基于Matlab_Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计

第29卷第6期2010年6月

实验室研究与探索

RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY

Vol.29No.6Jun.2010

基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制

系统虚拟实验平台设计

尚

丽，淮文军

（苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州215104）

摘

要：利用Matlab环境中的Simulink仿真工具箱和友好的GUI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。

关键词：Matlab/Simulink仿真工具箱；GUI界面；运动控制系统；虚拟实验平台

+

中图分类号：TP273.4

文献标识码：A文章编号：1006－7167（2010）06－0066－06

TheVirtualExperimentPlatformDesignofAuto-controlSystem

BasedonMatlab/SimulinkandGUI

SHANGLi，HUAIWen-jun

（DepartmentofElectronicInformationEngineering，SuzhouVocationalUniversity，Suzhou215104，China）Abstract：UtilizingSimulinksimulationtoolboxandfriendlyGUIinterfaceinMatlabsoftware，thevisualvirtualexperi-mentplatformoftheauto-controlsystemcoursewasdesignedandrealized.Thisexperimentplatformcomprisesoftypicalsimulationmodelsandexampleanalysisinexperimentalteachingofauto-controlsystem.Itcandosomeexperiments，whichcan’tberealizedbyphysicaldevices，andhelpstudentstocomprehenddirectlythecomposingandtheoryofauto-controlsystem，enhancestudents’perceptualknowledge，andculturestudents’abilityofresearch，syntheticallyappli-cationandinnovation.

Keywords：Matlab/Simulinksimulationtoolbox；GUIinterface；auto-control；virtualexperimentplatform

1引言

从培养的角度来说，更重要的要设计或选用这些系统，

是培养学生综合运用知识来解决工程实际问题的能力。在实际工程中如何使学生学会运用综合知识，使运动控制系统具有更好的性能以满足生产的要求是课程的任务，这就使教学不仅需要课堂讲授，更需要学生有更多的感性认识，加强实践性教学环节，包括实验和课程设计。但是由于受到教学学时、实验设备、实验人员和实验条件的限制，教学要求有时难于完全达到，而虚拟实验和设计则没有这方面的限制

［4］

运动控制系统是应用电子技术、电气工程、自动化及机电一体化等专业的一门重要专业课程。该课程综合了电路、电子、电机拖动、自动控制原理、电力电子变流技术等课程的相关知识，是自动化专业的一个重要专业方向

［1-4］

。该课程的任务不仅是研究、学习直流调

速和交流调速的方案，使学生在将来工作中能根据需

。基于上述

收稿日期：2009－10－13

基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（BK2009131）；江苏省“青蓝工程”09024）资助；苏州市职业大学教改资助项目（SZDG4-作者简介：尚

丽（1972－），女，安徽砀山县人，博士，副教授，高级

工程师，主要从事数字图像处理、人工神经网络和模式识别的研究。

Tel.：18913129369；E-mail：sl0930@

考虑，本文将Matlab/Simulink仿真技术和GUI界面设计引入到教学中，开发设计了可视化的运动控制系统虚拟实验平台，并取得了较好的效果。通过仿真，学生可以对各模块性能、电路连接情况有所了解并直观地看到仿真结果；通过对仿真参数进行调整，可以使学生了解参数变化对系统性能的影响，在硬件实验之前就能对

第6期

尚丽，等：基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计

67

系统电路有一定程度的了解，尽可能地避免对实验线路不熟悉而导致实验设备的损坏和人身安全危险。

要讨论基于数学模型的双闭环系统和基于电气原理设计的双闭环系统；③直流脉宽调速（PWM）系统；④异步电机交流调压调速系统；⑤异步电机串级调速系统；⑥转速开环恒压频比交流调速系统；⑦转速闭环恒压频比交流调速系统；⑧正弦波脉宽调制（SPWM）变频器的仿真。

对上述各系统都建立了仿真模型，并对仿真参数进行调整，进行了详细的仿真分析和讨论。对每一个实验项目，都附有实验指导书和相关参考资料。通过GUI界面上的按键，可以打开这些资料自行学习。2.2

