基于MatlabGUI的预测控制仿真平台设计

基于MATLAB的计算机控制系统仿真平台的设计设计一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。

）工作基础：了解计算机控制系统课程涉及的基本内容，熟练使用MATLAB 7软件。

研究条件：基于MATLAB 7的GUI（图形用户接口）程序设计。

应用环境：基于MATLAB 7的计算控制系统课程图形化的仿真平台的设计。

工作目的：熟练掌握MATLAB M文件的编写。

掌握计算机控制系统课程所涉及的最小拍有纹波、最小拍无纹波系统以及大林算法等基本内容。

完成基于MATLAB 7的GUI仿真平台程序M文件设计。

二、参考文献[1]邵年华. 水文时间序列几种预测方法比较研究[D]. 西安理工大学2010.[2]王莹. 基于MATLAB的永磁风力发电机动态仿真[D]. 大连理工大学2009.[3]李兴毓. 基于MATLAB的CFG桩复合地基优化设计研究[D]. 武汉理工大学2009.[4]黄师娟. 基于小波分析的时间序列预测模型及其应用研究[D]. 西安理工大学2009.[5]张宇. 嵌入式电脑横机可视化数据处理系统研究[D]. 东华大学2009.[6]吕辉榜. 基于MATLAB快速控制原型的磁悬浮控制系统研究[D]. 武汉理工大学2008.[7]朱会. 基于MATLAB的旋风分离器内气固两相流场的数值模拟[D]. 北京化工大学2007.[8]丘允阳.嵌入式GUI系统的研究与实现[D]. 电子科技大学2007.[9]韩雄振.基于统计学的预测结构域间相互作用方法的研究[D]. 吉林大学2006.[10]王震. 嵌入式GUI构件库的设计与实现[D]. 浙江大学2006.三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。

）1、掌握大林算法、最小拍有纹波、最小拍无纹波系统的算例仿真。

2、利用MATLAB 7中的GUI工具箱完成仿真环境的平台框架搭建。

摘要MATLAB语言是一种十分有效的工具，能容易地解决在系统仿真及控制系统计算机辅助设计领域的教学与研究中遇到的问题，它可以将使用者从繁琐的底层编程中解放出来，把有限的宝贵时间更多地花在解决科学问题上。

MATLAB GUI 是MATLAB的人机交互界面。

由于GUI本身提供了windows基本控件的支持，并且具有良好的事件驱动机制，同时提供了MATLAB数学库的接口，所以GUI 对于控制系统仿真的平台设计显得十分合适。

GUI对于每个用户窗口生成.fig和.m 文件。

前者负责界面的设计信息，后者负责后台代码的设计。

本文所做的研究主要是基于MATLAB GUI平台，结合控制系统基础理论和MATLAB控制系统工具箱，实现了用于控制系统计算机辅助分析与设计的软件。

本软件主要功能：实现传递函数模型输入、状态方程模型输入、模型装换、控制系统稳定性分析、系统可观性可控性判断，绘制系统奈奎斯特图、波特图、根轨迹图以及零极点分布图。

在继续完善的基础上能够用于本科自动控制原理教程的教学实验和一般的科学研究。

关键词：控制系统；MATLAB GUI；计算机辅助设计AbstractMATLAB language is a very effective tool,and can be easily resolved in the system simulation and control system of teaching in the field of computer-aided design and research problems,it could be the bottom of the user from tedious programming liberate the limited spend more valuable time to solve scientific problems.The MATLAB GUI is the interactive interface.As the GUI itself provides the basic control windows support,and has a good mechanism for event-driven,while providing the MATLAB Math Library interface，the GUI for control system simulation platform for the design of it is suitable. GUI window generated for each user. Fig and.M file. The former is responsible for the design of the interface information,which is responsible for the design of the background code.Research done in this article is mainly based on MATLAB GUI platform,the basis of combination of control system theory and MATLAB Control System Toolbox,the realization of control systems for computer-aided analysis and design software. The main functions of the software: the realization of transfer function model input,the state equation model input,the model fitted for the control system stability analysis,system observability controllability judgments、rendering the system Nyquist diagram、Bode plots、root locus and Pole-zero distribution. While continuing to improve based on the principle of automatic control can be used for undergraduate teaching course experiments and scientific research in general.Key words:Control System;MATLAB GUI; Computer-assistant design目录第1章概述 (1)1.1 论文选题背景和意义 (1)1.2 计算机辅助分析与设计在控制系统仿真中的发展现状 (1)1.3 本文主要内容 (3)第2章控制系统与MATLAB语言 (4)2.1 控制系统理论基础 (4)2.2 MATLAB语言与控制系统工具箱 (5)第3章 MATLAB GUI简介及应用 (9)3.1 MATLAB GUI (9)3.2 软件设计步骤 (10)第4章仿真系统测试与演示 (16)4.1 控制系统的模型输入 (16)4.2 控制系统的稳定性分析 (19)4.3 控制系统可控可观性分析 (20)4.4 控制系统频率响应 (23)4.5 控制系统时域响应 (27)4.6 控制系统根轨迹绘制 (28)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)第1章概述1.1 论文选题背景和意义自动控制原理是自动控制专业和自动化专业的主要课程之一，是研究自动控制技术的基础理论课，是必修的专业基础课程。

