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摘要：利用MATLAB语言科学计算机图形处理方面的强大功能开发了一个控制系统仿真实验软件，该软件主要包括控制系统的性能分析和典型控制算法仿真两部分，能够有效辅助教学完成控制系统的分析与设计。该软件操作简单，人机界面友好，适合大学本科控制理论课程的实验教学。
关键词：控制系统；仿真实验；MATLAB
作者简介：杨国亮（1973-），男，江西丰城人，江西理工大学电气工程与自动化学院，副教授；梁礼明（1967-），男，江西吉安人，江西理工大学电气工程与自动化学院，副教授。（江西 赣州 341000）
基金项目：本文系江西省教育厅科技计划项目（GJJ09253）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）02-0080-02
控制理论来源于工程实践，是自动化专业的重要专业基础课，属于自动化技术学科。它由一系列较为抽象的理论课程组成，在控制理论课程学习过程中必须加强理论与实际相结合，大力抓好教学中的实验环节，以便提高教学效果。目前在我国部分高校中，控制理论课程的实验教学环节都存在着不同程度的缺陷。许多高校的控制理论实验室广泛使用的实验设备均为RC电路网络、电机、示波器等硬件电器设备，这种传统的实验室存在一系列缺陷。
MATLAB语言作为一种面向科学与工程计算的高级语言，由于使用极其方便、具有丰富的矩阵处理能力与数据可视化功能，因此很快获得了控制理论研究人员的青睐。许多研究人员利用MATLAB软件开发了控制理论CAD与图形化模块化设计方法相结合的控制系统仿真软件，[1-3]使得控制系统的分析设计大大简化。目前MATLAB软件已经成为控制界最流行的仿真语言之一。MATLAB公司现已推出的与控制系统分析和设计有关的MATLAB工具箱主要有控制系统工具箱、信号处理工具箱、系统辨识工具箱、多变量频域设计工具箱、鲁棒控制工具箱及非线性系统控制设计等十几个工具箱。利用这些工具箱，可以很方便地对复杂系统进行较为精确的模拟。本文结合控制理论教学实践，利用MATLAB软件平台，开发了一套控制系统仿真软件，该软件能够实现对线性控制系统的性能分析与控制算法分析与设计，为控制理论教学提供了实验参考。
一、实验软件的总体结构
本系统包括控制系统性能分析和典型控制系统算法仿真两部分，如图1所示。控制系统性能实现对一阶、二阶和高阶对象线性系统的各种性能进行模拟分析，其参数可以随时调整。系统可以在出现的对话框内按顺序输出传递函数多项式系数（支持多种格式），便可得到所需系统，同时对系统进行性能分析仿真，并用数据和曲线显示结果，当鼠标移动到曲线上某个位置便可以显示该点的横纵坐标和指标，以便了解和掌握被控对象的动态特征、状态方程。用户可以选择任意一种进行数据输入。经典控制系统仿真控制包括PID控制、simth预估控制和大林算法控制系统的仿真。
本系统可作为自动控制原理、计算机控制等课程的辅助实验平台。第一，该系统按照学生思维习惯编制；第二，系统按照不同课程的编排把知识点进行分类。
该系统具有良好的人机界面，点击相关按钮便可选择使用的功能，支持多种格式输入数学模型对系统进行性能分析；根据需要可以搭建任意的线性控制对象并设计控制器参数进行系统仿真分析。
二、软件的设计与实现
1.系统主界面设计
利用MATLAB软件GUI编辑器强大的图形界面编程功能可以开发出一个界面简洁、输入灵活、操作方便、具有良好的人机界面的控制系统仿真系统。[4]利用GUI编辑器可以实现多种控件的设计，完成各种控件编排、属性设定、图形位置调整、操作区设计等，且可以根据需要直接增删对象以实现对软件功能的调整。在编辑GUI程序时，通过创建窗口时产生的handles结构体可以采用findobj命令来获得任意对象的标记Tag，用get或set指令来查询或设置图形对象的控件属性的值‘Value’和列表框的项目‘string’，同时还可以设置其他的属性，如坐标轴属性的字体颜色尺寸等。
控制系统仿真案件的界面主要包括：控制性能分析按钮、常用控制算法仿真按钮、退出按钮、关于本系统…按钮。
