基于MATLAB-GUI自动控制原理虚拟实验平台

基于MATLAB/GUI的自动控制原理虚拟实验平台

摘要:实验是《自动控制原理》的课程学习的重点。为弥补自动控制原理课程常规实验盲目性和可靠性低等缺陷,基于matlab /gui,通过设置图形窗口、调整控件、编写m文件等,设计和开发了自动控制原理虚拟实验平台和仿真软件,通过创建现场菜单完成对各实验界面的集成。该平台可视化和动态效果好,既能完成自动控制原理的实验仿真,又可以进行实际系统的分析、综合以及研究开发。关键词:自动控制原理 matlab语言 gui 实验界面

中图分类号:tp13-4 文献标识码:a 文章编

号:1674-098x(2011)12(b)-0096-01

引言

《自动控制原理》是电气信息类专业的核心课程,理论性强,实验是理解和消化课程内容的重要途径。目前许多高校的实验教学还处于传统模拟实验阶段,利用集成封闭的实验箱,将相应的有源网络模

块连接成典型环节或系统,再施加典型信号,通过示波器观察实验

结果。这种实验方法存在明显不足:(1)实验箱集成度高,学生对实验呈现出盲目性,同时容易损坏仪器设备。(2)知识学习和实验动手操作相互分离,使学生缺乏学习主动性和创造性。(3)由于元件非线性等因素,使实验结果与理论知识差异较大。

matlab是面对科学计算的高性能可视化仿真软件,gui(graphical user interfaces)是一种新型的图形用户界面。通过matlab/gui

设计和开发《自动控制原理》虚拟实验平台,不但能很好地解决传

统实验存在的问题,加深对自动控制原理理论课程内容的理解,更

能使学生摆脱复杂的数学推导,对新知识产生浓厚的探索兴趣。

1 虚拟实验平台的总体设计

整个平台由控制面板、登录界面、实验界面和主界面四大模块组成。控制面板:设置进入按钮和提供一些简单的信息,如研制单位,研制人员。登录界面:主要用于用户登录,还包括用户注册、修改密码、用户管理的功能。主界面:用于各实验界面的调用,并对平台功能和使用法方法进行介绍。实验界面:用于各实验的仿真操作,包括设置参数、指标计算、数据输出和保存等功能。

2 用户界面的设计

2.1 实验界面

以根轨迹为例,介绍实验界面的设计。

先在草纸上构思界面的草图,设计坐标轴(axes)、标注以及显示相关输出参数需要8个静文本框(static text),6个编辑文本框(edit text)来输入参数,四个控制按钮(push button)来控制图形的显示以及相关操作。将控件调节适中并摆放整齐。

再通过双击按钮,打开property inspector进行控件tag和string 两个属性的设置,tag的设置要便于识别。将四个可编辑文本的属性分别设置为fz_input、fm_input、scope_x1、scope_x2、scope_y1和scope_y2,将仿真、坐标控制按钮分别设置为

simulation_button、axes_button,坐标轴axes的tag设置为show_axes。运行gui便可生成的图形界面。

然后编写m文件,设置初始化程序。先初始化实验名称按钮(如时域分析)、图形数据的生成与输出,并显示相关参数值。在相应按钮上单击鼠标右键,选择view callbacks→callback,在该回调函数内写下相应代码。再初始化“保存”按钮、图形数据的生成与输出,并显示相关参数的输出值。在“保存”按钮上单击鼠标右键,选择view callbacks→callback,在该回调函数内写下相应代码。

最后单击运行程序,输入分子和分母系数,单击实验名称,如“时域分析”按钮,即可输出相应的实验界面。

2.2 主界面

完整的实验平台一定要把所有的实验界面集成在一起,以便用户调用,在matlab/gui设计中,可以通过调用gcf函数,以菜单的方式将各实验界面集成在一起形成主界面。现场菜单用于向用户提供一系列选项清单,用户可以直接点击调用,进入实验环节。

进行某一项实验时,首先单击该实验的现场菜单,从中选择要调用

的实验界面;然后根据需要输入系统传递函数分子和分母的系数,

确定传递函数。最后单击开始按钮,就可以观察系统的仿真图形和特性参数,进行系统分析。例如调用“根轨迹”项目时,可单击“根轨迹”的现场菜单,则实验界面被打开。实验时只需输入传递函数分子系数,如“1,2”,分母系数,如“1,2,3”,则该系统传递函数为g(s)h(s)=(s+2)/(s+2s+2)。再选定坐标范围x轴为-4～1,y轴为

-2～2,然后单击响应,最后单击坐标按钮,若要获得某点坐标单击

该点即可,结果如图1所示。故可知该函数的分离点为(-3.42,0).

3 结语

基于matlab的自动控制原理虚拟实验仿真平台,不但能使抽象的概念形象化,而且其较好的可视化和动态效果,可大大激发学习者的学习、设计和创新激情。通过该平台学生可以了解自动控制原理实验的所有过程和细节,并且在进行硬件实验前能够掌握有关系统参数的调节范围和规律,避免实验的盲目性和可能出现的硬件电路损坏。近几年来的实践证明,将虚拟仿真实验与传统模拟实验相结合,更能加深学生对理论知识的理解,教学效果明显,达到实验教学的真正效果。

参考文献

[1] 潘丰,徐颖秦.自动控制原理[m].北京:机械工业出版

社,2010.

[2] 罗华飞.matlab gui设计学习手记[m].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[3] 张德丰等.matlab自动控制系统设计[m].北京:机械工业出版社,2011.

[4] 王焕然,徐颖秦.自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发[j].电力系统及其自动化学报,2010,22(4):157～16.

①基金项目:江南大学教学改革成果(jxcg200924),江苏省质量工程培育项目(江大教[2008]240号),2010年江南大学大学生创新训练计划立项项目(1003056)。