利用MATLAB GUI设计控制系统分析与设计界面1引言图形用户接口GUI是用户和计算机程序之间进行信息交流的方式。

通过图形用户界面，用户不需要输入脚本或命令，不需要了解任务的内部运行方式，计算机在屏幕显示图形和文本，若有扬声器还可产生声音。

用户通过输入设备，键盘，鼠标，麦克风等与计算机进行通信。

图形用户界面GUI中包含多个图形对象，如图标，菜单，文本的用户界面。

以某种方式选择或激活这些对象，引起相应的动作或变化，最常用的激活方式是用鼠标控制屏幕上的鼠标指针运动。

图形用户界面GUI具有操作方便，控制灵活的特点，已成为现代应用程序的主要方式。

用MATLAB GUI设计一个控制系统分析与设计界面，将系统的传递函数输入到GUI中，可以方便的绘制系统的各种常用曲线，如阶跃响应曲线，Nyquist曲线可以用于系统稳定性的分析，我们可以有意识的输入系统的开环传递函数或是闭环传递函数，分别对应Nyquist曲线和阶跃响应图。

根轨迹对控制系统的分析和设计也很有价值。

零极点图可以方便的查看系统的零极点分布，对于配置系统的极点进行系统校正具有重要意义。

Bode图和幅频响应图对系统的频率响应分析是一种手段，而阶跃响应指标则可更细致的观察系统的性能。

用GUI设计控制系设计控制系统分析与设计界面不仅在工程上有参考意义，在我们的学习过程中也很有意义，可以帮助我们更深入更容易理解控制系统的分析与设计意义。

传递函数是控制系统的核心，在这里设计了两种常用的传递函数输入形式，第一种可以称为直接形式，因为他的传递函数是已知的，我们可以将系统或以开环传递函数或闭环传递函数的形式输入GUI中，进行相应的分析设计；第二种是状态变量形式，这里开环或闭环取决于转换而来的状态空间方程，因为开环和闭环系统都可以转换为状态空间，因而在进行相应的计算和绘图时需注意。

2问题分析题目要求以MATLAB GUI设计图形用户界面，设计控制系统分析与设计界面，界面中包含控制系统中常见的功能，传递函数的输入和创建，性能指标计数显示，绘制常用曲线等。

基于Matlab_GUI界面的计算机控制系统设计及Simulink动态仿真前言计算机控制系统是工业现代化的重要标志之一, 而计算机控制系统的设计又往往涵概了信号与系统、自动控制、接口技术、数值分析等多方面的知识。

因此要想设计出理想的数字调节器, 能否选择了恰当的计算机设计语言便显的为重要。

M at lab 主要包括了主包、Simu link 模块和工具箱三大部分。

它内嵌了大量的算法控制函数, 是当前工程计算的标准之一。

下面就如何利用该软件实现对带纯滞后环节的典型计算机控制系统的设计加以论述。

第一章理论算法实现1.1系统分析1.1.1控制系统建模在大多数工业过程控制中, 带有纯滞后特性的控制对象是十分常见的。

而对许多控制对象来说, 都可以抽象为一个一阶或二阶惯性环节和一个纯滞后环节的串接。

因而, 由计算机进行直接数字控制(DDC) 的典型反馈控制系统便可用以下框图加以表示, 如图1.1所示。

R(s)图 1.1 计算机反馈控制系统框图图中: R (s) ——输入信号;R (z ) ——经采样后的输入脉冲序列(采样周期为T ) ;E (z ) ——误差信号;D (z ) ——数字调节器(计算机设计的软件模块) ;ZOH ——零阶保持器;U (z ) ——数字调节器的输出信号;G0 (s) ——控制对象(包括纯滞后环节和惯性环节G (s) ) ;G1 (s) ——ZOH 与G0 (s) 组成的广义对象(输出为连续量) ;G1 (z ) ——广义对象的Z 变换(输出为离散量) ;Y (s)、Y (z ) ——输出信号, 后者为前者的采样离散信号。

1.1.2控制对象G0 (s)控制对象可抽象为一个一阶(或二阶) 惯性环节, 串联一个纯滞后环节。

其传递函数如下(本文主要针对一阶的情况进行讨论) :G0 (s) =Ke-ts/T0s+1 或G0 (s) = Ke-ts/(T 1s + 1) (T 2s + 1)为了减少系统超调, 实现系统的完全跟随, 现设计一个数字调节D (z ) (软件模块) , 与广义传递函数G1 (z ) 串联, 组成典型的计算机反馈控制系统。

基于Matlab GUI的自动控制可视化仿真软件开发ZHANG Shao-jie;LIU Chun-sheng【摘要】本文介绍一种采用Matlab GUI开发自动控制可视化仿真软件平台.该软件平台以电机调速、液位、磁悬浮、飞行控制和倒立摆等五个常见工程控制系统为实例,涉及到各系统的数学模型、根轨迹分析、频域分析、PID参数设计等自动控制理论知识点,并提供系统响应的动画演示、响应曲线、性能指标等分析和显示功能.该软件平台界面友好,形象直观,简单易用.【期刊名称】《电气电子教学学报》【年(卷),期】2018(040)006【总页数】6页(P105-110)【关键词】自动控制理论;仿真软件开发;Matlab GUI【作者】ZHANG Shao-jie;LIU Chun-sheng【作者单位】;【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言“自动控制理论”课程的特点是系统性、理论性强以及相对较抽象，这使得学生对其理论知识难于理解，需要借助于实验加深对课堂学习内容的理解[1]。

传统的自动控制实验存在课时紧张、设备陈旧、操作复杂等缺点。

此外，在自动控制领域里的科学研究和工程应用中有大量的繁琐的计算与仿真曲线绘制任务，给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量。

为此，本文采用面向对象设计的软件开发方法，提出一种基于Matlab GUI的自动控制可视化仿真软件平台的设计方案，借助Matlab强大的控制系统工具箱和交互性能良好的图形用户界面GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)开发环境，针对电机调速系统、液位控制系统、飞机纵向控制系统、磁悬浮球控制系统和倒立摆控制系统这些典型的系统进行软件设计[2～3]。

通过该软件，用户可以在不需要掌握深入的Matlab编程知识的情况下，方便地对系统进行控制原理和方法的分析与设计，也便于自动控制理论学习的学生利用所学的控制知识对系统进行验证。

