摘 要：集成自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的分析方法，在Matlab的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)，可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域、根軌跡與頻域的分析。該軟件不僅可以作為自動(dòng)控制原理課程教學(xué)強(qiáng)有力的補(bǔ)充，還可以為工程技術(shù)人員提供友好的分析實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件環(huán)境，避開(kāi)學(xué)習(xí)Matlab，將更多的精力用于工程實(shí)踐上。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng)；分析軟件； Matlab

　　對(duì)于實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)論用于分析還是設(shè)計(jì)，都不可避免地要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與作圖。在經(jīng)典的控制理論中，時(shí)域、根軌跡與頻域的分析方法各有千秋，很多開(kāi)發(fā)環(huán)境中也有相關(guān)的算法程序，比如Matlab[1]。Matlab是美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的一種跨平臺(tái)的用于矩陣數(shù)值計(jì)算和可視化編程軟件，該軟件中匯集了當(dāng)前最新的數(shù)學(xué)算法庫(kù)，編程風(fēng)格接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述，計(jì)算精度高，尤其在繪圖方面功能十分強(qiáng)大，并且在Matlab基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的程序不依賴(lài)于計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)類(lèi)型。但是要利用這些算法進(jìn)行分析自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，哪怕只是一個(gè)簡(jiǎn)單的自控系統(tǒng)對(duì)象，使用者都必須熟悉Matlab的編程環(huán)境并進(jìn)行代碼的編制，這大大影響了學(xué)習(xí)與工作的效率。如果能夠把所有方法集成到一個(gè)軟件環(huán)境里，那么無(wú)論是在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中，還是實(shí)際的工程應(yīng)用中，都能給使用者帶來(lái)極大的方便。
　　對(duì)此類(lèi)分析軟件的開(kāi)發(fā)，過(guò)去為了充分利用C++Builder或Visual C++等可視化編程環(huán)境在開(kāi)發(fā)可視化界面的優(yōu)勢(shì)和Matlab在繪圖方面的強(qiáng)大功能以及豐富的數(shù)學(xué)算法庫(kù)，常常采用二者進(jìn)行混合編程[2-6]。但是無(wú)論采用何種接口方式，程序運(yùn)行的速度都很難令人滿(mǎn)意。尤其是混合編程會(huì)忽略Matlab中的任何錯(cuò)誤，這對(duì)調(diào)試程序非常不利，嚴(yán)重影響開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。
　　最近幾年，隨著Matlab的圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)環(huán)境GUI（Graphical User Interface）的不斷完善，其在開(kāi)發(fā)交互式用戶(hù)界面上的可操作性幾乎能夠同目前流行的Visual C++、C++  Builder等開(kāi)發(fā)環(huán)境比擬。雖然Matlab圖形用戶(hù)界面編程環(huán)境中可供選的控件數(shù)量還不是很多，但是對(duì)于開(kāi)發(fā)常規(guī)的實(shí)用分析軟件來(lái)說(shuō)，這些已經(jīng)足夠了。而且Matlab中已經(jīng)包含了很多數(shù)學(xué)算法與繪圖函數(shù)，大大縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期。
　　本自動(dòng)控制系統(tǒng)輔助分析軟件（ACAAS）是在Matlab 7.1的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它集成了自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的分析方法，可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域、根軌跡與頻域的分析。
1 Matlab GUI
 　　在Matlab中有一個(gè)guide工具[7]，即Matlab的圖形用戶(hù)界面GUI的開(kāi)發(fā)環(huán)境，該工具使編程者可以通過(guò)選擇與布局GUI控件來(lái)生成GUI應(yīng)用，并對(duì)所選擇的控件進(jìn)行名字、顏色與文本等屬性的編輯。
1.1 guide工具
 　　在Matlab主窗口中點(diǎn)擊“guide”快捷方式，或者在命令行輸入“guide”，均可進(jìn)入Matlab的GUI開(kāi)發(fā)環(huán)境。
1.2 guide控件
　　Matlab的GUI開(kāi)發(fā)環(huán)境中可供選擇的主要控件如表1所示。

 　   當(dāng)用戶(hù)需要用到某種控件時(shí)，只需要用鼠標(biāo)選中該控件，然后在如圖1所示的設(shè)計(jì)區(qū)點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可產(chǎn)生此控件。雙擊控件，進(jìn)入“Property Inspector”，可以編輯控件的顏色、名稱(chēng)等屬性。在控件上單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出菜單中選擇“View Callback”-“Callback”，可以對(duì)控件的觸發(fā)事件進(jìn)行編程。

1.3 編程步驟
　　 (1)確定需要在GUI中實(shí)現(xiàn)的功能以及每部分功能要用到的函數(shù)；
 　　(2)進(jìn)入“guide”開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇相關(guān)的控件，并調(diào)整好各個(gè)功能模塊的合理布局；
　　 (3)根據(jù)需要改變控件的屬性，如字體、顏色等；
　　 (4)保存“.fig”文件，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成該圖形界面文件對(duì)應(yīng)的“.m”文件；
　　 (5)在 “.m”文件編寫(xiě)控件的回調(diào)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。
2 輔助分析軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 ACAAS 軟件主要功能模塊
　　ACAAS軟件的主要功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。  

