基于MATLAB图形用户界面的运动控制系统仿真实验平台设计

摘要 运动控制系统作为自动化专业、机电一体化专业等本、专科专业的核心课程，是电机与拖动、电力电子技术、模拟电子技术、自动控制理论、计算机控制技术等课程的综合应用，其在工业现场中的实际应用非常广泛，是一门综合性非常强、理论与实际结合紧密的课程。 本文应用MATLAB图形用户界面的开发环境GUIDE设计开发出界面友好、功能完善的图形用户界面，使学生绕开艰涩的硬件编程和繁琐的软件设计，集中精力于控制器结构的设计和参数整定，为学生进行开放性、设计性实验提供有力基础。图形用户界面还能记录实验数据，以便观察系统的历史趋势曲线，对控制过程进行分析。由于各实验相互独立，且Windows操作系统以及MATLAB软件均支持开放性的接口标准，使得本平台具有良好的扩展性、开放性。在高校实验室可持续建设中具有的重要作用，为今后的实验开发以及理论研究提供了一个事半功倍的工具。 ??? 关键字：运动控制系统；图形用户界面；GUI；MATLAB；实验平台 课题研究及论文的主要内容 本课题以运动控制实物控制系统为研究对象，基于Matlab设计出实验与实时控制统一的实验平台。实验平台上依托Matlab强大的数值计算及数字仿真功能，可以完成控制系统模型分析、综合设计、仿真研究和在线分析整个过程，满足验证性、开放性、设计性等不同层次实验的要求，为设计开发远程实验平台打下基础。 实验平台即进行实验的软、硬件环境。为此，课题进行了实验平台的硬件设计和软件设计。其中硬件设计即基于当前的运动控制系统及接口板卡编写硬件的驱动程序。软件设计即开发友好的图形用户界面（Graph User Interface，GUI）。GUI的设计基于Matlab的GUIDE开发环境，采用面向对象的编程技术，使实验者可以通过简单的鼠标拖放及参数修改完成仿真实验，也可以通过软件接口输入简单的代码进行算法分析，提高学生实验的参与性。 课题基于该平台设计的基础实验，涉及运动控制控制的典型控制策略。通过这些实验，可以有效验证平台的运行效果。学生通过实验还可以了解运动控制控制研究的意义、运动控制硬件配置结构、硬件在回路仿真的开发流程和重要性，并且掌握如何建立运动控制的数学模型、如何利用自己在课堂上学到的知识实现自己的控制策略、如何根据实验现象和实验数据修改控制参数等开发一个控制系统的基本步骤。 1.3.2课题研究中面临的问题及工作重点 本课题意在开发方便、灵活、学生易于上手的开放性、设计性实验平台，虽然针对的是具体的板卡及控制对象，但是所采用的方案对于其他的板卡及被控对象有一定的通用性，希望本文的研究内容为实现类似的系统提高一个可供参考的途径。 平台开发过程中面临的问题主要有： ①如何在常用的Windows操作系统的环境下，应用Matlab的强大仿真功能，驱动外部硬件设备； ②如何保证系统的实时性，以满足像运动控制这样对实时性要求很高的对象的控制要求； ③如何设计界面友好、功能完善的GUI，使学生实验时能够绕过繁琐的程序设计，将书本的控制理论融汇到实际当中，并且留出适当接口，加入学生自己的算法思想； ④如何合理安排GUI回调函数的程序结构，使程序结构清晰，便于阅读，易于扩展； ⑤如何设计基于本平台的运动控制的自动控制实验，不仅能有效检验平台的运行效果，还可以在一定程度上满足学生基础实验的要求。