仿真软件主界面利用MATLAB软件中GUIDE编辑器设置一个静态文本和四个按钮，静态文本用来显示软件名称，四个按钮分别对应“控制性能分析”、“常用控制算法仿真”、“退出”和“关于本系统…”。在控制性能分析按钮中设置了回调函数，用来创建一个子界面完成控制系统性能分析功能；同样在常用控制算法仿真按钮中亦设置了回调函数创建另一个子界面用来完成控制系统算法设计与仿真分析功能；退出按钮通过在回调函数中close函数来退出仿真软件；关于本系统按钮则主要用来显示软件制作信息。本文设计的主界面如图2所示。
2.控制系统性能分析实现
控制系统性能分析主要包括系统数学模型设定、系统时域分析、系统频域分析三部分。
（1）系统数学模型输入。系统支持三种形式的数学模型：分子分母多项式形式、状态空间表达式和零极点形式，用户可以根据需要任意选择其中一种进行数据输入。首先，设置一个下拉菜单用于选定输入数学模型形式，通过下拉菜单中Value属性设置两个或四个编辑文本控件，分别用来实现多项式与零极点形式、状态空间表达式形式的数学模型输入，模型输入后界面下边可以显示系统数学模型。用来设置相关控件的部分函数形式如下：
polynomialText1 = uicontrol（gcf，'style'，'text'，'string'，'请输入分母系数'，'position'，[15 219 125 28]，'visible'，'on'，'BackgroundColor'，[1 1 1]，'FontSize'，12）；
polynomialEdit1=uicontrol（gcf，'style'，'edit'，'position'，[22 188 145 26]，'visible'，'on'，'BackgroundColor'，[1 1 1]，'FontSize'，12）
（2）系统时域分析。系统时域分析主要包括典型输入信号下的阶跃响应和脉冲响应分析。首先建立两个按钮，分别对应阶跃响应和脉冲响应，在两个回调函数分别调用完成阶跃响应和脉冲响应计算的函数：
[y，t] = step（num，den）；
[y，t] = impulse（num，den）；
利用axes在系统性能分析子窗口特定位置建立坐标轴，并把系统响应曲线绘制在该坐标轴中，实现系统响应的实时显示。各个控件之间的数据传递采用全局变量或设置ApplicationData属性变量，并利用getappdata和setappdata函数来完成。
（3）系统频域分析。系统频域分析主要包括系统的根轨迹、系统的伯德图和奈奎斯特图绘制。首先通过uicontrol函数建立三个按钮控件，在对应的回调函数中调用根轨迹绘制、伯德图绘制和奈奎斯特图绘制函数：
[m，p] = rlocus（num，den）；
[m，p] = bode（num，den，w）；
[m，p] = nyquist（num，den，w）；
在计算不同频率响应时采用matlab中的switch…case…end选择结构，尽量使得程序紧凑，最后把频率响应曲线绘制在当前坐标轴中。
3.常用控制算法仿真实现
与系统分析界面一样，首先要用figure函数创建一个图形窗口，在此窗口中创建四个按钮控件，分别对应PID控制，Smith控制、大林算法和返回按钮，并完成对应功能。其次，数据输入方式，对应的编辑框的使用情况及数据类型转换和保存与系统分析前面相同，下面着重讨论控制算法编程实现问题。
首先由系统模型输入模块设定对象数学模型，通过设置全局变量把模型参数传递给对应的控制算法按钮控件，在算法按钮控件回调函数中接收模型参数，并设置一个新对话框，在此对话框中完成控制器相关参数的设置并返回给算法按钮控件。以PID控制算法为例，单击PID控制按钮后，将弹出一个PID控制仿真参数输入对话框，在此对话框中，分别设置了四个属性为edit的文本编辑框，分别用于接收采样周期、比例系数、积分系数和微分系数四个参数，用户输入后确认即可把这些参数传递给PID控制按钮回调函数中，回调函数接下来便完成PID控制算法的仿真计算。三种算法具体的实现思路为：接收系统数学模型→获取控制器参数→系统数学模型离散化→设定系统输入信号和仿真时间→控制器输出、系统误差和系统输出初始化→采样当前系统输出（若为smith控制还得计算预估模型输出）→计算当前系统误差→根据控制算法仿真模型计算当前控制器输出→计算系统下时刻输出→控制器输出、系统误差和系统输出变量更新→判断仿真时间到否→时间未到则重新采样系统输出，否则结束仿真计算，并绘制系统输出响应曲线。
