MATLAB的GUI设计在时域分析中的应用

工　业　技　术

２００７　　ＮＯ．１１

科技资讯

ＭＡＴＬＡＢ的ＧＵＩ设计在时域分析中的应用

吴建华　　周岳斌

（湖南理工学院机械与电气工程系　　湖南岳阳　　４１４０００）

摘　要：ＭＡＴＬＡＢ是面向科学与工程计算的科技应用软件。它具有速度快、使用方法简便等优点。本文通过实例介绍了对自动控制系统进行时域分析的仿真软件的设计方法。这个仿真软件利用ＭＡＴＬＡＢ的图形用户界面编程技术，能更直接更快速地观察并分析系统的时域特性。

关键词：ＭＡＴＬＡＢ　　时域分析　　稳态误差　　图形用户界面

中图分类号：ＴＰ３１１　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　文章编号：１６７２－３７９１（２００７）０４（ｂ）－００２９－０１

１　引言

随着大量可视化编程语言的出现，为工程技术人员提供了可视化的编程环境，大大减少了技术人员工作量，极大推动了各种应用软件的发展。ＭＡＴＬＡＢ同样提供了一个功能强大的用于编写图形用户界面（ＧＵＩ）的工具，自美国Ｍａｔｈ　Ｗｏｒｋｓ公司于１９６７年推出ＭＡＴＬＡＢ软件包到目前为止已经发展到了７．１版，由于其语句简练，功能强大，简单实用，成为面向科学与工程计算的大型优秀科技应用软件，在电路分析、计算中有广泛的应用前景。本文将通过一个对时域系统的稳态误差分析的实例来介绍ＭＡＴＬＡＢ的ＧＵＩ设计在时域分析中的应用。

２　原理及方法

系统仿真是对系统的数学模型进行求解，对控制系统来说，其数学模型实际上是某种微分方程和差分方程模型。因而在仿真过程中需要以某种数值算法从给定的初始值出发，逐步地计算出每一时刻系统的响应，最后绘制出系统的响应曲线，由此来分析系统的性能。

稳定是控制系统的重要性能，也是系统能正常工作的首要条件。控制系统中的稳态误差，是系统控制精度的一种度量。系统的稳态误差定义为被控量的希望值与实际值之差，它与系统本身的结构、参数以及外部的作用形式密切相关。

根据稳态误差分析方法，可计算不同输入下，各种系统类型的稳态误差。稳态误差与典型系统类型的关系如表１所示，其中Ｋ为

开

环

增益。

３　ＧＵＩ的制作及程序的设计

３．１　图形用户界面的制作

所谓图形用户界面是指由窗口、光标、按钮、菜单、文字说明等对象构成一个用户界面。用户可以通过键盘输入相关的参数，通过鼠标选择、激活这些对象，使计算机完成相关的计算或者绘制曲线等功能。

在ＭＡＴＬＡＢ中，应用程序的图形窗口有两种生成方法，利用可视化界面环境Ｇｕｉｄｅ实现或者编写Ｍ脚本文件实现，在命令窗口输入ｇｕｉｄｅ，调用ＧＵＩ设计向导，然后选择空白的ＧＵＩ模版，就可以通过托放控件工具栏中的不同控件来设计用户自己的界面。

根据时域分析中稳态误差的计算需要进行界面设计，选取了按钮、编辑文本框、静态文本框下拉菜单、坐标轴、框架等多种控件，然后双击相应的控件，可进行相应控件属性的修改，例如设置坐标、大小、颜色、字体等，无需修改的可保留其缺省值。

完成控件布局和属性设置后，还必须编写控件的回调函数的程序代码。其中ＢｕｔｔｏｎＤｏｗｎＦｃｎ是当鼠标左键单击控件时执行的函数，Ｃａｌｌｂａｃｋ是与控件功能相关的标准毁掉函数，ＣｒｅａｔｅＦｃｎ是当控件创建时执行的函数，ＤｅｌｅｔｅＦｃｎ是删除控件之前执行的函数。设计时可从菜单Ｖｉｅｗ下的ＯｂｊｅｃｔＣａｌｌｂａｃｋｓ选项中选择一种函数，打开Ｍａｔｌａｂ自动生成的．ｍ文件，在相应的函数下编写具体的操作程序代码。３．２　编写回调函数

