圖形界面什么意思 [MATLAB圖形界面開發(fā)技術(shù)及在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用]

　　摘要：本文對 MATLAB圖形界面開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了全面的研究,具體論述了圖形窗口、菜單、對話框和回調(diào)函數(shù)的設(shè)計方法及其編程技巧, 利用 Matlab軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計,并通過 GUI界面 (圖形用戶界面 ) 實現(xiàn)交互式系統(tǒng)設(shè)計計算平臺。
　　關(guān)鍵詞：MATLAB；圖形界面；時域分析； 頻域分析
　　中圖分類號：TP1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　
　　1人機界面GUI介紹
　　圖形用戶界面（Graphical User Interfaces ，GUI）是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對象（Objects）構(gòu)成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計算機產(chǎn)生某種動作或變化，比如實現(xiàn)計算、繪圖等。用戶圖形界面（GUI）是程序的圖形化界面。一個好的GUI 能夠使程序更加容易的使用。它提供用戶一個常見的界面，還提供一些控件，例如，按鈕，列表框，滑塊，菜單等。用戶圖形界面應(yīng)當(dāng)是易理解且操作是可以預(yù)告的，所以當(dāng)用戶進(jìn)行某一項操作，它知道如何去做。例如，當(dāng)鼠標(biāo)在一個按鈕上發(fā)生了單擊事件，用戶圖形界面初始化它的操作，并在按鈕的標(biāo)簽上對這個操作進(jìn)行描述。
　　通過在MATLAB的命令行窗口中輸入GUIDE指令即可打開GUI編輯窗口(也可以通過選擇文件――>新建――>gui進(jìn)入到GUI編輯窗口)，如圖1所示：
　　
　　2平臺功能實現(xiàn)
　　2.1環(huán)境介紹
　　該界面主要由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、控件欄和繪圖窗口組成。
　　本平臺所要實現(xiàn)的功能主要是：根據(jù)用戶的要求對給定的系統(tǒng)進(jìn)行時域分析，根軌跡分析和頻域分析，用戶可以即時的輸入和改變系統(tǒng)的參數(shù)，然后通過各種響應(yīng)曲線來觀察和分析系統(tǒng)在不同參數(shù)和輸入信號的作用下，系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性�；�于此，人機界面應(yīng)包括以下操作項：系統(tǒng)參數(shù)輸入框，各種響應(yīng)曲線選項（此系統(tǒng)主要是階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)），系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，附加零點或附加極點對二階連續(xù)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的影響，根軌跡曲線，系統(tǒng)頻率特性分析。
　　2.2模塊介紹
　　據(jù)此可設(shè)計四大模塊：系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊（System Parameters），時域響應(yīng)模塊(Time Domain Response)，根軌跡分析模塊(Root Locus Analysis)，頻域響應(yīng)模塊(Frequency Domain Response)。
　　其中，系統(tǒng)參數(shù)模塊由三個靜態(tài)文本和兩個文本編輯框組成，一個文本框用于輸入分子，另一個用于輸入分母，它的輸入是以分子、分母系數(shù)降冪次形式實現(xiàn)的。通過此模塊就可以確定任一個系統(tǒng)。
　　時域響應(yīng)模塊由一個靜態(tài)文本和兩個按鈕組成，兩個按鈕分別實現(xiàn)兩種響應(yīng)曲線的輸出，由于在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，常采用典型響應(yīng)特性來描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以此模塊用一個按鈕來實現(xiàn)階躍響應(yīng)，另一個來實現(xiàn)脈沖響應(yīng)，該系統(tǒng)使用直接計算的方法，即直接用有關(guān)的函數(shù)計算輸出相應(yīng)，此模塊用的就是step和impulse函數(shù)，通過得到的響應(yīng)曲線，根據(jù)系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。
　　頻域響應(yīng)模塊同樣是由一個靜態(tài)文本和兩個按鈕組成，一個按鈕用于生成系統(tǒng)的伯德圖，另一個按鈕用于生成系統(tǒng)的奈奎斯特圖，伯德圖使用兩張圖來描述系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。其中一張圖描述系統(tǒng)輸出與輸入振幅之比與頻率的關(guān)系，稱為幅頻圖，另一張圖描述系統(tǒng)輸出與輸入相位差與頻率的關(guān)系，稱為相頻圖，通過綜合兩種曲線即可獲得系統(tǒng)的諧振振幅、諧振頻率和相位角等系統(tǒng)指標(biāo)。