三、举例分析
1.控制系统性能分析测试
假定系统传递函数为，对该系统进行性能分析。首先，进入仿真系统主界面，选择“控制性能分析”，在弹出的对话框中，输入形式的下拉菜单中选择分子分母多项式形式，在相应的框中输入分子“2”和分母的系数“1，2，3”，点击确认按钮。然后分别点击阶跃响应、脉冲响应、Bode图或根轨迹按钮即可得到对应的性能系统响应曲线。
2.常用控制算法测试
假定系统传递函数为，以PID控制为例，点击PID控制按钮，在弹出的对话框中设置PID控制器参数。本次PID控制器参数选择为：比例系数为4，积分系数为0，微分系数为50，系统周期T为0.1，运行结果如图3所示。
四、结束语
本文采用MATLAB自带的图形用户界面开发工具guide 结合M语言编程，使用基于对象的编程方式，开发出面向“自动控制原理”和“计算机控制技术”教学辅助分析与设计仿真软件。该软件可以实现对线性连续系统仿真分析，可以提供包括系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析、PID控制、Smith预估控制及大林算法控制等多种实用功能，不仅可以用于控制理论教学，也可以用于工程实践中控制系统的设计与分析。该软件能更全面地使用MATLAB函数及工具，具有界面简洁、操作简便以及良好的可扩充性等一系列特点。
参考文献：
[1]周炳海,施海锋,范杰.基于结构图法的控制系统仿真软件[J].机床与液压,2004,(8).
[2]杨宁.基于MATLAB的Windows环境控制系统仿真软件的实现[J].计算机仿真,2003,(5).
[3]姜淑华.控制系统仿真实验改革的探讨[J].职业与教育,2011,(9).
[4]陈垚光,等.精通MATLAB GUI设计(第二版)[M].北京:电子工业出版社,2011.
（责任编辑：刘丽娜）
关键词：控制系统；仿真实验；MATLAB
作者简介：杨国亮（1973-），男，江西丰城人，江西理工大学电气工程与自动化学院，副教授；梁礼明（1967-），男，江西吉安人，江西理工大学电气工程与自动化学院，副教授。（江西 赣州 341000）
基金项目：本文系江西省教育厅科技计划项目（GJJ09253）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）02-0080-02
控制理论来源于工程实践，是自动化专业的重要专业基础课，属于自动化技术学科。它由一系列较为抽象的理论课程组成，在控制理论课程学习过程中必须加强理论与实际相结合，大力抓好教学中的实验环节，以便提高教学效果。目前在我国部分高校中，控制理论课程的实验教学环节都存在着不同程度的缺陷。许多高校的控制理论实验室广泛使用的实验设备均为RC电路网络、电机、示波器等硬件电器设备，这种传统的实验室存在一系列缺陷。
MATLAB语言作为一种面向科学与工程计算的高级语言，由于使用极其方便、具有丰富的矩阵处理能力与数据可视化功能，因此很快获得了控制理论研究人员的青睐。许多研究人员利用MATLAB软件开发了控制理论CAD与图形化模块化设计方法相结合的控制系统仿真软件，[1-3]使得控制系统的分析设计大大简化。目前MATLAB软件已经成为控制界最流行的仿真语言之一。MATLAB公司现已推出的与控制系统分析和设计有关的MATLAB工具箱主要有控制系统工具箱、信号处理工具箱、系统辨识工具箱、多变量频域设计工具箱、鲁棒控制工具箱及非线性系统控制设计等十几个工具箱。利用这些工具箱，可以很方便地对复杂系统进行较为精确的模拟。本文结合控制理论教学实践，利用MATLAB软件平台，开发了一套控制系统仿真软件，该软件能够实现对线性控制系统的性能分析与控制算法分析与设计，为控制理论教学提供了实验参考。