在回调函数中，首先利用ｆｉｎｄｏｂｊ和ｇｅｔ获得图形界面的编辑框中用户设置的开环系统参数，并通过ｓｔｒ２ｎｕｍ将字符类型的参数转换为数值类型，再利用多项式乘积函数ｃｏｎｖ、串联结构函数ｓｅｒｉｅｓ和反馈结构函数ｆｅｅｄｂａｃｋ得到闭环系统的传递函数模型。

然后根据下拉菜单控件选定的输入信号类型，求取实际响应曲线和稳态误差。单位阶跃输入响应可直接使用ｓｔｅｐ函数，而单位斜坡输入或单位加速度输入则必须先将闭环系统的传递函数模型的分子部分提高１阶或２阶，再使用ｓｔｅｐ函数。下面是部分程序示例：

ｐｏｐ＝ｆｉｎｄｏｂｊ（＇ｔａｇ＇，＇ｐｏｐｕｐｍｅｎｕ１＇）；ｐｏ＝ｇｅｔ（ｐｏｐ，＇ｖａｌｕｅ＇）；ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｃａｓｅ　１

［ｙ，ｘ，ｔ］＝ｓｔｅｐ（ｎｕｍ，ｄｅｎ，，ｔ）；ｐｌｏｔ（ｔ，ｙ，＇ｂ＇，ｔ，１，＇：ｃ＇）；ｃｃ＝１；

ｐｌｏｔ（ｔ，ｙ，＇ｂ＇，ｔ，ｃｃ，＇ｒ＇，＇Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ＇，２．５）；

ｋ１＝ｆｉｎｄｏｂｊ（＇ｔａｇ＇，＇ｋ＇）；ｋｐ＝ｅ１；

ｋ＝＇静态位置误差系数Ｋｐ＝＇；ｓｅｔ（ｋ１，＇ｓｔｒｉｎｇ＇，　［ｋ　ｋｐ］）；ｋ２＝ｆｉｎｄｏｂｊ（＇ｔａｇ＇，＇ｗｕ＇）；ｅｓｓ＝＇稳态误差ｅｓｓ＝＇；ｅｓｓ１＝１／（１＋ｅ１１）；

ｓｅｔ（ｋ２，＇ｓｔｒｉｎｇ＇，［ｅｓｓ，ｓｐｒｉｎｔｆ（＇％１．４ｇ＼＇，ｅｓｓ１）］）；

ｇｒｉｄ　ｏｎ；

ｌｅｇｅｎｄ（＇蓝色实线表示响应稳态曲线＇，＇红色虚实线表示单位斜坡信号＇，０）；．．．

通过改变表达式的参数，可以得到不同情况下的稳态误差、静态误差系数以及响应

曲线，从而更便捷的进行各种控制系统的稳态误差分析。

图１

为

０型系统的单位斜坡输入响应和稳态误差。其他系统类型的不同信号的输入响应和稳态误差的具体求法与此类似。

４　结语

时域分析中包含了大量的数学计算分析和函数图形，利用ＭＡＴＬＡＢ强大的计算功能和丰富的绘图功能进行控制系统的时域仿真，不仅可以很容易仿真出用户想要得到的仿真结果，而且能够提供用户一个可视化的ＧＵＩ界面。对于专业教学的老师和学生来说，既简化了控制系统的分析过程，又具有直观、形象、生动的特点，易于学生接受，有助于巩固和加强学生的理解，同时也便于演示，这样一个仿真软件在教学和实验过程中使用起来将会特别方便。

参考文献

［１］　曹戈，赵阳．ＭＡＴＬＡＢ实用教程［Ｍ］．北京：

电子工业出版社，２００５．

［２］　程鹏．自动控制原理［Ｍ］．北京：高等教育出

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