塊進行測試。階躍響應模型測試：輸入傳遞函數分子、分母系數，點擊“確定并計算”得到性能指標計算結果及其單位階躍響應曲線。

該模塊可針對階躍響應模型進行動態性能指標的計算，結果顯示某Ⅰ型系統在接受單位階躍信號后，超調量σ%為36.728%，峰值時間tP為50秒，調整時間tS為817秒，同時計算出穩態誤差為1.4，并以曲線的形式直觀地展示該系統的動態過程。[6]

測試結果顯示該模塊可行有效，可作為時域系統性能指標計算主體實驗的輔助手段。

（二）控制系統分析模塊測試

為滿足系統性能要求，本實驗采用“超前-滯后”校正，從圖5可看出系統校正前后單位階躍響應曲線變化明顯，校正后超調減小，穩定性增強，但響應時間增大，快速性變差，與計算結果一致。

四、結束語

本文基于MATLAB GUI設計開發了“機械工程控制基礎”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計開發，并對平臺功能進行了測試，測試結果顯示平臺可正常運行且結論正確、有效可行，可針對“機械工程控制基礎”課程教學中的計算與結論進行課堂驗證，解決了教學實踐中存在的理論與實驗脫節、存在時間差的問題，對改善學生學習效果、提高課程教學質量均有重要意義。