９６科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ２０１１ ＮＯ．３５Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ工　程　技　术引言《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　ＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ）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。

实验室研究与探索296Vol.29No.6第卷第期20106Jun.2010RESEARCHANDEXPLORA TIONINLABORA TORY年月Matlab/SimulinkGUI基于和的运动控制系统虚拟实验平台设计，尚丽淮文军（，215104）苏州市职业大学电子信息工程系江苏苏州：MatlabSimulinkGUI，摘要利用环境中的仿真工具箱和友好的界面设计和实现了运动控制系统课。

程的可视化虚拟实验平台的构建该实验平台包含运动控制系统实验教学中典型的仿真模型和仿真实，，例分析能够实现硬件实验所不能完成的项目帮助学生更直观地理解运动控制系统的组成和工作原，，、。

理增强感性认识培养学生的研究能力综合应用能力和创新能力：M atlab/Simulink；GUI；；关键词仿真工具箱界面运动控制系统虚拟实验平台+：TP273.4：A：1006－7167（2010）06－0066－06中图分类号文献标识码文章编号TheVirtualExperimentPlatformDesignofAuto-controlSystemBasedonM atlab/SimulinkandGUISHANGLi，HUAIWen-jun（DepartmentofElectronicInformationEngineering，SuzhouVocationalUniversity，Suzhou215104，China）Abstract：Utiliz ingSimulinksimulationtoolboxandfriendlyGUIinterf aceinM atlabsoftware，thevisualvirtualexperi-mentplatf ormoftheauto-controlsystemcoursewasdesignedandrealiz ed.Thisexperimentplatformcomprisesoftypicalsimulationmodelsandexampleanalysisi nexperimentalteachingofauto-controlsystem.Itcandosomeexperiments，whichcan’tberealiz edbyphysicaldevices，andhelpstudentstocomprehenddirectlythecomposingandtheoryof auto-controlsystem，enhancestudents’perceptualknowledge，andculturestudents’a bilityofresearch，syntheticallyappli-cationandinnovation.Keywords：M atlab/Simulinksimulationtoolbox；GUIinterf ace；auto-control；virtualexperimentplatform，，从培养的角度来说更重要的要设计或选用这些系统1引言是培养学生综合运用知识来解决工程实际问题的能。

基于 MATLAB／GUI 的过程控制仿真实验系统设计王红梅;张厚升;邢雪宁【摘要】为使学生更好地理解控制系统的结构及其特点，设计了基于MATLAB／GUI的过程控制仿真实验系统。