一、实验软件的总体结构
本系统包括控制系统性能分析和典型控制系统算法仿真两部分，如图1所示。控制系统性能实现对一阶、二阶和高阶对象线性系统的各种性能进行模拟分析，其参数可以随时调整。系统可以在出现的对话框内按顺序输出传递函数多项式系数（支持多种格式），便可得到所需系统，同时对系统进行性能分析仿真，并用数据和曲线显示结果，当鼠标移动到曲线上某个位置便可以显示该点的横纵坐标和指标，以便了解和掌握被控对象的动态特征、状态方程。用户可以选择任意一种进行数据输入。经典控制系统仿真控制包括PID控制、simth预估控制和大林算法控制系统的仿真。
本系统可作为自动控制原理、计算机控制等课程的辅助实验平台。第一，该系统按照学生思维习惯编制；第二，系统按照不同课程的编排把知识点进行分类。
该系统具有良好的人机界面，点击相关按钮便可选择使用的功能，支持多种格式输入数学模型对系统进行性能分析；根据需要可以搭建任意的线性控制对象并设计控制器参数进行系统仿真分析。
二、软件的设计与实现
1.系统主界面设计
利用MATLAB软件GUI编辑器强大的图形界面编程功能可以开发出一个界面简洁、输入灵活、操作方便、具有良好的人机界面的控制系统仿真系统。[4]利用GUI编辑器可以实现多种控件的设计，完成各种控件编排、属性设定、图形位置调整、操作区设计等，且可以根据需要直接增删对象以实现对软件功能的调整。在编辑GUI程序时，通过创建窗口时产生的handles结构体可以采用findobj命令来获得任意对象的标记Tag，用get或set指令来查询或设置图形对象的控件属性的值‘Value’和列表框的项目‘string’，同时还可以设置其他的属性，如坐标轴属性的字体颜色尺寸等。
控制系统仿真案件的界面主要包括：控制性能分析按钮、常用控制算法仿真按钮、退出按钮、关于本系统…按钮。
仿真软件主界面利用MATLAB软件中GUIDE编辑器设置一个静态文本和四个按钮，静态文本用来显示软件名称，四个按钮分别对应“控制性能分析”、“常用控制算法仿真”、“退出”和“关于本系统…”。在控制性能分析按钮中设置了回调函数，用来创建一个子界面完成控制系统性能分析功能；同样在常用控制算法仿真按钮中亦设置了回调函数创建另一个子界面用来完成控制系统算法设计与仿真分析功能；退出按钮通过在回调函数中close函数来退出仿真软件；关于本系统按钮则主要用来显示软件制作信息。本文设计的主界面如图2所示。
2.控制系统性能分析实现
控制系统性能分析主要包括系统数学模型设定、系统时域分析、系统频域分析三部分。
（1）系统数学模型输入。系统支持三种形式的数学模型：分子分母多项式形式、状态空间表达式和零极点形式，用户可以根据需要任意选择其中一种进行数据输入。首先，设置一个下拉菜单用于选定输入数学模型形式，通过下拉菜单中Value属性设置两个或四个编辑文本控件，分别用来实现多项式与零极点形式、状态空间表达式形式的数学模型输入，模型输入后界面下边可以显示系统数学模型。用来设置相关控件的部分函数形式如下：
polynomialText1 = uicontrol（gcf，'style'，'text'，'string'，'请输入分母系数'，'position'，[15 219 125 28]，'visible'，'on'，'BackgroundColor'，[1 1 1]，'FontSize'，12）；
polynomialEdit1=uicontrol（gcf，'style'，'edit'，'position'，[22 188 145 26]，'visible'，'on'，'BackgroundColor'，[1 1 1]，'FontSize'，12）
（2）系统时域分析。系统时域分析主要包括典型输入信号下的阶跃响应和脉冲响应分析。首先建立两个按钮，分别对应阶跃响应和脉冲响应，在两个回调函数分别调用完成阶跃响应和脉冲响应计算的函数：
[y，t] = step（num，den）；
[y，t] = impulse（num，den）；