系统仿真模型

在电动机调速控制系统中，使用框图组织系统是又省时又省力的事，如果采用计算机仿真技术来实现电动机调速，那么在提高调速系统运行精度，减少累积误差等方面大有益处。利用Matlab/Simulink仿真工具箱，采用面向电气原理结构图的仿真方法就具有上述这些优点。这种方法首先以调速系统的电气原理结构图为基础，弄清楚控制系统的构成，从SimPowerSys-tems和Simulink模块库中找出对应的模块，按系统的结构进行建模；然后对系统中的各个组成环节进行元件参数设置，在完成各环节的参数设置后，进行仿真参进行仿真调试和仿真结数的设置；最后启动系统仿真，

通常要根据仿真果分析。为了使系统得到好的性能，

结果来对系统的各个环节进行参数的优化调整。

本实验平台包含了2.1节中提到的运动控制系统中典型的实验项目的仿真模型和仿真实例分析。主要从系统的建模和模型参数设置（包括主电路的建模和参数设置、控制电路的建模和参数设置）、系统的仿真系统仿真结果及其分析等几个方面讨论仿参数设置、

真建模分析过程。建模过程中所用到的主要模块的路径如表1所示。

2实验平台构思

本虚拟实验系统具有可视化的特点，操作方便、直

学生可以进入教师指定的实验项观。通过GUI界面，

链接Simulink仿真环境并打开实验项目的仿真模目，

型，设置和调整仿真参数，进行仿真试验；或者任意进入感兴趣的实验项目，同时链接打开仿真实验指导书和硬件实验指导书，进行自学。同时，仿真实验平台还学生可以通过仿真提供了对应实验项目的仿真实例，

实验结果进行比较分析，发现实验中存在的问题，锻炼独立思考问题、分析问题的能力2.1

实验项目

在进行虚拟实验平台设计时，其设计思想一直保持同运动控制系统基本理论紧密相关，强化运动控制为理解和应用理论系统理论的基本思想和核心概念，

提供有力的帮助。同时，本试验系统还留有一定的课程设计题目和创新设计题目。题目选取实践中的典型例子，有一定难度，旨在增强学生的实际动手能力，促进学生花上一定的时间把课堂中所学的理论和实际相Simulink仿真并要求学生采用Matlab编程工具、结合，

从而提工具和GUI界面设计工具去分析和解决问题，高学生的综合素质。

根据实验教学计划的要求，我们设计的虚拟实验平台包含了常规运动控制系统实验教学中所有典型的实验项目，具体实验名称如下：①转速单闭环直流调速系统（简称单环直流调速系统）。主要讨论有静差无静差单环直流调速系统、带限流单环直流调速系统、

保护的有静差单环调速系统和带限流保护的无静差单环调速系统；②转速、电流双闭环直流调速系统。主

表1

［5-8］

。

仿真建模所用到的主要模块及其提取路径

68

实

仿真实例

验室研究与探索

第29卷

2.3GUI的同时生成以下2个文件：①FIG文件。该文件包括GUI图像的窗口和所有子对象（包括用户控件和坐标轴）的完全描述以及所有对象的属性值；②M文件。该文件包含用户用来发布和控制界面和回调函数的各种函数。该文件中不包含任何组件的布置信息。

（2）利用编程创建GUI。Matlab图形界面程序是但它与其他可视化编程语言的不同基于消息驱动的，

之处决定了其运行流程的不同：①初始化图形界面的Openfig函数调用与M文过程是通过Openfig实现的，

件对应的Fig文件来初始化图形界面。在这一过程中还存在隐含*.fig的CreatFcn函数。但这一过程无法使用输入参数，也就是说，要用输入参数设置图形界面元素的一些特征，还必须编写自己的初始化函数；②创建句柄结构来存储该图形界面所有对象的句柄，用于回调函数及其自己编写的函数。这一过程是通过函数guihandles和guidata来实现的。只有获得了图形界才能有效的进行编程，在后台建立面所有对象的句柄，