仿真系统借助GUIDE良好的界面管理，分层次设计了液位单回路控制、加热炉温度串级控制、锅炉汽包水位控制等八个子实验。

每个实验界面可进行参数设置、仿真结果显示、重要信息提示。

后台程序采用MALTAB 的m 文件或 Simulink实现。

该系统知识全面、内容设计合理、界面友好、使用简单、可操作性强。

%In order to make students better understand the structure and characteristics of the process control system ,the process control simulation system based on MATLAB/GUI was de‐signed .With the help of a GUIDE good interface management ,the simulation system hierarchical designs eight children experiment .For example ,liquid level single loop control ,furnace tempera‐ture cascade control and boiler drum water level control .Each experiment has the same charac‐ters:parameters can be set ,simulation results can be shown ,important messages are pointed out .Daemons use MALTAB m file or Simulink .This system has the characteristics of compre‐hensive knowledge ,reasonable content design ,friendly interface ,simple use ,and strong maneu‐verability .【期刊名称】《山东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】3页(P58-60)【关键词】过程控制;MATLAB/GUI;仿真实验【作者】王红梅;张厚升;邢雪宁【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049【正文语种】中文【中图分类】TP373过程控制课程是自动化学科的主干专业课程，该课程理论性和实用性都很强.目前课程的体系结构主要是授课加实验的模式.通过对学生实验情况的观察，发现学生不能把课程知识和实验很好的结合，对系统的结构特点理解欠佳，致使做实验时一知半解，影响实验效果.鉴于此，本文开发的基于MATLAB/GUI的仿真实验系统重点弥补以上缺憾.一方面，借助MALTAB友好的界面显示特点使学生对理论知识有更直观的理解，另一方面，通过对仿真系统的构造加强对系统结构的认知，为今后在过程控制实验装置上进行实验打下基础.与传统实验装置相比，该仿真实验系统不需要传感器、变送器、执行器等实验装置，仅需有安装MATLAB软件的计算机就可进行实验，不受场地和时间的限制，实验投入少，实验成本低，而且可开放性强.过程控制课程主要包含三个核心内容：1)各种形式的系统结构，比如，单回路、串级系统、前馈-反馈系统等，应该重点掌握各结构的组成、特点及应用场合.2)理论分析，通过理论分析进一步验证系统的结构特点.3)参数整定，可按照一定的整定步骤，实现参数的最优化[1-2].为了使学生对以上内容有更好的掌握，仿真系统设计的总体思路是借助MATLAB/GUI仿真工具，直观、简洁的展示抽象的理论知识，借助MATLAB/Simulink，系统、全面的反映过程控制系统的结构特点和参数整定.本仿真系统考虑教学内容和学生的认知规律，由简入难，逐层的设计各实验.实验系统总体分为：简单系统、高性能系统、特殊系统、复杂系统四部分，每个系统下面又有相应的子实验.同时，子实验的实例选取特别注意和实际应用相结合.系统的整体结构如图1所示.MATLAB的GUI为用户提供了设计良好的人机交互界面的工具，通过它可以更好的管理程序，使操作变的更为简单、便捷.GUIDE界面中提供了按钮、列表框、复选框、文本框、滑块、坐标系、菜单等控件.界面生成过程主要包括界面设计和程序实现，具体步骤如下：1) 明确系统功能后，通过合理布置控件，制作友好的静态界面.2) 按一致性原则对各控件的属性进行设置.3) 根据功能要求，编写各控件的回调函数.4) 系统测试运行.2.1 统主界面设计的仿真系统的主界面主要实现两个功能：1)展示实验的整体内容；2)通过相应的控件进入到子实验.为此，设计了如图2所示的主界面.四个Panel控件用于区分四个不同种类的子实验，每个Panel里放有两个控件用于进入不同的子实验.每个Pushbutton的回调函数均完成执行关闭主界面并打开相应子实验界面功能.整个主界面力求做到设计简洁，层次清晰，使用方便.2.2 子实验界面当在主界面选择了子实验后，系统进入相应的实验.本系统共包括8个子实验，界面设计主要分为三个区域：1)参数设置区，该部分主要实现操作人员对系统参数的设置；2)显示区，将仿真结果以图形化的方式进行显示；3)子实验的仿真结构图及其它信息显示区，该区便于操作人员了解子实验系统的构成.本文以PID参数作用分析子实验及前馈—反馈子实验分别进行说明.PID参数作用分析子实验是通过分析系统的阶跃响应随某一参数的变化趋势，来更好的理解各参数的作用[3].这样界面操作中就需要能输入不同数值的比例系数、积分系数、微分系数，并将阶跃仿真结果进行显示.设计的PID参数作用分析子实验界面如图3所示.PID参数作用分析子实验GUI界面右边区域可以根据需要利用Edit控件设定比例、积分、微分系数，每个参数的意义及可变化的维数利用Text控件说明.参数设置完毕后点击相应的“开始仿真”按钮，则后台仿真程序运行，完毕后在左边的显示区域显示系统随参数变化的阶跃响应曲线.图3显示的是比例系数Kp从0.5变化到1.5时的系统阶跃响应曲线.界面中还提供了仿真中的重要信息——被控对象数学模型.当实验结束后可通过“返回”按钮回到图2系统主界面，继续进行其它子实验.本界面很关键的一点就是编写“开始仿真”按钮的回调函数.首先需要获取界面中用户在Edit控件输入的比例、积分或微分参数；然后将参数由字符型转化成数值型用于阶跃响应分析.前馈—反馈控制仿真实验是以工业中常用的换热器出口温度控制为例[4]，其中被加热液体的流量变化比较剧烈，采用前馈对该干扰进行补偿.该实验通过比较前馈-反馈控制与反馈控制的阶跃响应曲线的性能区别来体现前馈控制的作用.干扰信号取脉冲干扰和随机干扰两种形式，可通过界面中的按钮来进行选择.设计的前馈—反馈控制子实验界面如图4所示.在进行实验前，需先将前馈—反馈MATLAB/Simulink仿真程序中的手动开关打到相应的位置.Simulink仿真程序中的Manual Swith用于选择是否加入干扰，Manual Swith1用于选择干扰类型，Manual Swith2用于选择是否进行前馈补偿.界面中所有控件的回调函数都可以看到，学生一方面可以学习如何编写代码，另一方面可以根据需要对界面进行改进，更进一步还可以设计新的功能界面，这也是MATLAB的优势所在.子实验的运行都是通过后台的MATLAB的m文件或Simulink程序来实现.MATLAB/Simulink在编程方面尤其简便，通过选取相应的模块并连接，则能构建仿真系统.而且Simulink除了丰富的工具箱，还提供了用户自定义模块，方便用户使用.本文以基于MATLAB/Simulink的串级控制仿真程序为例进行介绍.程序通过串级控制与单回路系统的比较，理解串级结构形式的改变带来的性能变化，再通过对一次干扰和二次干扰的抗干扰能力的仿真分析，学习串级系统的抗干扰特点.仿真实例取自实际应用中的反应釜加热炉温度控制系统[5]，其中，加热炉温度为主变量，夹套温度为副变量的串级控制系统.构建的串级控制仿真系统结构如图5所示.程序中通过Manual Swith选择是单回路控制还是串级控制，Manual Swith1选择是否加入一次干扰，Manual Swith2选择是否加入二次干扰.将基于MATLAB/GUI的过程控制仿真实验系统应用于《过程控制》的教学，使学生直观的领会和理解该课程的各系统结构和理论知识，对调动学生的学习积极性以及提高学生的实验兴趣和实验能力都有相当的作用.一方面，学生通过MATLAB这一仿真平台，可以更快捷有效的编写仿真实验，其超强的计算能力和丰富的图形界面显示给知识的学习带来意想不到的效果；另一方面，教师可在授课时使用该软件进行理论知识的直观演示，增强知识的传授.同时，结合过程控制所学知识以及MATLAB软件，学生可自行根据需求将实验装置中没有的一些复杂控制系统通过仿真实验的形式加以实现，从而极大的培养学生学习能力.【相关文献】[1] 黄德先, 王景春, 金以慧. 过程控制系统[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011.[2]潘永湘, 杨延西, 赵跃. 过程控制与自动化仪表[M]. 第二版. 北京：机械工业出版社, 2007[3]何佳佳, 候再恩. PID参数优化算法[J]. 化工自动化及仪表. 2010, 37(11): 1-4.[4]孙秀丽, 王培培. 前馈-反馈控制系统的具体分析及其MATLAB/Simulink仿真[J]. 中国集成电路, 2013(9), 54-58.[5]罗及红. 基于PID算法的炉窑温度串级控制系统设计[J]. 计算机测量与控制，2012, 20(12): 3243-3245.。

3 基于GUI的《信号与系统实验》仿真平台的设计3.1 设计思想3.1.1 设计步骤本课题设计的界面布局是先设计GUI总界面，然后设计子界面，再在子界面上设置按钮、坐标轴、文本框等一系列控件，最后借助于callback函数调用程序。

