第３Ｏ卷第４期 ２０１４年８月 上海电 力 学 院学报 Ｖｏ１．３０．Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２０１４ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—４７２９．２０１４．０４．０１３ “自动控制原理＂课堂实例仿真软件设计 屈婉莹 ，魏为民 ，徐晓丽ｂ （上海电力学院ａ．计算机科学与技术学院，ｂ．自动化工程学院，上海２０００９０） 摘要：针对“自动控制原理”课程的教学与实验特点，为了弥补实验条件的不足，利用Ｍａｔｌａｂ ＧＵＩ平台和 Ｍａｆｌａｂ控制系统工具箱，设计了一种用于自动控制原理课堂教学实践的软件．该软件可实现自控原理的基本 实验仿真，可图形化显示实验结果．教学实践表明，该软件可加深学生对课程的理解，增强学生的学习兴趣． 关键词：自动控制原理；控制系统；教学软件；计算机辅助设计 中图分类号：ＴＰ３１７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—４７２９（２０１４）０４—０３５７一Ｏ４ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ Ｃｌａｓｓｒｏｏｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ＱＵ Ｗａｎｙｉｎｇ ，Ｗｅｉ Ｗｅｉｍｉｎ。，ＸＵ Ｘｉａｏｌｉ （ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｆＡｕｔｏｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆＥｌｏｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ“Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ”，ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｆｏｒ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ＧＵＩ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｋｉｔ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ￣ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ．Ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｎ ｄｅｅｐｅｎ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｉｎ ｌｅａｒｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｅａｃｈｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ—ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ “自动控制原理”是自动化专业最重要的一 门专业基础课，也是非常难学的课程，原因在于其 理论性非常强，所学知识非常抽象，无法通过具体 的实物来演示和操作．