摘 要：集成自動控制系統(tǒng)常用的分析方法,，在Matlab的基礎(chǔ)上開發(fā)軟件系統(tǒng),，可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行時域、根軌跡與頻域的分析,。該軟件不僅可以作為自動控制原理課程教學(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)際自動控制系統(tǒng)的軟件環(huán)境，避開學(xué)習(xí)Matlab,，將更多的精力用于工程實(shí)踐上,。
關(guān)鍵詞：自動控制系統(tǒng),；分析軟件； Matlab

　　對于實(shí)際的自動控制系統(tǒng)來說,，無論用于分析還是設(shè)計(jì),，都不可避免地要對其進(jìn)行計(jì)算與作圖。在經(jīng)典的控制理論中,，時域,、根軌跡與頻域的分析方法各有千秋，很多開發(fā)環(huán)境中也有相關(guān)的算法程序,，比如Matlab[1],。Matlab是美國MathWorks公司開發(fā)的一種跨平臺的用于矩陣數(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,，編程風(fēng)格接近數(shù)學(xué)語言描述,，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)上開發(fā)的程序不依賴于計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)類型,。但是要利用這些算法進(jìn)行分析自動控制系統(tǒng)時，哪怕只是一個簡單的自控系統(tǒng)對象,，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軟件環(huán)境里,，那么無論是在自動控制原理課程教學(xué)中,，還是實(shí)際的工程應(yīng)用中，都能給使用者帶來極大的方便,。
　　對此類分析軟件的開發(fā),，過去為了充分利用C++Builder或Visual C++等可視化編程環(huán)境在開發(fā)可視化界面的優(yōu)勢和Matlab在繪圖方面的強(qiáng)大功能以及豐富的數(shù)學(xué)算法庫，常常采用二者進(jìn)行混合編程[2-6],。但是無論采用何種接口方式,，程序運(yùn)行的速度都很難令人滿意。尤其是混合編程會忽略Matlab中的任何錯誤,，這對調(diào)試程序非常不利,，嚴(yán)重影響開發(fā)的進(jìn)度。
　　最近幾年,，隨著Matlab的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUI（Graphical User Interface）的不斷完善,，其在開發(fā)交互式用戶界面上的可操作性幾乎能夠同目前流行的Visual C++、C++  Builder等開發(fā)環(huán)境比擬,。雖然Matlab圖形用戶界面編程環(huán)境中可供選的控件數(shù)量還不是很多,，但是對于開發(fā)常規(guī)的實(shí)用分析軟件來說，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發(fā)周期,。
　　本自動控制系統(tǒng)輔助分析軟件（ACAAS）是在Matlab 7.1的基礎(chǔ)上開發(fā)的，它集成了自動控制系統(tǒng)常用的分析方法,，可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行時域,、根軌跡與頻域的分析。
1 Matlab GUI
 　　在Matlab中有一個guide工具[7],，即Matlab的圖形用戶界面GUI的開發(fā)環(huán)境,，該工具使編程者可以通過選擇與布局GUI控件來生成GUI應(yīng)用，并對所選擇的控件進(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開發(fā)環(huán)境,。
1.2 guide控件
　　Matlab的GUI開發(fā)環(huán)境中可供選擇的主要控件如表1所示,。

 　   當(dāng)用戶需要用到某種控件時,，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”開發(fā)環(huán)境,，選擇相關(guān)的控件,，并調(diào)整好各個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,，同時系統(tǒng)會自動生成該圖形界面文件對應(yīng)的“.m”文件,；
　　 (5)在 “.m”文件編寫控件的回調(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),，每個主菜單下都有相關(guān)的子菜單,，用戶可以根據(jù)需要在各個功能菜單中方便地進(jìn)行切換。在輸入系統(tǒng)模型時,，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，用戶還可以在該文本框中看到此自動控制系統(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，用戶可以對分析結(jié)果進(jìn)行保存與打印,，也可以打開以前保存的結(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,，用戶可以根據(jù)已知的自動控制系統(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,，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');
　　　　　　　　　　　　%用戶輸入提示
　　fmtData ={'輸入數(shù)據(jù)時,，兩個數(shù)之間請用空格分隔符,！'  '若為復(fù)數(shù)時，請按如下格式輸入：  -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,，分析自動控制系統(tǒng)性能的方法有時域法、頻域法和根軌跡法[9],。在時域法中系統(tǒng)常見的輸入信號為單位階躍與脈沖信號,，對應(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、對數(shù)幅頻特性曲線和對數(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)的方法對自動控制系統(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'));
　　　　　　　　　　　%將字符串類型轉(zhuǎn)化為數(shù)字型
　　k=str2num(K);
　　z=str2num(Z);
　　p=str2num(P);
　　　　　　　　　　　%提示輸入錯誤
　　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),，用戶可以得到所選擇的分析方法所對應(yīng)的單道分析曲線,，如圖5所示。為了方便用戶對不同的自動控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行對比分析,，該軟件還為用戶提供了“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控制系統(tǒng)的分析曲線。對時域法,、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?jiān)谕环N分析方法下使用,！','提示');
   　　　　　　end   
　　end
 　　……
　　圖6是3個放大系數(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)行開發(fā),，充分利用了Matlab中集成的關(guān)于自動控制系統(tǒng)的性能分析算法庫和強(qiáng)大的繪圖功能，特別是由于自動控制系統(tǒng)的性能分析算法庫與GUI開發(fā)工具均屬于Matlab軟件,，因此用戶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發(fā)周期。與傳統(tǒng)的采用混合編程模式開發(fā)的同類型軟件系統(tǒng)相比,，該軟件易于維護(hù)與升級,，在運(yùn)行時間上其優(yōu)勢更加突出。
　　采用ACAAS,，用戶可以十分方便地分析自動控制系統(tǒng)的時域,、根軌跡與頻域性能，并在“單幅多道圖”中對不同系統(tǒng)之間進(jìn)行性能比較，為下一步進(jìn)行自動控制系統(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間用于Matlab的學(xué)習(xí)就可以對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,，能夠?qū)⒏嗟木τ糜诠こ虒?shí)踐與應(yīng)用上,。
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