在函数调用程序的设计中先编写各个子界面中的回调函数下的程序，再编写GUI界面的回调函数下的程序。

1. 用MATLAB的GUIDE提供的创建图形界面工具设计整个实验仿真界面的主界面，在设计子界面；2. 在实验子界面中添加各个控件对象，编写控件按钮回调函数，实现每个控件的控制功能，直接通过界面上的控件实现对结果的分析；3. 最后编写GUI总界面的回调函数程序，把所有的子界面集合在总界面中，通过总界面可以进入任意子界面中并可以进行操作；4. 退出实验界面。

设计流程如图3-1：. .图3-1 设计流程图3.1.2 实验系统整体结构设计信号与系统实验繁多、复杂、许多实验还需要输入参数，若将系统设计成一个界面，使得系统繁重、拥挤、不能够实现友好，美化的界面的设计要求。

因此，在设计界面的时候，采用一个主界面和若干个子界面，每个子界面是一个模块，实现一个实验或功能，并且可以通过主界面调用子界面的设计方法。

本实验系统整体结构设计由两部分组成：界面模块设计和菜单模块设计。

其中界面模块中包含六大实验模块：主界面模块、基本信号的产生实验模块、信号的基本运算实验模块、卷积实验模块、傅里叶变换实验模块、连续零状态响应实验模块、低通滤波器实验模块。

如傅里叶变换实验模块又包含方波傅里叶实验界面、离散傅里叶实验界面、快速傅里叶实验界面。

在菜单设计时，在实验子界面中除了使用系统约定的菜单条外，还增加了几个控制背景和退出实验的菜单。

系统的整体结构如图3-2所示：图3-2 实验系统的整体结构3.2 基于GUI的系统总界面的设计3.2.1 设计步骤在GUIDE的编辑界面中，在空白处双击或者单机右键选择property inspector，出现属性设置对话框，可以对GUI的属性风格进行个性化。

利用MATLAB GUI设计控制系统分析与设计界面1引言图形用户接口GUI是用户和计算机程序之间进行信息交流的方式。

通过图形用户界面，用户不需要输入脚本或命令，不需要了解任务的内部运行方式，计算机在屏幕显示图形和文本，若有扬声器还可产生声音。

用户通过输入设备，键盘，鼠标，麦克风等与计算机进行通信。

图形用户界面GUI中包含多个图形对象，如图标，菜单，文本的用户界面。

以某种方式选择或激活这些对象，引起相应的动作或变化，最常用的激活方式是用鼠标控制屏幕上的鼠标指针运动。

图形用户界面GUI具有操作方便，控制灵活的特点，已成为现代应用程序的主要方式。

用MATLAB GUI设计一个控制系统分析与设计界面，将系统的传递函数输入到GUI中，可以方便的绘制系统的各种常用曲线，如阶跃响应曲线，Nyquist曲线可以用于系统稳定性的分析，我们可以有意识的输入系统的开环传递函数或是闭环传递函数，分别对应Nyquist曲线和阶跃响应图。

根轨迹对控制系统的分析和设计也很有价值。

零极点图可以方便的查看系统的零极点分布，对于配置系统的极点进行系统校正具有重要意义。

Bode图和幅频响应图对系统的频率响应分析是一种手段，而阶跃响应指标则可更细致的观察系统的性能。

用GUI设计控制系设计控制系统分析与设计界面不仅在工程上有参考意义，在我们的学习过程中也很有意义，可以帮助我们更深入更容易理解控制系统的分析与设计意义。

传递函数是控制系统的核心，在这里设计了两种常用的传递函数输入形式，第一种可以称为直接形式，因为他的传递函数是已知的，我们可以将系统或以开环传递函数或闭环传递函数的形式输入GUI中，进行相应的分析设计；第二种是状态变量形式，这里开环或闭环取决于转换而来的状态空间方程，因为开环和闭环系统都可以转换为状态空间，因而在进行相应的计算和绘图时需注意。

2问题分析题目要求以MATLAB GUI设计图形用户界面，设计控制系统分析与设计界面，界面中包含控制系统中常见的功能，传递函数的输入和创建，性能指标计数显示，绘制常用曲线等。

基于MATLAB GUI的灰色预测仿真优化平台设计冯洲鹏;祖象欢;曹瑞国【摘要】利用MATLAB GUI设计了基于GM（1，1）模型及改进模型的灰色预测仿真优化平台，该平台集输入、输出、仿真计算以及后处理功能为一体，并通过编译生成可脱离MATLAB的。

exe可执行程序，简化了灰色建模过程，提高了仿真效率。

最后在该平台上进行了仿真实例，验证了该平台的实用性。

%A simulation optimization platform of grey forecast based on GM (1,1) model and improved models was designed by GUI of MATLAB. The platform integrates input, output, simulation calculation and post processing functions, which are further compiled to generate executable program that can operate without MATLAB. It simpli⁃fies the grey modeling process and improves the efficiency of simulation. Finally, the practicability of the platform was verified by the simulation examples.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P40-43)【关键词】灰色预测;GM(1,1)模型;图形用户界面(GUI);仿真优化平台【作者】冯洲鹏;祖象欢;曹瑞国【作者单位】海军驻兴平地区军事代表室，陕西兴平713105;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001;陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平713105【正文语种】中文【中图分类】TP391.9GM（1，1）模型是灰色预测模型中最基础的模型，具有建模简单、准确的优点，目前已经成功应用在电力、航天、船舶等多个领域［1-5］。