2.2系統(tǒng)主界面
　　該ACAAS系統(tǒng)主要包括自動(dòng)控制系統(tǒng)模型輸入與系統(tǒng)分析，可以以單幅圖和單幅多道圖的形式對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行顯示。主菜單中包括“文件”、“模型輸入”、“分析方法”、“繪圖方式”等選項(xiàng)，每個(gè)主菜單下都有相關(guān)的子菜單，用戶(hù)可以根據(jù)需要在各個(gè)功能菜單中方便地進(jìn)行切換。在輸入系統(tǒng)模型時(shí)，其下面的文本框中顯示輸入的提示信息；而分析結(jié)果的圖形得到后，用戶(hù)還可以在該文本框中看到此自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的閉環(huán)極點(diǎn)情況，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的信息。在“文件”菜單中，用戶(hù)可以對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行保存與打印，也可以打開(kāi)以前保存的結(jié)果。主界面如圖3所示。

2.3系統(tǒng)模型輸入
　　系統(tǒng)給用戶(hù)提供了3種模型輸入形式[8]：零極點(diǎn)形式、反饋控制結(jié)構(gòu)形式、分子分母多項(xiàng)式形式，用戶(hù)可以根據(jù)已知的自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)，在“系統(tǒng)模型”菜單項(xiàng)中選擇最方便的輸入形式。在零極點(diǎn)模型輸入時(shí)，系統(tǒng)的零極點(diǎn)可能為復(fù)數(shù)，按“-5+2j”的形式輸入即可。而反饋控制結(jié)構(gòu)模型和分子分母多項(xiàng)式模型中，輸入?yún)?shù)均為實(shí)數(shù)。模型輸入界面如圖4所示。

　　圖4中，由反饋控制結(jié)構(gòu)多項(xiàng)式系統(tǒng)形式輸入的自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：
　　　

 　　而由閉環(huán)多項(xiàng)式系數(shù)模型與閉環(huán)零極點(diǎn)模型輸入的自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分別為：
　　

　　以零極點(diǎn)模型輸入界面為例，下面是主要的程序代碼。
 　   function ZPMenuItem_Callback(hObject, eventdata, handles)
　　global MdlValue        %定義全局變量
　    MdlValue=1;       　　%定義模型控制字：1-零極點(diǎn)模型，2-多項(xiàng)式模型，3-反饋控制結(jié)構(gòu)模型
　　　　　　　　　　　%顯示零極點(diǎn)模型的輸入部件組
　　set(findobj(gcf,'Tag','MDLuipanel'),'Title','閉環(huán)零極點(diǎn)模型');
　　set(findobj(gcf,'Tag','text1'),'Visible','off');
　　set(findobj(gcf,'Tag','text3'),'Visible','on');
　　set(findobj(gcf,'Tag','text2'),'Visible','on');
　　set(findobj(gcf,'Tag','text4'),'Visible','on');
　　set(findobj(gcf,'Tag','GFZedit'),'Visible','off');
　　set(findobj(gcf,'Tag','HFZedit'),'Visible','on');
　　set(findobj(gcf,'Tag','GFMedit'),'Visible','on');
　　set(findobj(gcf,'Tag','HFMedit'),'Visible','on');
　　　　　　　　　　　　%給零極點(diǎn)模型的輸入部件的文本屬性或編輯框內(nèi)容賦值
　　set(findobj(gcf,'Tag','text2'),'String','增益：');
　　set(findobj(gcf,'Tag','text3'),'String','零點(diǎn)：');
　　set(findobj(gcf,'Tag','text4'),'String','極點(diǎn)：');
　　set(findobj(gcf,'Tag','GFMedit'),'String','10');
　　set(findobj(gcf,'Tag','HFZedit'),'String','-1 -2');
　　set(findobj(gcf,'Tag','HFMedit'),'String','-3 -4 -5');
　　　　　　　　　　　　%用戶(hù)輸入提示
　　fmtData ={'輸入數(shù)據(jù)時(shí)，兩個(gè)數(shù)之間請(qǐng)用空格分隔符！'  '若為復(fù)數(shù)時(shí)，請(qǐng)按如下格式輸入：  -5+2j'  '注意 j 的位置不可與2交換！' };
　　Mstring=sprintf('%s\n%s\n%s\n',fmtData{1},fmtData{2},fmtData{3});      
　　set(findobj(gcf,'Tag','SMedit'),'String',Mstring) 
2.4 分析方法設(shè)計(jì)
　　在經(jīng)典的控制理論中，分析自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的方法有時(shí)域法、頻域法和根軌跡法[9]。在時(shí)域法中系統(tǒng)常見(jiàn)的輸入信號(hào)為單位階躍與脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果可以在該軟件中顯示。頻域法中表示系統(tǒng)頻率特性的圖形有奈氏圖、對(duì)數(shù)幅頻特性曲線和對(duì)數(shù)相頻特性曲線。這些方法都可以在菜單“分析方法”中進(jìn)行選擇。利用結(jié)果顯示曲線，可以用相應(yīng)的方法對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。
　　以根軌跡分析為例，下面是主要的程序代碼。
　　function GMenuItem_Callback(hObject, eventdata, handles)
　　global MdlValue TxValue Fxtag FxValue      
        　　　　　　　　　　　　　　   %聲明全局變量
　　FxValue=3;                    %1-階躍響應(yīng)，2-脈沖響應(yīng)，3-根軌跡，4-奈氏圖
　　……
　　switch MdlValue          %判斷模型輸入方式
　　　　case 1                   %1-零極點(diǎn)模型
　　　　　　　　　　　   %讀入模型參數(shù)
　　K=(get(findobj(gcf,'Tag','GFMedit'),'String'));
　　Z=(get(findobj(gcf,'Tag','HFZedit'),'String'));
　　P=(get(findobj(gcf,'Tag','HFMedit'),'String'));
　　　　　　　　　　　%將字符串類(lèi)型轉(zhuǎn)化為數(shù)字型
　　k=str2num(K);
　　z=str2num(Z);
　　p=str2num(P);
　　　　　　　　　　　%提示輸入錯(cuò)誤
　　if isempty(k)==1|isempty(p)==1;  %零點(diǎn)z可以為空  errordlg('輸入?yún)⒘坎环弦?#39;,'錯(cuò)誤');
　　else
　　　　axes(handles.axes1);              %選擇繪圖部件
　　　　G=zpk(z,p,k);                      %生成傳遞函數(shù)

