运动控制系统实验软件开发平台

史成城，谢丽蓉，张 丹

（新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

运动控制系统就是通过控制电机电压、电流和频率等输入量来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按照人们期望的要求进行，以满足生产工艺及其他应用的需要［1］。随着计算机的发展和电机的广泛应用，在工业中，需要通过计算机仿真来验证设计过程的合理性。而在教学中，因为内容与实践的紧密联系，通过计算机仿真可以帮助学生更好地理解和掌握知识。

运动控制系统是一门实践性和应用型课程，相关教材有很多，虽然有一些实例图示，但缺乏全面系统配合教学内容的实验系统。在教学过程中，由于缺少紧扣教材的实验系统，学生很难理解一些复杂的概念和原理。为此，我们在可视化计算软件Matlab平台上开发了运动控制系统交互式实验系统。

1 运动控制系统教学实验软件

1.1 系统特色

Matlab在运动控制系统实验中的应用大多是涉及个别课程内容的孤立程序，而这个软件是一个完整的演示和交互式实验系统，且已发布为可独立运行的软件。这一软件平台紧扣教学内容，包含了大量的仿真演示，每个仿真界面均有详细的帮助与原理说明。学生可以通过在GUI界面改变元件参数和条件，观察并分析波形，还可以加载实例，自己动手编写模拟实验。可视化的界面形象生动，使用方便，交互性强，且仍具有扩展能力。

1.2 Matlab软件平台

Matlab软件提供了现代化的教学手段，尤其是对专业课的教学。在理论教学基础上，实际系统、工程应用、实际案例的学习是必不可少的，加入仿真技术辅助教学软件，既可演示复杂系统的未知结果，又可以演示系统随参数变化而变化的各种趋势，有助于学生对理论的理解，更能弥补实验手段的不足。Matlab的仿真为专业课的教学提供了很好的方法［2］。

Simulink是基于框图的仿真平台，它挂接在Matlab环境上，以Matlab的强大计算功能为基础，用直观的模块框图进行仿真和计算［3］。其中的电力系统（power system）工具箱是专门用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真的模型库，它具有丰富的器件模型和齐全的分析功能［4］。利用此工具箱可以方便地实现电力电子仿真模型的搭建。

但在教学中还存在一定的问题，如：搭建复杂模型的教学过程，学生不仅不能很好地掌握知识点，而且对课程的兴趣也逐渐降低。

1.3 系统组成

针对存在的问题和Matlab软件的优点，笔者利用Matlab GUI开发出一套完整的运动控制系统软件实验平台作为教学的主要辅助手段。本实验系统包括电机的特性仿真、电机起动、制动、调速、调节器的设计及电力电子变流几大部分。

各界面的设计主要采用了静态文本框、可编辑文本框、触控按钮、面板和坐标轴等控件来实现一些功能［5］，各个控件的功能通过编写其相应的回调函数来实现，主界面中通过选单（菜单）栏的建立来切换各子界面。

2 典型实验界面

2.1 双闭环直流调速系统调节器设计实验

此实验的结构界面布局为1个主界面和6个子界面。界面的设计按照工程设计的方法，即先电流环再转速环的设计顺序，通过对调节器框图化简及调节器结构的选择，对调解器的参数进行计算［6］。界面中包含了调节器设计的主要内容，并且通过相应的后台代码，用户在界面中填写已知的调节器参数或加载实例，可得到可视化的仿真结果。

电流环与转速环在设计过程中的思想与方法基本相同，本文以电流环的响应曲线、电流环的伯德图为例进行介绍。电流环的响应曲线界面包括5个部分（如图1所示）。

（1）选单栏（包括参数说明）；

（2）需要用户填写已知的电机参数（即输入参数）；

（3）根据已知参数得出相应的电流环参数及近似条件的校验；

（4）绘出电流环的响应曲线，相应的波形会在可视的图形窗口画出；

（5）一些功能按钮，用户在填好参数后，单击确定按钮就可方便地得到仿真结果，同时也可以通过加载事例按钮来得到加载事例的结果和波形。

因为在加载事例中程序反应稍显慢，通过一个进度条来过渡。清除按钮用于清除text中的参数和图形显示窗口中所显示的图形［7］。用户通过点击电流环的动态结构框图按钮，可得到电流环的结构框图，使用户对电流环的总体设计有更深刻的理解。