D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2024.2.125 收稿日期:2022-11-27基金项目:国家自然科学基金(51705286);山东省研究生教育教学改革研究(S D Y J G 21031);曲阜师范大学校级教改实验项目(S J G 202220).通信作者:陈梅,女,1975-,硕士,讲师;研究方向:控制系统仿真,图像处理;E -m a i l :c h e n m e i w j@126.c o m.基于M A T L A B G U I 的自动控制原理仿真实验平台设计陈 梅, 费玉环(曲阜师范大学工学院,276826,山东省日照市) 摘要:为满足自动控制原理课程线上线下混合式教学的需要,通过MA T L A B G U I 编程设计了自动控制原理实验仿真平台.该仿真平台包括了6个基础实验和4个综合实验,从时域㊁频域㊁根轨迹及状态空间对系统进行分析,并对系统进行了P I D 整定㊁根轨迹及频域法校正,可获得系统的时域㊁频域及根轨迹性能参数及图形.控制系统参数的自动获取及直观的图形显示,使学生更好理解控制系统的原理,有助于提高学生的控制系统设计及应用能力.关键词:MA T A L B G U I;自动控制原理;仿真实验平台;性能参数中图分类号:T P 391.9 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2024)02-0125-040 引 言自动控制原理 是自动化专业的核心课程,自动控制原理包括对控制系统的时域㊁频域㊁根轨迹分析及设计.随着软件开发在教学中的使用,自动控制原理相关仿真系统开发软件越来越多,比如控制系统的二阶R L C 振荡电路的仿真系统[1,2],P I D 控制系统仿真[3,4],系统稳定性分析的仿真软件[5].由于MA T L A B 具有强大的数据处理及图形可视化功能,其在课程仿真中的应用越来越多.为满足自动控制原理课程线上线下混合式教学的需要,通过MA T L A B G U I 编程实现了仿真实验演示平台.该实验平台包含了10个仿真实验,其直观的图形显示,以及便捷的数据处理,可使学生更好理解自动控制原理的内容.1 实验平台设计思路根据自动控制原理实验的内容[6],该实验仿真平台设计了10个实验项目,其中包括6个基本实验:控制系统典型环节的表示及分析㊁控制系统的时域分析㊁频域分析㊁根轨迹分析㊁P I D 控制分析及线性系统的状态空间分析,4个综合实验:控制系统的P I D 参数整定㊁频域法校正㊁根轨迹法校正及倒立摆系统的分析与设计.仿真平台的功能框图如图1所示.图1 仿真实验平台功能框图第50卷 第2期2024年4月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .50 N o .2A p r .2024(1)控制系统典型环节表示与分析.典型环节主要包括比例环节㊁积分环节㊁一阶惯性环节㊁实际微分环节㊁二阶振荡环节及延迟环节6种.该实验实现了典型控制系统的数学模型表示,并绘制了各系统的单位阶跃响应曲线,同时对系统性能进行了分析.(2)控制系统的时域分析.该实验让学生了解不同输入信号下的系统响应曲线,并掌握单位阶跃响应的动态性能指标.输入信号包括单位阶跃㊁单位脉冲㊁单位斜坡㊁单位加速度㊁及正弦信号,动态性能指标包括上升时间t r㊁峰值时间t p㊁超调量σ㊁调节时间t s及稳态误差e s s.(3)控制系统的频域分析.该实验主要包括系统频域图形绘制及频域参数求解.频域图形包括B o d e 图㊁N y q u i s t图及N i c h o l s曲线,系统频域参数包括增益裕量G m㊁相角裕量P m㊁穿越频率ωc g及剪切频率ωc p.(4)控制系统的根轨迹分析.该实验包括系统根轨迹绘制,以及求解系统的临界开环增益K及稳定增益范围.(5)P I D控制系统分析.该实验可以设置不同P I D参数,通过单位阶跃响应曲线及动态性能指标,使学生掌握P㊁P I㊁P I D等不同控制及参数,对系统性能的影响.(6)线性系统的状态空间分析.该实验可以对线性系统可观可控分析;确定系统极点配置的状态反馈矩阵及反馈系统;确定状态观测器反馈矩阵及状态观测器设计.(7)控制系统的P I D参数整定.该实验让学生掌握临界比例度法及4ʒ1衰减曲线法2种常用的P I D参数整定方法,以及P㊁P I及P I D控制参数的求解.(8)控制系统的频域法校正.频域法校正包括超前㊁滞后㊁滞后超前3种校正方法.通过设置需要校正的参数静态误差系数K v㊁相角裕度γ及剪切频率ωc,来确定校正器的参数,并通过校正前㊁后的时域及频域参数来验证校正后系统性能的改善.(9)控制系统的根轨迹法校正.根轨迹校正包括超前㊁滞后㊁超前滞后3种校正方式.通过设置时域参数超调量σ及调节时t s;或频域参数阻尼比ζ及角频率ωn,来确定校正系统的参数,并通过校正前后的时域参数对比来验证校正后系统性能是否满足要求.(10)倒立摆系统的分析与设计.该实验让学生了解倒立摆系统的工作原理,以及对倒立摆的控制.通过设置倒立摆参数,可以确定状态方程及输出方程,并通过极点配置及P I D参数整定对系统进行控制.该仿真实验平台的界面的设计及功能编程是通过MA T L A B G U I设计实现的.界面的设计通过G U I D E图形用户接口开发环境实现[7].在MA T-L A B2018的命令窗口中键入 g u i d e 打开G U I D E,通过添加控件分别设计各界面,界面设计的文件名扩展名为.f i g;然后编辑对应的M文件,通过各界面控件的C a l l b a c k函数实现控件的功能.2实验平台的功能实现2.1仿真系统界面设计该仿真系统包括1个主界面和10个子界面,主界面中主要包括10个按钮,用来显示各实验子界面.下面以 控制系统根轨迹校正 实验为例说明各子界面的设计过程.根轨迹校正实验子界面中主要包括系统参数设置㊁校正参数设置㊁校正系统获取㊁系统性能参数的求解㊁校正前后根轨迹及单位阶跃响应曲线的绘制5个模块.仿真界面通过MA T L A B G U I设计,通过添加各控件实现,界面设计如图2所示.图2根轨迹法校正界面2.2实验平台功能实现2.2.1系统参数设置控制系统参数设置形式为传递函数形式,通过在编辑框中输入分子n u m㊁分母d e n参数实现.使用g e t函数获取编辑框中的字符串,并通过s t r2n u m函数将字符串转换为数值,最后通过t f函数得到系统传递函数.621曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年2.2.2校正参数设置根据根轨迹法校正设计要求[8],系统校正的参数设置包括静态误差系数K v㊁时域参数超调量σ和调节时间t s㊁频域参数阻尼比ζ和角频率ωn.设置时域参数或频率参数的选择通过单选按钮实现,两种形式的参数可以相互转换,主要实现代码如下.i f(g e t(h a n d l e s.r a d i o t i m e,'V a l u e'))%时域参数z e t e=((l o g(1/s i g m a))^2/((p i)^2+(l o g(1/ s i g m a))^2))^(1/2)%ζw n=3.5/(z e t e*t s)%ωne l s e%频域参数s i g m a=e x p(-p i*z e t e/s q r t(1-z e t e*z e t e)) *100t s=3.5/(z e t e*w n)2.2.3校正器参数根轨迹法校正包括超前㊁滞后㊁超前滞后3种校正方式,通过按钮实现选择,超前校正实现代码如下. k c=k v/n u m*d e n(l e n-1);g=p o l y v a l(n u m,s1)/p o l y v a l(d e n,s1);t h e t a_G=a n g l e(g);t h e t a_s=a n g l e(s1);MG=a b s(g);M s=a b s(s1);T z=(s i n(t h e t a_s)-k c*MG*s i n(t h e t a_G-t h e t a_s))/(k c*MG*M s*s i n(t h e t a_G))T p=-(k c*MG*s i n(t h e t a_s)+s i n(t h e t a_G +t h e t a_s))/(M s*s i n(t h e t a_G))G c1=t f([T z,1],[T p,1])%超前2.2.4校正系统动态性能参数校正后的系统开环传递函数是由原系统的开环传递函数G0(s)与校正器的传递函数G c(s)串联组成[9].为了验证校正系统是否满足要求,需要确定校正前后系统的性能参数,包括超调量σ㊁上升时间t r㊁调节时间t s,主要实现代码如下.