消息驱动机制，等待用户进行操作，并做出相应的响初始化完毕，给出输出参数。应。最后，3.2

实验平台的GUI界面

设计中用到的控件有：按钮、文本框、坐标轴、下拉单选按钮、复选按钮、滚动条等。列表、

所设计的GUI界面主要包括实验平台进入界面、实验名称界面、每一个实验项目界面及其对应的仿真参考资料学习子界面等。下面对主要的界面分实例、

别举例加以说明。

（1）进入界面。GUI界面主要使用的控件有4个1个按钮。文本框主要用于文字的显示，静态文本框、

按钮的功能有多种，比如函数的调入，界面之间的跳转等。将所需控件拖入GUI界面，然后对各个控件按要求进行属性编辑。在对各个属性修改完之后，点击GUI界面上工具栏中的按钮“源程序文件。

（2）实验名称界面。所有实验名称参见图1所示9个按的GUI界面。所用的控件有1个静态文本框、并对相应控件按钮。将相应的控件拖入GUI界面中，

照实验项目名称要求进行属性设置。此处使用按钮打开对应的GUI子界面时，可以在该按钮的“Callback”“子界面的文件名（*.fig）”，属性中键入和“close”这样就可以关闭前一个子界面同时打开一个新的子界面。例如，采用上述的属性设置方法，单击实验名称的“单闭环直流调速系统”、“双闭环界面上对应的按钮直流调速系统”按钮，就可以打开图2和图3所示的“单闭环直流调速系统”GUI子界面和“双闭环直流调GUI子界面。速系统”

”就可以运行设计的

GUI界面，Matlab系统会自动生成相应的M文件，即

目前，使用Matlab对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用Mat-lab的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。而本文设计的实验平台采用一种面向控制系统电气原理结构图，使用电力系统工具箱进行调速系统仿真的新方法。

对设计的实验平台的每一个实验项目，均给出其仿真结果分析实例。在实验过程中，学生可以把自己得到的实验结果和提供的仿真实例进行对比分析，进一步帮助学生更好地理解运动控制系统中调节器参数对有静差变化对系统稳态和动态性能的影响。例如，单闭环转速调节系统，在相同的给定信号下，给出不同的比例系数Kp所对应的转速、电流和转矩曲线，根据转速波形变化讨论系统的启动快速性、调节过程的快Kp的慢、转速超调大小、转速的稳定性，转速稳定时，大致取值范围等。2.4

参考资料

利用所设计的实验平台的GUI界面可以直接调入Matlab/Simulink的参考学习资料、运动控制系统课件、硬件实验指导书、仿真实验指导书、运动控制系统学生可以随时参习题库等参考资料。在实验过程中，

设置仿真参数，进行仿真系统的调试和考实验指导书、

系统仿真结果的分析。通过仿真练习，学生对系统的参数取值范围和实验结果等都有了电路组成和连线、

一定的了解和直观的认识，因此，在硬件模拟实验中，学生对整个系统的硬件组成就比较熟悉，对参数测试结果的正确性也有一个判定的范围。同时，通过仿真在一定程度上可以锻炼学生思考和实际动手的操作，

问题、分析问题和解决问题的能力。

3

3.1

GUI界面设计

GUI界面的创建

图形用户界面（GraphicalUserInterface的缩写，

GUI）是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成一个用户界面。用户通过一定的方法激活这些图形使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、对象，绘图等

［9-11］

。

创建GUI界面必须具备的3个基本元素：组件、GUI的创建方式有2种：图形窗口和回应。通常，

（1）利用GUIDE创建GUI。在Matlab中，GUIDE是1个组件工具集，能够生成用户所需的组件资源并GUIDE还可以生成1个保存在1个Fig文件中；其次，

包含GUI初始化和发布控制代码的M文件，该文件为回调函数（用户在图形界面中激活某一控件时要执行的函数）提供了一个框架。GUIDE可以首先在布局

图1

实验名称界面

图2

单闭环直流调速系统界面图3双闭环直流调速系统界面

4系统仿真模型界面

单击图1中某一个实验项目名称，就可以直接打

“有单击图3GUI界面中的的图2和图3的GUI界面，

，静差直流调速系统”就可以打开如图4所示的Mat-lab/Simiulink环境中的有静差单闭环直流调速系统的仿真模型，可以直接在该模型中进行仿真模块的参数设置，进行仿真分析

