摘要：本文對(duì) MATLAB圖形界面開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行了全面的研究,具體論述了圖形窗口、菜單、對(duì)話框和回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)方法及其編程技巧, 利用 Matlab軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì),并通過(guò) GUI界面 (圖形用戶界面 ) 實(shí)現(xiàn)交互式系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)。
　　關(guān)鍵詞：MATLAB；圖形界面；時(shí)域分析； 頻域分析
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　1人機(jī)界面GUI介紹
　　圖形用戶界面（Graphical User Interfaces ，GUI）是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說(shuō)明等對(duì)象（Objects）構(gòu)成的一個(gè)用戶界面。用戶通過(guò)一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤(pán)）選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。用戶圖形界面（GUI）是程序的圖形化界面。一個(gè)好的GUI 能夠使程序更加容易的使用。它提供用戶一個(gè)常見(jiàn)的界面，還提供一些控件，例如，按鈕，列表框，滑塊，菜單等。用戶圖形界面應(yīng)當(dāng)是易理解且操作是可以預(yù)告的，所以當(dāng)用戶進(jìn)行某一項(xiàng)操作，它知道如何去做。例如，當(dāng)鼠標(biāo)在一個(gè)按鈕上發(fā)生了單擊事件，用戶圖形界面初始化它的操作，并在按鈕的標(biāo)簽上對(duì)這個(gè)操作進(jìn)行描述。
　　通過(guò)在MATLAB的命令行窗口中輸入GUIDE指令即可打開(kāi)GUI編輯窗口(也可以通過(guò)選擇文件――>新建――>gui進(jìn)入到GUI編輯窗口)，如圖1所示：
　　
　　2平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)
　　2.1環(huán)境介紹
　　該界面主要由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、控件欄和繪圖窗口組成。
　　本平臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的功能主要是：根據(jù)用戶的要求對(duì)給定的系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析，根軌跡分析和頻域分析，用戶可以即時(shí)的輸入和改變系統(tǒng)的參數(shù)，然后通過(guò)各種響應(yīng)曲線來(lái)觀察和分析系統(tǒng)在不同參數(shù)和輸入信號(hào)的作用下，系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性�；�于此，人機(jī)界面應(yīng)包括以下操作項(xiàng)：系統(tǒng)參數(shù)輸入框，各種響應(yīng)曲線選項(xiàng)（此系統(tǒng)主要是階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)），系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，附加零點(diǎn)或附加極點(diǎn)對(duì)二階連續(xù)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的影響，根軌跡曲線，系統(tǒng)頻率特性分析。
　　2.2模塊介紹
　　據(jù)此可設(shè)計(jì)四大模塊：系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊（System Parameters），時(shí)域響應(yīng)模塊(Time Domain Response)，根軌跡分析模塊(Root Locus Analysis)，頻域響應(yīng)模塊(Frequency Domain Response)。
　　其中，系統(tǒng)參數(shù)模塊由三個(gè)靜態(tài)文本和兩個(gè)文本編輯框組成，一個(gè)文本框用于輸入分子，另一個(gè)用于輸入分母，它的輸入是以分子、分母系數(shù)降冪次形式實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)此模塊就可以確定任一個(gè)系統(tǒng)。
　　時(shí)域響應(yīng)模塊由一個(gè)靜態(tài)文本和兩個(gè)按鈕組成，兩個(gè)按鈕分別實(shí)現(xiàn)兩種響應(yīng)曲線的輸出，由于在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，常采用典型響應(yīng)特性來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，所以此模塊用一個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)，另一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖響應(yīng)，該系統(tǒng)使用直接計(jì)算的方法，即直接用有關(guān)的函數(shù)計(jì)算輸出相應(yīng)，此模塊用的就是step和impulse函數(shù)，通過(guò)得到的響應(yīng)曲線，根據(jù)系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。
　　頻域響應(yīng)模塊同樣是由一個(gè)靜態(tài)文本和兩個(gè)按鈕組成，一個(gè)按鈕用于生成系統(tǒng)的伯德圖，另一個(gè)按鈕用于生成系統(tǒng)的奈奎斯特圖，伯德圖使用兩張圖來(lái)描述系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。其中一張圖描述系統(tǒng)輸出與輸入振幅之比與頻率的關(guān)系，稱為幅頻圖，另一張圖描述系統(tǒng)輸出與輸入相位差與頻率的關(guān)系，稱為相頻圖，通過(guò)綜合兩種曲線即可獲得系統(tǒng)的諧振振幅、諧振頻率和相位角等系統(tǒng)指標(biāo)。
　　最后一個(gè)模塊就是根軌跡模塊，該模塊是通過(guò)對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布來(lái)求取閉環(huán)系統(tǒng)的零極點(diǎn)，并分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性和其他性能指標(biāo)的方法，通過(guò)生成的根軌跡曲線，再結(jié)合根軌跡分析法的原理即可方便的對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，比如，根軌跡與虛軸的交點(diǎn)是具有臨界穩(wěn)定性能的閉環(huán)極點(diǎn)，因此，可以據(jù)此確定系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定的邊界。用零極點(diǎn)圖來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性也很方便，即開(kāi)環(huán)的極點(diǎn)全部落在s平面的左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)計(jì)算及設(shè)計(jì)平臺(tái)界面如圖2所示：