[y,t]=s t e p(G G c);[m a x_y,k]=m a x(y);C=d c g a i n(G G c);m a x_o v e r s h o o t=(m a x_y-C)/C*100;s=l e n g t h(t);w h i l e y(s)>0.95*C&&y(s)<1.05*Ce n ds=s-1;t s=t(s)%调节时间2.2.5仿真曲线绘制为了更直观地比较系统校正前后的性能,绘制了其对应的单位阶跃响应曲线及根轨迹.使用s t e p 函数绘制单位阶跃响应曲线,使用r l o c u s函数绘制根轨迹曲线,坐标轴控件的设置通过a x e s函数实现. 3实验平台测试通过实例对实验平台的各项功能进行了测试.例控制系统的开环传递函数G(s)=8s2+0.4s,通过根轨迹校正,使系统满足静态误差系数为4,超调量为30%,调节时间为3.5s.根据校正要求,首先进行系统参数设置,输入分子n u m为8,分母d e n为[1,0.4,0].设置校正参数静态误差系数K v为4,选择时域参数单选按钮,并输入超调量σ为30,调节时间t s为3.5s.选择校正按钮后,系统开始校正,将求解的校正器参数及系统性能参数显示到对应的编辑框中.选择 超前校正 按钮,求得校正系统的传递函数为G C(s)=2.73s+10.51s+1,校正后的超调量为30%,上升时间为0.5s,调节时间为2.76s,满足设计要求.选择 滞后校正 按钮,求得校正系统的传递函数为G C(s)=0.215s+0.00215s+0.00215,校正后的超调量为60%,上升时间为0.94s,调节时间为13.4s,超调量及调节设计均不满足设计要求,不采用该校正方式.选择 超前滞后 校正按钮,求得校正系统的传递函数为G C(s)=0.49s+0.20.5s+1㊃0.66s+0.0066s+0.00656,校正后的超调量为21.8%,上升时间为0.69s,调节时间为2.3s,满足设计要求.超前滞后校正前后单位阶跃响应响应曲线如图3所示,根轨迹下页如图4所示.图3超前滞后校正前后单位阶跃响应曲线721第2期陈梅,等:基于MA T L A B G U I的自动控制原理仿真实验平台设计图4 超前滞后校正前后根轨迹4 结 论通过MA T L A B G U I 设计了自动控制原理实验仿真平台,实现了控制系统分析中的10个典型实验.该仿真系统数据获取方便,并且直观的图形显示有助于学生加深对控制系统的理解.教学实践表明,该实验平台操作方便,功能设计齐全,可用于自动控制原理课程的线下课堂演示教学和线上实验教学,使学生更牢固地掌握知识,同时有助于提高学生的编程设计能力和问题解决能力.参考文献:[1]马壮.基于M a t l a b 的典型二阶R L C 振荡电路实验教学仿真[J ].实验室研究与探索,2016,35(10):95-98.[2]王晨丰,赵鹏.基于M A T L A B L T I V i e w e r 工具箱的二阶系统阶跃响应分析[J ].电子测试,2020(8):57-59.[3]陈梅,王健.基于MA T L A B G U I 的P I D 控制仿真系统设计[J ].实验技术与管理,2020,28(2):140-143.[4]张婧,盖文东,徐文尚,等.基于M a t l a b 的P I D 控制器参数整定方法[J ].实验科学与技术,2016,14(4):37-40.[5]闫红梅,张鸣,李远征,等.基于M a t l a b 的系统稳定性分析实验设计[J ].实验技术与管理,2018,35(4):144-146.[6]胡寿松.自动控制原理[M ].6版.北京:科学出版社,2016.[7]张贤明.MA T L A B 语言及应用案例[M ].南京:东南大学出版社,2010.[8]王正林,王胜开,陈国顺,等.MA T L A B /S i m u l i n k 与控制系统仿真[M ].北京:电子工业出版社,2008.[9]张德丰.MA T L A B 控制系统设计与仿真[M ].北京:电子工业出版社,2009.D e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i p l e s i m u l a t i o n e x pe r i m e n t p l a tf o r m b a s e d o n M A T L A B G U IC H E N M e i , F E I Y u h u a n(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ,Q u f u N o r m a l U n v e r s i t y ,276826,R i z h a o ,S h a n d o n g,P R C )A b s t r a c t :T o m e e t t h e n e e d s o f b l e n d e d o n l i n e a n d o f f l i n e t e a c h i n g o f a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i pl e s ,t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t p l a t f o r m o f a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i p l e i s d e s i g n e d t h r o u gh MA T L A B G U I p r o -g r a mm i n g .T h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m i n c l u d e s 6b a s i c e x p e r i m e n t s a n d 4c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t s .I t a n -a l y z e s t h e s y s t e m f r o m t i m e d o m a i n ,f r e q u e n c y d o m a i n ,r o o t l o c u s a n d s t a t e s pa c e ,a n d c o n d u c t s P I D t u n -i n g ,r o o t l o c u s a n d f r e q u e n c y d o m a i n c o r r e c t i o n f o r t h e s y s t e m.T h e t i m e d o m a i n ,f r e q u e n c y do m a i n a n d r o o t l o c u s p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s a n d g r a p h s o f t h e s y s t e m c a n b e o b t a i n e d .T h e a u t o m a t i c a c q u i s i t i o n o f c o n t r o l s y s t e m p a r a m e t e r s a n d v i s u a l g r a p h i c d i s p l a y c o u l d h e l p s t u d e n t s t o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e p r i n c i pl e o f t h e c o n t r o l s y s t e m ,e n h a n c e s t u d e n t s c o n t r o l s y s t e m d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n a b i l i t y,a n d m e e t t h e r e -q u i r e m e n t s o f e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g o b je c t i v e s .K e y wo r d s :MA T L A B G U I ;a u t o m a t i c c o n t r o l p r i n c i p l e ;s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t p l a t f o r m ;p e r f o r m -a n c e p a r a m e t e r821 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2024年。