［12-13］

开该实验项目对应不同情况下的子实验的仿真模型，对任意1个子实验进行仿真分析。例如，对上述提到

。

器中积分器饱和值设为50，调节器输出的上下限幅值100］；而转速调节器ASR的PI调节器中设为［－100，

积分器饱和值设为10，调节器输出的上下限幅值设为［－10，10］。当转速调节器的参数Kp、Ti取不同值时，

对应的转速仿真曲线如图6所示。比较转速仿真结果可知：图6（a）的仿真效果较好，系统的稳定性较好；图6（b）～6（d）所示的系统虽然最终可以达到稳定状态，但是转速的超调调节过程太长，动态性能不好

。

（a）Kp=

5（b）Kp=

50

（c）Kp=

100

（d）Kp=150

图5比例系数不同时，

有静差单闭环直流调速的转速仿真曲线

（a）Kp=11.7；Ti=0.0074

s（b）Kp=30；Ti=0.0074

s

（c）Kp=45；Ti=0.474

s

（d）Kp=45；Ti=45s

图6参数不同时，双闭环直流调速的转速、电流仿真曲线

.实验技术与管理，2007，24（1）：73-75.中的应用［J］

6结语

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本文主要介绍了基于Matlab/Simulink和图形用户界面GUI的运动控制系统虚拟实验平台的设计思想和方法，并以具体实验示例说明GUI界面的实现过程。该实验平台包括了运动控制系统实践教学的典型实验项目，符合日常教学需要。另外，该实验平台可以利用联网计算机进行虚拟实验，随时进入虚拟实验环境，一边动手调整各种控制系统参数，一边实时观看实从基本理论到复杂典型实例，有浅入深地进行验结果，

动态的交互式学习。由于不受时间和地点的限制，不仅可以在课程学习阶段，在将来课程设计和毕业论文阶段都可以充分利用虚拟实验平台提供的服务不断巩固所学的知识。通过仿真，学生可以对各模块性能、电并直观地看到仿真结果，对仿真路连接情况有所了解，

参数进行设置，了解不同仿真参数对仿真结果的影响，在实际实验之前就能对电路有一定程度的了解，减少避免错误由于对实验不够熟悉导致实验仪器的损坏，连接和不正确的参数设置造成的危险，提高学生的自与主学习能力和思维能力。仿真条件均是理想情况，实际实验还有一定差异，学生不仅要通过仿真加深对电路的理解，还要多参与实际实验加强自己的动手能力和实际问题的解决能力。参考文献（References）：

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2010年5月美国国家仪器有限公司（NI）发布2则新技术

1.基于Intel酷睿i7处理器的PXIExpress四核控制器

820QM四核处理器的NIPXIe-8133高性能嵌入式控制器。这一新型控制器基于最新Intel酷睿i7-是业界首台PXIExpress四核控制器。通过结合Intel公司的最新技术和PCIExpress总线的性能提升，该控制器能提供多达双倍的处理能力和数据吞吐量，帮助工程师们更进一步降低测试时间。点击/china/pxi，8133四核嵌入式控制器的信息。了解更多关于PXIe-

2.已推出100多款C系列模块用于各种自定义应用

新增100多种C系列插入式模块，其中50多种来自NI公司，另外50种来自第三方公司，此外还包括各种机箱产品。如此多的配置选择帮助工程师们解决各种测量与嵌入式控制需求。工程师和科学家NICompactRIO和NIR系列扩展机们可将NIC系列模块插入任何C系列机箱，包括NICompactDAQ、箱，从而构建各种混合测量系统。此外，他们还可以将第三方模块用于任何基于FPGA的机箱，包括NICompactRIO和R系列扩展机箱等。

详情请查阅：/china

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t0m4.html