图1 仿真结果界面图

在选单栏的参数说明中，对每个参数符号都加以说明，方便用户的查询。同时在界面的底部，给出每个参数的单位，为了生动和界面的布局，通过编程使其上下滚动显示。

在图2所示界面中，主要是对电流环开环增益和电流环截止频率的求解，并根据电流环的开环传递函数（显示在图形窗口中，点击确定按钮或者加载事例后被响应曲线所覆盖，方便用户查看）得出电流环的单位闭环传递函数，绘制其相应参数的阶跃响应曲线［8－9］。通过波形观察阶跃响应跟随性能指标（上升时间、超调量和调节时间）。采用同样的方法，绘制电流环的伯德图，可以观察到电流环的稳态性能，如图2所示。

2.2 电力电子实验仿真实例

电机起、制动、调速及电力电子换流制作方法相同，以电力电子换流为例，仿真模型可首先根据原理搭建相应的Simulink，模型搭建无误后，拖拽模块，完成界面的搭建［10］。电力电子变流包括4个部分（整流、直流斩波、交流调压、PWM逆变）。下面介绍单相全波可控整流的仿真（见图3）。

图2 电流环的伯德图

图3 单相全波可控整流仿真

为了实现在界面中填入元件参数或仿真时间，从而改变Simulink中的参数，需要simset命令［11］，仿真时起动后台的Simulink，导出波形，绘制在GUI中axes里［12］。Start Simulination的Callback程序如下：

3 结束语

通过先进的软件工具开发教学演示平台，对提高教学质量具有积极的意义。本软件仿真平台借助Matlab的编程功能，能够对复杂的电力拖动控制系统的计算进行快速求解，运用GUIDE直观显示及界面辅助用户查询的功能，使得界面形象、操作简单。已将此软件应用于课堂演示中，达到了很好的效果，加深了学生对概念和基本原理的理解。GUI提供交互式实验操作环境，在传统教学基础上强调了理论和实践的结合。我们将在教学实践中对本系统进行不断的优化。

（References）

［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.2版.北京：机械工业出版社，2003.

［2］李显宏.Matlab7.x界面设计与编译技巧［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］李国勇.计算机仿真技术与CAD：基于 Matlab的控制系统［M］.2版.北京：电子工业出版社，2008.

［4］尚丽，淮文军.基于Matlab／Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计［J］.实验室研究与探索，2010，29（6）：66－71.

［5］秦辉，席裕庚.基于Matlab GUI的预测控制仿真平台设计［J］.系统仿真学报，2006，18（10）：2778－2781.

［6］邱金蕙，王矞辉，李振全，等.基于Matlab／GUI的新型界面开发方式［J］.河北工业科技，2008，25（4）：233－235.

［7］韩庆庆，肖乾虎，袁琦，等.基于GUI功能设计的电机仿真试验系统［J］.水电能源科学，2011，29（1）：129－131.

［8］褚丹雷，薛小龙，胡国清.基于Matlab－GUI界面的计算机控制系统设计及Simulink动态仿真［J］.探测与控制学报，2002，24（1）：48－52.

［9］沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现［J］.实验技术与管理，2008，25（2）：88－91.

［10］Stoecklin S，Allen C.Creating a reusable GUI component［J］.Software－practice ＆ Experience，2002，32（5）：403－416.

［11］Memon A M.GUI testing：pitfalls and process［J］.Computer，2002，35（8）：87－88.

［12］Ayasun Saffet，Karbeyaz Gueltekin.DC Motor Speed Control Methods Using MATLAB／Simulink and Their Integration into Undergraduate Electric Machinery Courses［J］.Computer Applicationsin Engineering Education，2007，15（4）：347－354.