＿ｌ 另外，自动控制原理课 程中的概念和定理较多，学生一般无法通过实物 本文利用Ｍａｔｌａｂ作为自动控制原理课堂实 例仿真软件，＿２ 将控制原理中的基本概念和原理 用图形化方法展示，不仅提高了学生的学习兴趣 及分析和解决问题的能力，同时激发了学生学习 自动控制原理的积极性，使学生与教师形成良好 实验来理解课程内容，只能死记硬背，这样就会影 响课堂的学习效果． 收稿日期：２０１４—０４—１５ 的互动，从而更加容易和轻松地学好自动控制原 理课程． 通讯作者简介：屈婉莹（１９９１一），女，在读硕士，陕西渭南人．主要研究方向为工业控制网络安全．Ｅ—ｍａｉｌ： １ １８５７２６６０５＠ｑｑ．ｔｏｍ． ３５８ 上海电力学院学报 １仿真软件的总体结构 本仿真软件的设计可以分为两个部分：一是 自动控制原理课程中的几个基本实验，如标准二 阶系统的时域分析、ＰＩＤ控制作用的分析以及３ 种常用图形绘制等；二是一个倒立摆控制动画的 演示．仿真软件的总体框架如图１所示． 图１仿真软件总体结构 系统的总体框架完成之后，利用Ｍａｔｌａｂ中的 ＧＵＩ来设计每一个实验界面．一个完整的ＧＵＩ设 计分为两个阶段：一是图形界面的结构设计，即利 用设计向导构造整个图形界面的布局，合理安排 控件，设计菜单，并进行必要的属性设计；二是功 能设计，即为控件和菜单编写相应的回调函数 （Ｃａｌｌｂａｃｋ），具体实现界面的各种功能． ２界面设计 ２．１“自控原理基本实验”界面的设计 设计中的自动控制原理基本实验包括系统的 时域分析、ＰＩＤ控制作用的分析、自控原理基本图 形绘制３个实验项目．将各个实验项目设计成对 应的３个触控按钮，并将每个按钮的Ｔａｇ属性改 为对应实验项目的名称，使用者只需单击对应的 按钮即可进入实验界面．进入界面后，为控件和菜 单编写相应的回调函数（Ｃａｌｌｂａｃｋ），从而具体实 现界面的各种功能．下面以ＰＩＤ控制作用分析为 例介绍仿真软件的设计． 为了让学生更加清楚地了解Ｐ，Ｉ，Ｄ各自的 控制作用，选择输入不同的数值查看其阶跃响应 的方法来设计软件，例如输入不同的比例作用来 观察其对系统的影响，或通过对同一系统分别进 行Ｐ，ＰＩ，ＰＩＤ作用来观察其阶跃响应，该界面的结 构设计如图２所示．其中ａｘｅｓ５用来显示ＰＩＤ系 统框图，ａｘｅｓ２用来显示不同控制作用下的阶跃响 应曲线，ｋ ， ， 可以根据用户的要求输入不同 的值． 整个控制界面的重要部分是４个控制器的设 置，需要编写回调函数，以实现在点击按钮时，在 ａｘｅｓ２中出现相应的阶跃响应．如在“ＰＩＤ控制器” 的回调函数中编写如下函数： Ｍ：ｓｔｒ２ｎｕｍ（ｇｅｔ（ｈａｎｄｌｅｓ．ｅｄｉｔｌ， ｓｔｒｉｎｇ ））； ％分别读取比例、微分、积分的值 Ｎ＝ｓｔｒ２ｎｕｍ（ｇｅｔ（ｈａｎｄｌｅｓ．ｅｄｉｔ２， ｓｔｉｒｎｇ ））； Ｑ＝ｓｔｒ２ｎｕｍ（ｇｅｔ（ｈａｎｄｌｅｓ．ｅｄｉｔ３， ｓｔｒｉｎｇ ））； ａ２＝ｅｖａｌｉｎ（ ｂａｓｅ ， ａｌ ）； ％运行ｗｏｒｋｓｐａｃｅ的ａ变量 Ｇｃ＝ｆｆ（Ｍ Ｎ；Ｉｃ Ｑ，Ｎ，１］，［Ｎ，０］）； ％得到控制器控制作用 Ｇ＝ｆｅｅｄｂａｃｋ（ａ２；Ｉｃ Ｇｃ，１）； ％得到闭环传递函数 ａｘｅｓ（ｈａｎｄｌｅｓ．ａｘｅｓ２）； ｓｔｅｐ（Ｇ）； ％画出阶跃响应 图２系统ＰＩＤ控制界面 ＰＩＤ控制器的运行结果如图３所示．其中， 保持不变，ｋ 分别取１０，１２，ｌ４．由响应曲线可以 看出，比例作用Ｐ越强，稳态误差越小，则振荡加 剧．系统的时域分析和自控原理基本图形绘制两 个界面的设计与图３的界面设计相似，在此不做 详细介绍． ２．２“倒立摆控制动画”界面的设计 倒立摆控制装置是自动控制理论的一种典型 教学实验设备，也是控制理论应用的一种典型物 理模型．＿４ 通过对倒立摆的建模、状态反馈控制 器的设计及倒立摆控制的动画演示，可以使学生 更清楚直观地了解控制系统的概念、控制器的设 计以及控制原理中的基本概念，如闭环极点的位 置对控制作用的影响等，也可以增加学生对课程 学习的兴趣和热情． 