基于MATLAB GUI 的过程控制平台设计宋莉莉，陈莉，马莉(昌吉学院，新疆昌吉831100)摘要：针对“过程控制”中开出的实验项目难于理解、学习效果差等问题，利用MATLAB GUI 开发相关实验项目的仿真平台，结合模块化思想，该仿真演示平台主要包括控制系统中数学模型分析方法的构建，如控制系统时域、频域、根轨迹以及稳定性分析等，并进行参数的设置，图形曲线的显示功能。

最后通过设计弹出式菜单，可以对要实现的分析方法进行灵活选择。

该平台操作方便，具有可扩展性，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力和创新能力。

关键词：控制系统；平台设计；仿真；MATLAB GUI 中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1009-3044(2021)11-0220-03开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：1引言“过程控制”是自动化专业的主要课程之一，是在研究自动控制技术的基础课之上而开设的一门专业必修课程。

该课程是集控制理论、工艺知识、自动化仪表与计算机为一体的综合性应用技术学科。

针对在过程控制中对系统数学模型分析方法中所开设的实验具有计算量大，学生难于理解等问题，使得课程学习难度增加。

为了解决这一问题，借助MATLAB 图形用户界面（Graphical User Interface ，简称GUI ）GUI 开发工具搭建可视化实验仿真平台尤为重要。

MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言，用于高级技术计算语言和交互式环境，用于算法开发，数据可视化，数据分析和数值计算。

广泛应用于各个领域，MATLAB 已经成为研究和解决各种具体问题的软件。

分析和设计可以增强控制理论的适用性。

MATLAB 软件中强大的可视化数据处理功能正好互补了控制理论学习中的局限性缺点。

本文针对过程控制中对传递函数分析方法存在计算量大，公式推导烦琐，学生难于理解等问题，利用MATLAB GUI 及控制系统工具箱，开发出基于控制理论的虚拟实验平台，利用本平台对其内容进行参数设置、仿真与研究。

基于Matlab GUI的预测控制仿真平台设计
秦辉;席裕庚
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2006(18)10
【摘要】针对多变量预测控制系统,从克服Matlab仿真中数值解的弊端出发,提出了将预测模型分解离散化精确递推的方法,从而有利于预测控制相关结论的验证。

同时利用Matlab的图形用户界面(GUI)环境设计了预测控制仿真平台,提供良好的交互性和可扩展性。

最后给出了在该平台上的仿真实例,充分验证了平台设计的有效性。

【总页数】4页(P2778-2781)
【关键词】预测控制;图形用户界面;仿真平台;可扩展性
【作者】秦辉;席裕庚
【作者单位】上海交通大学自动化研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于Matlab GUI的模型预测控制及应用仿真 [J], 荣志刚;门义双;雷阳
2.导向钻井稳定平台广义预测控制的Matlab/GUI设计 [J], 霍爱清;周金慧;汪跃龙
3.基于MATLAB GUI的数字滤波仿真平台设计 [J], 张丽丽;陈福佳;牛群
4.基于MATLAB/GUI的电工基础仿真实验平台的设计与构建 [J], 陈晓娟
5.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 [J], 张春慧;宗哲英;洪宝棣
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