朱鵬遠(yuǎn)

(昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100)

基于MaLtab GUI的分離式雙容液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱鵬遠(yuǎn)

(昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100)

圖形用戶界面(Graphical User Interfaces，GUI)是人與計(jì)算機(jī)(程序)之間進(jìn)行交互的工具和方法，用戶可以通過鼠標(biāo)或者鍵盤來選擇、激活這些圖形對象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動作和變化，如計(jì)算、繪圖、輸出動畫等，與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受［1］。本文介紹如何通過MatLab GUIDE功能結(jié)合simulink實(shí)現(xiàn)分離式雙容液位控制。

MatLab GUI;simulink;PID;參數(shù)整定

1 引言

在自動控制或其相關(guān)的課程中，傳統(tǒng)的教學(xué)教學(xué)模式都是通過黑板講授或PPT顯示圖片的形式實(shí)現(xiàn)，內(nèi)容單一、枯燥，很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Simulink提供一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)。如果再聯(lián)合GUIDE的面向?qū)ο罂梢暬幊?，可以說是錦上添花!將Simulink融入到GUIDE中可以方便模型的終端用戶，很容易直接可視化的操控模型參數(shù)和顯示仿真結(jié)果，而此時(shí)并不需要進(jìn)入Simulink環(huán)境。

2 構(gòu)建simulink模型

該部分我們構(gòu)建一個(gè)simulink模型以方便在后面的GUIDE中使用，現(xiàn)在我們以一個(gè)簡單的“分離式雙容液位過程”為例吧?！胺蛛x式雙容液位過程”如下圖1所示，圖2為該液位過程的過程模型。

在simulink設(shè)置中，輸入和輸出分別選用Sources模塊下的step和Commonly Used Blocks模塊下的out1，并設(shè)置step的Final Value為位置參數(shù)sv;并選中Configuration Parameters－－Data Import/Export－－Save to workspace中的Time和Output屬性。設(shè)過程參數(shù)，上位水箱:K0=1，T0=2.53;下位水箱:K0= 0.9，T0=1.8，系統(tǒng)設(shè)定值SV=20。本仿真系統(tǒng)運(yùn)行30S，在10S時(shí)增加一個(gè)設(shè)定值(sv)2%的白噪音擾動信號。

圖1 分離式雙容液位控制過程

圖2 過程模型

PID控制器和disturb均采用封裝的形式，其中PID控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PID控制器

3 創(chuàng)建GUI界面

3.1 Description

guide displays the GUI Layout Editor open to a new untitled FIG－file.guide(＇filename.fig＇)opens the FIG－file named filename.fig.You can specify the path to a file not on your MATLAB path.guide(＇figure_handles＇)opens FIG－files in the Layout Editor for each existing figure listed in figure_handles.MATLAB copies the contents of each figure into the FIG－file，with the exception of axes children(image，light，line，patch，rectangle，surface，and text objects)，which are not copied。［2］

3.2 創(chuàng)建GUI界面

首先打開Matlab，在Command Window中輸入guide回車打開GUIDE Quick Start界面;當(dāng)然你也可以通過工具欄的GUIDE按鈕直接打開。在GUIDE Quick Start界面上有兩個(gè)標(biāo)簽:“Creat New GUI”和“Open Existing GUI”，選擇“Creat New GUI”標(biāo)簽下的“Blank GUI(Default)”(空白GUI)，點(diǎn)擊OK，正式進(jìn)入GUIDE界面。在此界面下按照圖4添加相應(yīng)模塊。

圖4 Guide界面

本GUI包含一個(gè)Axes控件、三個(gè)Push Button控件、五個(gè)Edit Text控件和九個(gè)Static Text控件。

3.3 設(shè)置控件屬性

雙擊相應(yīng)控件，打開Property Inspector對話框，更改控件屬性。主要更改的幾個(gè)屬性有:"string"、" fontsize"、"Tag"等，此設(shè)置方式和VB中的控件屬性設(shè)置較為相像。

3.4 書寫GUI回調(diào)函數(shù)(callback)代碼

在保存GUI程序時(shí)，Matlab會自動生成.fig和.m文件，其中的.m就是我們現(xiàn)在要操作的對象。在M文件中添加控件的回調(diào)函數(shù)，即:相應(yīng)用戶的操作!這也是GUI編程的核心內(nèi)容，這就要求我們必須掌握Matlab基本編程以及圖形句柄(handles)語句!［3］

由于函數(shù)有自己的狀態(tài)空間(不是Base Workspace)，因此在函數(shù)中使用sim()函數(shù)進(jìn)行模型仿真時(shí)，即使你在函數(shù)中定義了模型的必要參數(shù)，但是這些參數(shù)只存在于函數(shù)狀態(tài)空間中，模型在仿真是沒法獲取。由于函數(shù)狀態(tài)空間和基本狀態(tài)空間的變量和數(shù)據(jù)不兼容，這大大增加了我們在GUI中調(diào)用simulink的難度。還好Simulink中提供的simset()函數(shù)，我們可以將Simulink設(shè)置為從當(dāng)前工作空間運(yùn)行。

Simset Description:The simset command creates a structure called options，in which the named simulation parameters and solver properties have specified values.All unspecified parameters and properties take their default values.It is only necessary to enter enough leading characters to uniquely identify the parameter or property.Case is ignored for parameters and properties.options=simset(property，value，...)sets the values of the named properties and stores the structure in options.［4］

3.5 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

本文的參數(shù)整定采用實(shí)驗(yàn)湊試法，實(shí)驗(yàn)湊試法是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。

整定步驟:實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。

(1)整定比例控制:將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

(2)整定積分環(huán)節(jié):若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟(1)中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。

(3)整定微分環(huán)節(jié):若經(jīng)過步驟(2)，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果，本次實(shí)驗(yàn)仿真其調(diào)節(jié)器參數(shù)Kp=20，Ki=1，Kd=8。

3.6 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真結(jié)果如圖5所示:

圖5 Gui仿真界面圖

通過仿真結(jié)果顯示可以看出:系統(tǒng)超調(diào)量較小(低于5%)，在10S時(shí)加入了2%*sv的白噪音干擾后的穩(wěn)態(tài)誤差也很小，各項(xiàng)性能指標(biāo)均較好。

3.7 部分回調(diào)函數(shù)(callback)代碼

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于MatLab GUI的pid仿真系統(tǒng)，以分離式雙容液位過程為例，通過GUI界面形象的展示了各參數(shù)之間關(guān)系及顯示控制結(jié)果，既發(fā)揮了MatLab GUI界面逼真、直觀的特點(diǎn)，又結(jié)合了Simulink適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等。

［1］羅建軍楊琦.精講多練MATLAB(第2版)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2010.

［2］MATLAB Function Reference，MATLAB7.0(doc guide)

［3］http://www.ilovematlab.cn/

［4］MATLAB Function Reference，MATLAB7.0(doc simset)

TP13

A

1671－6469(2012)01－0089－04

2011－11－06

朱鵬遠(yuǎn)(1982－)，男，陜西省西安市人，昌吉學(xué)院物理系，助教，研究方向:測控技術(shù)與儀器。

(責(zé)任編輯:馬海燕)