基于MATLAB GUI的自动控制典型环节虚拟实验平台的开发*

赵新宽 梁建广 王艺橙

（1.珠海城市职业技术学院 广东 珠海 519090；2.博世（珠海）安保系统有限公司 广东 珠海 519090）

《自动控制原理与系统》是高职电气自动化技术专业的主干课程之一。它主要以自动控制理论作为系统分析的工具，通过对典型控制系统，如直流调速系统的性能分析与改善，使学生掌握自动控制系统的构成、性能指标、校正方法等（知识目标），能够对典型环节进行判断和测试，能够正确组建反馈控制系统，能够根据性能要求改变调节器参数（能力目标）。

该课程涉及知识面广、信息量大，而且理论性和实践性较强，特别是高职学生由于基础比较薄弱，学习数学建模十分吃力，系统分析也常常力不从心。因此，该课程历来是高职相关专业教学改革的重点，改革主要是对知识进行重构，把学科体系的讲授内容变换成行动导向的学习内容。

在教学方法上，大部分院校都使用了基于MATLAB软件的仿真教学。MATLAB中SIMULINK工具箱是系统分析和设计的有力工具。但从教学实践来看，由于基础较差，高职学生对MATLAB的运用有很大的障碍，造成仿真学习效率不高，教师往往要花很大的精力讲授仿真软件的使用。而且，学生在仿真时看到的是数学模型，而非真实的环节和系统，使得学生学到的理论知识难以有效迁移。如果可以把真实环节、系统同其背后的数学模型对应呈现，学生修改真实环节、系统的物理参数后，马上可以看到数学模型的对应变化，看到不同信号的响应情况。

虚拟实验平台即是把真实自动控制环节、系统同数学建模有机结合的实验平台。学生可以在平台上修改物理参数、改变输入信号、观察响应情况，同时可以观察数学模型的变化情况。现以典型环节为例介绍虚拟实验平台的设计和开发。

基于MATLAB GUI的典型环节虚拟实验平台的设计

MATLAB开发环境提供了创建用户界面的捷径（GUIDE）。GUIDE可以根据用户GUI的版面设计过程直接自动生成M文件框架。设计之后的编码工作，集中在相应的Callback函数上，因此，更加标准化和简化。

本实验平台的界面如图1所示。在最左边的设置面板中，可以选择不同的典型环节，如比例环节、积分环节、惯性环节、振荡环节等六种环节。在通过下拉菜单选定环节之后，相应的模拟电路会出现在中间的展示区域，对应的物理参数出现在设置面板中（不同环节的构成不同，参数有异），可以根据实验目的进行参数设置，设置完毕确认后，对应的数学模型马上予以呈现。可以选择不同的输入信号，如脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号、加速度信号等作为信号源进行实验。点击“运行”按钮，输入信号和响应信号会以不同颜色对比呈现出来。由于本环节仅是虚拟实验平台的一部分，所以还有一个返回主菜单按钮。还可以在本环节中加入菜单栏，引入响应曲线存储、打印等功能。

图1 典型环节虚拟实验平台界面示意图

典型环节虚拟实验平台的实现

虚拟实验环节的使用，不涉及任何的编程。但是在实验功能的背后，却离不开M-file编程与SIMULIK建模，只不过这些对于使用者而言都是透明的。

（一）模拟电路和数学模型的正确显示

首先应当把不同环节对应的模拟电路图片同.fig文件和.m文件存放于一个文件夹下，以备读取，然后在“环节选择”下拉菜单控件的callback函数中进行相应编程。调用get（）函数，读取“环节选择”控件值，handles是包含所有控制句柄和用户数据的structure。根据所做的选择调用显示对应的图片，正确显示需要设置的参数名称，禁用多余的数值输入框，具体如下：

传递函数是以文本的形式显示在界面上（当然也可以改为框图模式），用户输入的数值也是以字符串的形式。因此，在对应的输入控件callback中要把字符串转换为数值，并进行有效性检查。在“确定”按钮控件的callback函数应该进行正确的运算，再把最终的结果以正确的表示形式显示。如下：

（二）实验运行功能的实现

虚拟实验室运行功能的实现依赖于SIMULINK的正确建模，以及根据面板设置的不同，修改仿真模型相应环节的参数，并把仿真结果读取到工作空间后，正确显示在面板上。在本模块中，在同一个.mdl文件中（该文件与.fig等文件在同一文件夹下），针对四种输入信号，各建立一个模型，如对于阶跃信号如图2所示。

图2 阶跃信号仿真模型示意图

“运行”控件的回调函数要进行打开模型，判断输入信号类型，以便正确修改模块参数等等。

如果模型文件正确打开，则根据选择的输入信号类型选择具体的模型，然后根据选择的典型环节类型，读取相关全局变量，进行传递函数模块分子和分母矩阵表达式的设置：

kesai_wn与wn_wn是全局变量，在参数设置“确定”控件的callback进行计算，分别对应于振荡环节标准表达式中的2ξωn与 ω2n。 mat2str（）函数把矩阵转化为表达式，这是由传递函数模块参数类型决定的。

simset（）函数是进行仿真的设置，此处把基本工作空间设置为目标工作空间。至此，在界面上就可以运行得到输入输出的对比曲线。

结语

本文所介绍的只是笔者教学实践中所使用的虚拟实验室的一部分，虚拟实验室的构建思路是既可以进行虚拟的“实验”（看到表面发生了什么），也可以看到数学模型的变化（本质上发生了什么）。在后续单、双闭环调速系统的调试学习中，改变PID调节器模拟电路的参数后，幅频、相频特性以及响应曲线都对比显示出来，能使学生清楚看到系统动态、稳态性能发生的变化，以及时域、频域指标的情况，学习效果较好，解决了理论与实验相脱节的问题。

[1] 沈玉梅.MATLAB在《自动控制原理与系统》教学中的应用[J].职业教育研究，2009（11）：148-149.

[2] 陈贵银.高职《自动控制原理与系统》课程教学改革探索[J].长沙航空职业技术学院学报，2009（3）：20-22.

[3] 李念念，张红梅.基于MATLAB GUI的信号与系统分析软件开发[J].工业控制计算机，2011（3）：19.