　　　　rlocus(G);                           %畫(huà)根軌跡
　　　　sgrid;
　　　　 ……
　　end
 　　　　case 2       ……
　　　　 case 3  ……
2.5 繪圖方式設(shè)計(jì)
　　使用ACAAS系統(tǒng)，用戶(hù)可以得到所選擇的分析方法所對(duì)應(yīng)的單道分析曲線，如圖5所示。為了方便用戶(hù)對(duì)不同的自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行對(duì)比分析，該軟件還為用戶(hù)提供了“單幅多道圖” 的繪圖形式，即在同一坐標(biāo)系下繪制多條不同的自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析曲線。對(duì)時(shí)域法、頻域法和根軌跡法，均可以采用此種繪圖方式。從“單幅多道圖”中能夠很容易看出某一參數(shù)的變化及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

　　下面是主要的程序代碼。
　　……
　　switch TxValue 
  　　　　case 1                %單道圖
　　　　　　　axes(handles.axes1);
　　          cla;
　　　　  case 2                 %多道圖
　　　　　　　if Fxtag==FxValue 
　　　　　　　axes(handles.axes1);
　　　　　　　hold on
　　　　　　　else           
　　warndlg('請(qǐng)?jiān)谕环N分析方法下使用！','提示');
   　　　　　　end   
　　end
 　　……
　　圖6是3個(gè)放大系數(shù)不同的自控系統(tǒng)Φ(s)的單位階躍響應(yīng)曲線，利用該圖可以立刻得到放大系數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，即：隨著放大系數(shù)的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減少，但是超調(diào)增大，震蕩加劇。其中
　　

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)輔助分析軟件（ACAAS）采用Matlab7.1中的GUI環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，充分利用了Matlab中集成的關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能分析算法庫(kù)和強(qiáng)大的繪圖功能，特別是由于自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能分析算法庫(kù)與GUI開(kāi)發(fā)工具均屬于Matlab軟件，因此用戶(hù)輸入與分析算法之間的接口變得十分容易，大大縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期。與傳統(tǒng)的采用混合編程模式開(kāi)發(fā)的同類(lèi)型軟件系統(tǒng)相比，該軟件易于維護(hù)與升級(jí)，在運(yùn)行時(shí)間上其優(yōu)勢(shì)更加突出。
　　采用ACAAS，用戶(hù)可以十分方便地分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域、根軌跡與頻域性能，并在“單幅多道圖”中對(duì)不同系統(tǒng)之間進(jìn)行性能比較，為下一步進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下良好的理論基礎(chǔ)。該軟件不僅可以作為《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)強(qiáng)有力的補(bǔ)充，并且在Matlab仿真環(huán)境與自動(dòng)控制工程設(shè)計(jì)人員之間搭起了一座橋梁，使他們不必花大量的時(shí)間用于Matlab的學(xué)習(xí)就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，能夠?qū)⒏嗟木τ糜诠こ虒?shí)踐與應(yīng)用上。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐明遠(yuǎn).Matlab仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用[M].  西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.
[2] 劉維.精通MATLAB與C/C++混合程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
[3] 邢輝.基于C++ Builder和MATLAB混合編程的仿真應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2005(10).
[4] 張寶利.從Matlab版本間差異看VC與Matlab混合編程趨勢(shì)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,29(02).
[5] 彭博棟.VC6.0與MATLAB7.X混合編程方法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2008,36(09).
[6] 黃金明. VC++與MATLAB的混合編程研究[J]. 電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2008,21(10).
[7] CHAPMA S J. Matlab programming for engineers[M]. Beijing: Science Press, 2003.
[8] 薛定宇. 反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2000.
[9] 黃堅(jiān).自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2004.