　　
　　通過(guò)該圖形用戶界面，可以很容易的對(duì)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和要實(shí)現(xiàn)的功能有一個(gè)非常清晰的認(rèn)識(shí)。
　　3實(shí)例分析
　　3.1時(shí)域分析模塊
　　時(shí)域響應(yīng)模塊根據(jù)給定的模型生成各種時(shí)域響應(yīng)曲線，以便根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線來(lái)直觀的分析系統(tǒng)各方面的性能。本系統(tǒng)主要設(shè)置了兩種響應(yīng)曲線即典型的階躍響應(yīng)曲線和脈沖響應(yīng)曲線。因此該模塊設(shè)計(jì)兩個(gè)Push Button按鈕來(lái)達(dá)到這種功能。
　　階躍響應(yīng)如圖3所示。鼠標(biāo)置于圖形上，右擊鼠標(biāo)，在快捷菜單中選擇Grid(網(wǎng)格)功能也可以給圖形添加網(wǎng)格線。鼠標(biāo)置于Characteristics(特性)項(xiàng)，在子菜單中選擇Peak Response(響應(yīng)峰值)、Settling Time(調(diào)整時(shí)間)、Rise Time(上升時(shí)間)和Steady State(穩(wěn)態(tài)值)，MATLAB將在響應(yīng)曲線上標(biāo)出這些點(diǎn)的位置。將鼠標(biāo)置于響應(yīng)曲線的任意位置，單擊，MATLAB都將顯示與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間及響應(yīng)值。完整的階躍響應(yīng)曲線如圖所示。從該階躍響應(yīng)曲線中我們可以清楚的看到該系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)，如上升時(shí)間為0.689(sec);超調(diào)量為31.5%；過(guò)度過(guò)程時(shí)間為5.49（sec）。
　　
　　同理單擊Impulse按鈕就會(huì)生成該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)曲線，如圖4所示：
　　
　　從該圖中我們可以看出，脈沖響應(yīng)的性能指標(biāo)有峰值和峰值時(shí)間、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等。該系統(tǒng)的峰值為0.0636,峰值時(shí)間為7.36；過(guò)度過(guò)程時(shí)間為32.2。
　　實(shí)現(xiàn)此功能所用的程序指令為：
　　clc;
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘step’,G);
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘impulse’,G);
　　3.2頻域分析模塊
　　控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)特性�？刂葡到y(tǒng)的頻率響應(yīng)也是反映控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的定性指標(biāo)。雖然頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)之間的相互關(guān)系是間接的，但可以從系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)和所需動(dòng)態(tài)特性，分析和提出改進(jìn)系統(tǒng)品質(zhì)的方法。常用的頻率響應(yīng)表示方法是圖形表示法。根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)幅值、相位和頻率之間的不同顯示形式，有奈奎斯特圖和伯德圖等。此本模塊設(shè)計(jì)兩個(gè)PushButton,通過(guò)兩個(gè)函數(shù)Bode，Nyquist來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖5、6所示為系統(tǒng)的Nyquist和Bode圖。
　　
　　實(shí)現(xiàn)此功能所用的程序指令為：
　　clc;
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘nyquist’,G);
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘bode’,G);
　　3.3根軌跡分析
　　根軌跡法是在已知控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布的基礎(chǔ)上，研究某一參數(shù)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)分布的影響。此模塊可根據(jù)給定的模型生成根軌跡曲線、零極點(diǎn)圖，從而能夠讓用戶根據(jù)根軌跡的走向分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，并能進(jìn)一步分析根與軌跡的關(guān)系，通過(guò)改變零極點(diǎn)來(lái)改變軌跡，從而改變系統(tǒng)的性能。據(jù)此本模塊設(shè)計(jì)兩個(gè)PushButton,通過(guò)兩個(gè)函數(shù)rlocus,rltool來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖7、8所示分別為系統(tǒng)的根軌跡圖和零極點(diǎn)圖。
　　
　　從系統(tǒng)的根軌跡圖中，可以讀出任意點(diǎn)處的增益Gain、根的位置Pole、阻尼比Damping、超調(diào)量Overshoot和相應(yīng)的頻率Frequency。在根軌跡圖中，徑向線是等衰減比線，同心圓是等自然頻率線。
　　實(shí)現(xiàn)此功能所用的程序指令為：
　　G=tf(num,den);
　　figure(1)
　　rlocus(G);
　　sgrid;
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘pzmap’,G);
　　p=roots(den)
　　z=roots(num)
　　參考文獻(xiàn)
　�。�1］劉叔軍, 蓋曉華等. MATLAB控制系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)例［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.
　�。�2］張靜. MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.
　　［3］胡壽松. 自動(dòng)控制原理(第四版)［M］. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.
　�。�4］黃忠霖. 控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真［M］. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2001.

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