基于GUI功能的运动控制系统仿真实验平台

基于GUI功能的运动控制系统仿真实验平台
[摘要]本文介绍了运用Matlab的GUI（图形用户交户界面设计）功能，设计一个电力拖动自动控制系统（运动控制系统）基础实验教学管理系统，通过统一的用户界面，来选择运动控制系统实验类型、实验项目、并借助于后台MATLAB的支持，进行仿真试验。

[关键词]Matlab/GUI;运动控制系统;实验系统
1．概述
MATLAB是美国Mathwors公司于1984年推出的当今国际上最流行的数学软件之一。

它是一种使用简便的工程计算语言，以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个可交互的工作环境中，从而可实现工程计算、算法研究、建模、仿真和数据分析，同时具有可视化、科学和工程绘图、应用程序开发(包括GUI)功能。

电力拖动自动控制系统（运动控制系统）是自动化专业的一门重要专业综合课程。

它的先修课程包括电工与电子电路、电力电子学、电机与拖动、微机原理和自动控制理论，涉及多门学科，概念多、系统性、理论性强，和工程实践联系密切。

需要知识面广，内容多，尤其是工程实际知识多。

该课程是一门实践性很强的课程，实验是学好本课程必不可少的重要环节。

采用传统的课堂讲授方式来讲授这门课的最大问题在于：很难用大量的图片来介绍各种直流电机、交流电机调速系统的完整结构，也难以用清晰、明了的各种波形、图形来讲授诸如转速、电流、电压、转矩等运动控制系统的过渡过程问题。

目前，有很多的实验装置可以对运动控制系统运行进行较好地测试与观察。

但其实验系统价格昂贵，投资较大，在一些高校教学中难以实现。

本文介绍采用MATLAB/GUIDE（图形用户界面设计）设计运动控制系统的仿真实验平台，可以弥补高校实验设备缺乏，也可以起到辅助教学的作用。

2．运动控制实验系统界面设计
2.1实验系统登录界面设计
根据设计目标，在登录界面中插入武昌理工学院图片作为背景，运动控制仿真实验室为主标题，界面中设有登录按钮。

设计效果如图1所示。

图1登录界面
其中，界面中插入图片的程序设计如下（图片名称为xuexiao.jpg）。

图片必须存放于主文件（.fig）相同文件夹下。

function axes1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)
%Hint:place code in OpeningFcn to populate axes1
back=imread('xuexiao.jpg');
imshow(back);
set(back,'visible','off');
2.2实验选择界面设计
点击图1“登录界面”登录按钮，进入实验选择界面。

实验选择界面设计如下：
实验选择界面中包含控件：一个坐标轴用于插入校徽图片；3个列表框（listbox）：列表框内容分别为系统类型，电机系统类型对应的实验项目，各实验内容与目的说明；四个文本标签：三个作为列表框的说明，一个为“运动控制系统仿真实验平台”标题；两个按钮（button）：按钮标题为实验运行和退出。

图2实验平台设计界面
在运行中设计效果如图3“实验运行平台”所示。

图3实验运行平台
图3实验平台可实现如下功能：当单击系统类型选择直流调速、交流调速或伺服系统时，在实验项目列表框中会显示出相应系统类型的实验项目种类以供选择，同时实验内容与目的出现该项目的实验内容与目的。

如上图是在选择直流调速系统后，实验项目自动调出直流调速系统类型中相对应的所有实验项目，在选择了实验3之后，实验内容与目的列表框中出现“实验3转速、电流双闭环直流调速系统”的实验内容与目的。

列表框1（系统类型列表框）的回调函数设计如下，可实现上述功能。

function listbox1_Callback(hObject,eventdata,handles)
switch get(hObject,'value')
case{1},
set(handles.listbox2,'string','实验1晶阐管直流调速系统参数和基本环节特性测定|实验2带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统|实验
3转速、电流双闭环直流调速系统|实验4逻辑无环流可逆直流调速系
统|实验5转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统');
case{2},
set(handles.listbox2,'string','实验1双闭环三相异步电动机调压调速系统|实验2双闭环三相绕线转子异步电动机串级调速
系统|实验3SPWM正弦脉宽调制变频器-异步电动机变频调速
系统');
case{3},
set(handles.listbox2,'string','实验1随动系统');
end
set(handles.listbox2,'value',1)
3．实验系统中实例介绍
运动控制系统课程的实践性很强，实验是掌握本课程必不可少的重要环节，实验主要分为三大类：直流调速系统、交流调速系统、伺服系统。

通过实验培养学生掌握运用理论分析并解决问题的能力。

本实验平台共设计九个仿真实验项目，其中直流调速系统仿真五个，交流调系统仿真三个，伺服系统仿真实验一个，可以满足该课程的实验需要。

下面以运动控制系统中的重要实验：转速、电流双闭环直流调速系统为例介绍实验模型的制作与仿真，选择设计参数如下：
1．直流电动机：
电动机电动势系数：0.132.min/Ce V r =；电动机电磁时间常数：0.03l T s
=电动机机电时间常数：0.18m T s =；电枢回路总电阻：0.5R ∑=Ω
2．晶闸管整流电源（采用三相全波整流）：
平均失控时间：Ts=0.00167s ；放大倍数：40
=S K 3．固有参数的设计：
给定电压最大值：
10nm U V *=；调节器限幅电压：10nm im U U V ==4．反馈参数：
电流反馈系数：0.05；转速反馈系数：
0.007电流反馈滤波时间常数：
2fi T ms =；转速反馈滤波时间常数：10fn T ms
=5．双闭环PI 控制器：电流调节器：Ki=1.013，Ti=0.03；转速调节器：Kn=11.7，Tn=0.087
根据设计参数制作仿真模型如下图：保存为shiyan3.mdl 。

图4转速、电流双闭环直流调速系统模型
在图2界面中选择本实验后，点击运行按钮，仿真实验系统自动调出本实验模型，进行仿真可以得到转速与电流波形如图5与图6。

仿真波形将整个双闭环直流调速系统动态过程清晰明了的绘制出来。

起动过程经历了建流(0-0.02s)、恒流升速(0.02-0.35s)、退饱和超调(0.35-0.5s)，最后达到稳定运行的稳态值(0.5s之后)。

图5电流仿真波形图6转速仿真波形
运行按钮回调函数举例如下：
function pushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)
global mdl;
mdl='shiyan3';
h=waitbar(0,'please wait...');%设置进度条
for i=1:1000
waitbar(i/1000)
end
close(h)
open_system(mdl);
4.结论
通过MATLAB/GUIDE（图形用户界面设计）设计的运动控制系统仿真实验平台，对各种调速系统进行建模、仿真，可以清晰、明了的模拟各种调速实验项目，输出可供分析的各种波形。

实验平台的制作使学生对系统的认识提高，掌握系统分析、数学建模、仿真的整个知识，仿真波形的分析使学生更容易理解诸如转速、电流、电压、转矩等运动控制系统的过渡过程问题，达到对理论知识的深化，起到辅助教学的作用。

参考文献:
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.机械工业出版社,2010
[2]潘晓晟,赫世勇.m a t l a b电机仿真精华50例.电子工业出版社2007
[3]邱晓林.基于Ma t l a b的动态模型与系统仿真.西安交通大学出版社2003。