基于MATLAB GUI的机械工程控制基础课程虚拟仿真实验平台设计

张春慧 宗哲英 洪宝棣

（内蒙古农业大学机电工程学院 内蒙古呼和浩特 010010）

“机械工程控制基础”是内蒙古农业大学机械制造及其自动化专业、农业机械化及其自动化专业的重要专业基础课，是衔接基础课与专业课的桥梁，课程对学生工程能力的培养具有重要作用。然而课程在开展过程中存在学时少、重理论、轻实践、授课方式单一等问题，导致学习过程枯燥，学生学习兴趣不高，教学效果受到影响。如何在有限的学时内提高课程的实践性，将理论与实践有机融合，对课程效果有着重要意义。

在“机械工程控制基础”课程的教学探索中，MATLAB 因其良好的人机交互性和强大的计算能力被引入传统的教学课堂中[1-5]。MATLAB GUI是一种图形用户界面，其图形化的界面极大地简化了设计过程中界面的布局操作，方便使用者执行交互式的任务[6]。本文基于MATLAB GUI设计开发了“机械工程控制基础”虚拟仿真实验平台，将理论环节与实践环节有机融合，对实验教学起到了辅助作用。

一、总体设计

本文所设计“机械工程控制基础”虚拟仿真实验平台基于MATLAB R2019a版GUI开 发，GUI（Graphical User Interface）即用户图形界面，由窗口、菜单、按钮、文字说明等构成用户界面，用户可通过鼠标或键盘激活图形对象从而产生某种动作或变化，如绘图、计算等。

采用“从上到下”的设计理念，上层进行主界面设计，根据课程的主体内容设计4个“实验入口”按钮和1个“退出”按钮；下层进行4个实验界面设计，实现实验操作；上下层之间通过接口实现链接，总体设计图如图1所示。

图1 总体设计图

二、界面设计

（一）登录界面设计

“机械工程控制基础”仿真平台选择内蒙古农业大学校门作为封面，点击“进入”按钮进入登陆界面：登录界面包括新用户注册、密码设置、老用户登录等功能。

（二）主界面设计

1.主界面结构框图

“机械工程控制基础”课程的主体内容为线性系统时域分析、线性系统频域分析、线性系统根轨迹分析和控制系统分析4部分，虚拟仿真实验平台主界面也相应设计为4部分。

2.主界面设计及运行

（1）在MATLAB命令窗口输入“guide”指令创建GUI界面，选择空白模板；

（2）点击保存生成一个.m文件和一个.fig文件；

（3）在m文件中，使用4个按钮和4个文本框，分别对应4部分主体内容；

（4）运行该文件。

（三）实验界面设计

1.线性系统时域仿真

点击“线性系统时域仿真”按钮进入时域分析界面，该界面包含“阶跃响应”，“脉冲响应”和“动态性能指标计算”三个模块，如图2所示。

图2 时域分析界面

“阶跃响应”和“脉冲响应”模块可直观展示不同系统对于不用输入信号的输出结果；“动态性能指标计算”模块可计算二阶系统单位阶跃响应各项动态性能指标，包括：上升时间tr、峰值时间tp、调整时间ts和超调量σ%等，通过各动态指标的计算定量分析机械系统运行过程中的动态性能，如稳定性和快速性。

2.线性系统频域仿真

图2中点击“线性系统频域仿真”按钮进入频域分析界面，如图3所示：

图3 频域分析界面

该部分可进行频域系统Bode图、Nyquist曲线及Nichols曲线的绘制，点击按钮进入相应界面，输入系统传递函数即可得到相应曲线。

这里简要介绍Nyquist曲线绘制界面的设计步骤：

（1）创建GUI界面，拖入所需控件，如按钮、坐标轴、静态文本框、可编辑文本框等；

（2）点击保存生成.m文件，命名为Nyquist_1，点击各个控件进行回调函数的编写。以OK键为例：

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）运行程序，在可编辑文本框内输入分子分母，点击“OK”按钮，生成奈氏曲线，如图4所示。

图4 Nyquist图

3.线性系统根轨迹分析

点击“线性系统根轨迹分析”按钮进入根轨迹分析GUI界面。根轨迹曲线绘制界面设计与Nyquist曲线绘制界面设计类似，不作赘述，其“OK”的回调函数为：

a=str2num（get（handles.fenzi，'string'））;b= str2num（get（handles.fenmu，'string'））;

T=1;[c，d]=c2dm（a，b，T，'Zoh'）;rlocus（c，d）;输入分子分母，点击“OK”按钮生成根轨迹曲线。

三、平台测试

（一）时域模块测试

选择时域部分“动态性能指标计算”模块进行测试。阶跃响应模型测试：输入传递函数分子、分母系数，点击“确定并计算”得到性能指标计算结果及其单位阶跃响应曲线。

该模块可针对阶跃响应模型进行动态性能指标的计算，结果显示某Ⅰ型系统在接受单位阶跃信号后，超调量σ%为36.728%，峰值时间tP为50秒，调整时间tS为817秒，同时计算出稳态误差为1.4，并以曲线的形式直观地展示该系统的动态过程。[6]

测试结果显示该模块可行有效，可作为时域系统性能指标计算主体实验的辅助手段。

（二）控制系统分析模块测试

为满足系统性能要求，本实验采用“超前-滞后”校正，从图5可看出系统校正前后单位阶跃响应曲线变化明显，校正后超调减小，稳定性增强，但响应时间增大，快速性变差，与计算结果一致。

四、结束语

本文基于MATLAB GUI设计开发了“机械工程控制基础”虚拟仿真实验平台，对平台的组成部分登录界面、主界面和实验界面分别进行了设计开发，并对平台功能进行了测试，测试结果显示平台可正常运行且结论正确、有效可行，可针对“机械工程控制基础”课程教学中的计算与结论进行课堂验证，解决了教学实践中存在的理论与实验脱节、存在时间差的问题，对改善学生学习效果、提高课程教学质量均有重要意义。