利用axes在系统性能分析子窗口特定位置建立坐标轴，并把系统响应曲线绘制在该坐标轴中，实现系统响应的实时显示。各个控件之间的数据传递采用全局变量或设置ApplicationData属性变量，并利用getappdata和setappdata函数来完成。
（3）系统频域分析。系统频域分析主要包括系统的根轨迹、系统的伯德图和奈奎斯特图绘制。首先通过uicontrol函数建立三个按钮控件，在对应的回调函数中调用根轨迹绘制、伯德图绘制和奈奎斯特图绘制函数：
[m，p] = rlocus（num，den）；
[m，p] = bode（num，den，w）；
[m，p] = nyquist（num，den，w）；
在计算不同频率响应时采用matlab中的switch…case…end选择结构，尽量使得程序紧凑，最后把频率响应曲线绘制在当前坐标轴中。
3.常用控制算法仿真实现
与系统分析界面一样，首先要用figure函数创建一个图形窗口，在此窗口中创建四个按钮控件，分别对应PID控制，Smith控制、大林算法和返回按钮，并完成对应功能。其次，数据输入方式，对应的编辑框的使用情况及数据类型转换和保存与系统分析前面相同，下面着重讨论控制算法编程实现问题。
首先由系统模型输入模块设定对象数学模型，通过设置全局变量把模型参数传递给对应的控制算法按钮控件，在算法按钮控件回调函数中接收模型参数，并设置一个新对话框，在此对话框中完成控制器相关参数的设置并返回给算法按钮控件。以PID控制算法为例，单击PID控制按钮后，将弹出一个PID控制仿真参数输入对话框，在此对话框中，分别设置了四个属性为edit的文本编辑框，分别用于接收采样周期、比例系数、积分系数和微分系数四个参数，用户输入后确认即可把这些参数传递给PID控制按钮回调函数中，回调函数接下来便完成PID控制算法的仿真计算。三种算法具体的实现思路为：接收系统数学模型→获取控制器参数→系统数学模型离散化→设定系统输入信号和仿真时间→控制器输出、系统误差和系统输出初始化→采样当前系统输出（若为smith控制还得计算预估模型输出）→计算当前系统误差→根据控制算法仿真模型计算当前控制器输出→计算系统下时刻输出→控制器输出、系统误差和系统输出变量更新→判断仿真时间到否→时间未到则重新采样系统输出，否则结束仿真计算，并绘制系统输出响应曲线。
三、举例分析
1.控制系统性能分析测试
假定系统传递函数为，对该系统进行性能分析。首先，进入仿真系统主界面，选择“控制性能分析”，在弹出的对话框中，输入形式的下拉菜单中选择分子分母多项式形式，在相应的框中输入分子“2”和分母的系数“1，2，3”，点击确认按钮。然后分别点击阶跃响应、脉冲响应、Bode图或根轨迹按钮即可得到对应的性能系统响应曲线。
2.常用控制算法测试
假定系统传递函数为，以PID控制为例，点击PID控制按钮，在弹出的对话框中设置PID控制器参数。本次PID控制器参数选择为：比例系数为4，积分系数为0，微分系数为50，系统周期T为0.1，运行结果如图3所示。
四、结束语
本文采用MATLAB自带的图形用户界面开发工具guide 结合M语言编程，使用基于对象的编程方式，开发出面向“自动控制原理”和“计算机控制技术”教学辅助分析与设计仿真软件。该软件可以实现对线性连续系统仿真分析，可以提供包括系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析、PID控制、Smith预估控制及大林算法控制等多种实用功能，不仅可以用于控制理论教学，也可以用于工程实践中控制系统的设计与分析。该软件能更全面地使用MATLAB函数及工具，具有界面简洁、操作简便以及良好的可扩充性等一系列特点。
参考文献：
[1]周炳海,施海锋,范杰.基于结构图法的控制系统仿真软件[J].机床与液压,2004,(8).
[2]杨宁.基于MATLAB的Windows环境控制系统仿真软件的实现[J].计算机仿真,2003,(5).
[3]姜淑华.控制系统仿真实验改革的探讨[J].职业与教育,2011,(9).
[4]陈垚光,等.精通MATLAB GUI设计(第二版)[M].北京:电子工业出版社,2011.
（责任编辑：刘丽娜）