本仿真模型采用极点配置的方法来设计状态 屈婉莹，等：“自动控制原理”课堂实例仿真软件设计 ３５９ 反馈控制器，将多变量系统的闭环系统极点配置 括实验模型的输入、仿真参数的输入、期望闭环极 点输入、状态反馈系数 的输出、３Ｄ动画界面、 倒立摆摆杆角度的输出，以及小车位移曲线的绘 在期望的位置上，从而使系统满足所期望的动态 和稳态性能指标． 倒立摆控制动画结构图如图４所示，其中包 制等． 图３ ＰＩＤ控制器的运行结果界面 图４倒立摆控制动画结构示意 若要使结构图中的每一个按钮实现相应的功 能，还必须编写回调函数．采用极点配置控制算法 来实现倒立摆和小车的控制，主程序包括以下７ 实现摆杆长度和摆杆质量的创建．同时，还需要 设定摆杆角度和小车位置初始值，即扰动的设 定．以上数值是在进行仿真之前所需要填人的， 在计算 值时，采用ｇｅｔ函数即可获取这些模型 参数数值． （２）闭环极点参数创建采用ｑｉ—ＣｒｅａｔｅＦｕｎ 个部分． （１）模型参数创建采用ｍｃ—ＣｒｅａｔｅＦｕｎ（） 和ｍｃ—Ｃａｌｌｂａｃｋ（）实现小车质量的创建，同理可 ３６０ 上海电力学院学报 （）和ｑｉ—Ｃａｌｌｂａｃｋ（）实现ｑｉ的输入，此数值在进 行 值计算时调用． （３）计算 值采用ａｃｋｅｒ（）函数实现，其中 Ｋ值的创建也是采用ｋｉ—ＣｒｅａｔｅＦｕｎ（）和ｌ【ｉ— Ｃａｌｌｂａｃｋ（）实现的． （４）仿真时间和步长的设定 采用Ｔｅｄｉｔ— ＣｒｅａｔｅＦｕｎ（）和Ｓｔｅｐ—ＣｒｅａｔｅＦｕｎ（）函数实现，在 启动仿真时调用． （５）仿真启动的设定采用两个ｆｏｒ循环函 数实现，一个用于检查设置的值是否使３Ｄ动画 超出范围，一个用于实现３Ｄ仿真．＿６］ （６）重置按钮（７）退出采用ｄｅｌｅｔｅ函数清除上一次 的结果和参数，重新输入新的参数． 采用ｃｌｏｓｅ函数退出． 在结构设计和回调函数编写完成后，就可进 行倒立摆的动态演示，结果如图５所示． 图５倒立摆控制动回演不 ３软件调试 当所有的界面设计和程序编写完成后，需要 对已完成的程序进行编译，以便生成可以直接执 行的ｅｘｅ文件．应用Ｍａｔｌａｂ自带的ＬＣＣ编译器， 安装后调用即可对所设计的ＧＵＩ进行编译．编译 完成后会在文件夹中生成一些文件，将这个文件 夹连同Ｍａｔｌａｂ安装目录中的ＭＣＲｉｎｓｔｌａｌｅｒ．ｅｘｅ文 参考文献： 篇 嚣 原理课堂教学的效果． ［１］薛定宇，陈阳泉＿基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿真技术 与应用［Ｍ］－北京．清华大学大学出版社， ｏ¨：１３９－１４８． 仿真软件的设计与开发。Ｄ 保 河北 件打包复制在一台没有Ｍａｔｌａｂ的电脑上，点击安 装ＭＣＲｉｎｓｔａＵｅｒ．ｅｘｅ文件后，即可执行编译好的 ｅｘｅ文件． ［３］薛定宇陈阳泉．高等应用数学问题的ＭＡＴＬＡＢ求解 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８：３０—８０． ，［４］王万良．自动控制原理［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１： ４ 结 语 基于Ｍａｔｌａｂ＿ＧＵＩ设计的自动控制原理课堂 实例仿真软件，实现了经典控制理论中主要内容 的仿真演示，包括标准二阶系统的动态特性、ＰＩＤ 控制器的设计、根轨迹图及零极点分布图、系统奈 奎斯特图、波特图等．通过直观形象的实例仿真演 ［５］翟龙余．一级倒立摆仿真模型的建立［Ｊ］．大众科技，２０１１ ［６］陈在平控制系统计算机仿真与ｃＡＤ：ＭＡＴＬＡＢ语言应用 ．［Ｍ］．天津：天津大学出版社。２００１：６８．８８． （编辑白林雪）