　　最后一個模塊就是根軌跡模塊，該模塊是通過對開環(huán)系統(tǒng)的零極點分布來求取閉環(huán)系統(tǒng)的零極點，并分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性和其他性能指標(biāo)的方法，通過生成的根軌跡曲線，再結(jié)合根軌跡分析法的原理即可方便的對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，比如，根軌跡與虛軸的交點是具有臨界穩(wěn)定性能的閉環(huán)極點，因此，可以據(jù)此確定系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定的邊界。用零極點圖來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性也很方便，即開環(huán)的極點全部落在s平面的左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)計算及設(shè)計平臺界面如圖2所示：
　　
　　通過該圖形用戶界面，可以很容易的對這個虛擬實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和要實現(xiàn)的功能有一個非常清晰的認(rèn)識。
　　3實例分析
　　3.1時域分析模塊
　　時域響應(yīng)模塊根據(jù)給定的模型生成各種時域響應(yīng)曲線，以便根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線來直觀的分析系統(tǒng)各方面的性能。本系統(tǒng)主要設(shè)置了兩種響應(yīng)曲線即典型的階躍響應(yīng)曲線和脈沖響應(yīng)曲線。因此該模塊設(shè)計兩個Push Button按鈕來達(dá)到這種功能。
　　階躍響應(yīng)如圖3所示。鼠標(biāo)置于圖形上，右擊鼠標(biāo)，在快捷菜單中選擇Grid(網(wǎng)格)功能也可以給圖形添加網(wǎng)格線。鼠標(biāo)置于Characteristics(特性)項，在子菜單中選擇Peak Response(響應(yīng)峰值)、Settling Time(調(diào)整時間)、Rise Time(上升時間)和Steady State(穩(wěn)態(tài)值)，MATLAB將在響應(yīng)曲線上標(biāo)出這些點的位置。將鼠標(biāo)置于響應(yīng)曲線的任意位置，單擊，MATLAB都將顯示與該點對應(yīng)的時間及響應(yīng)值。完整的階躍響應(yīng)曲線如圖所示。從該階躍響應(yīng)曲線中我們可以清楚的看到該系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)，如上升時間為0.689(sec);超調(diào)量為31.5%；過度過程時間為5.49（sec）。
　　
　　同理單擊Impulse按鈕就會生成該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)曲線，如圖4所示：
　　
　　從該圖中我們可以看出，脈沖響應(yīng)的性能指標(biāo)有峰值和峰值時間、過渡過程時間等。該系統(tǒng)的峰值為0.0636,峰值時間為7.36；過度過程時間為32.2。
　　實現(xiàn)此功能所用的程序指令為：
　　clc;
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘step’,G);
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘impulse’,G);
　　3.2頻域分析模塊
　　控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)時控制系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)特性�？刂葡到y(tǒng)的頻率響應(yīng)也是反映控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的定性指標(biāo)。雖然頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)之間的相互關(guān)系是間接的，但可以從系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)和所需動態(tài)特性，分析和提出改進(jìn)系統(tǒng)品質(zhì)的方法。常用的頻率響應(yīng)表示方法是圖形表示法。根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)幅值、相位和頻率之間的不同顯示形式，有奈奎斯特圖和伯德圖等。此本模塊設(shè)計兩個PushButton,通過兩個函數(shù)Bode，Nyquist來實現(xiàn)。如圖5、6所示為系統(tǒng)的Nyquist和Bode圖。
　　
　　實現(xiàn)此功能所用的程序指令為：
　　clc;
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘nyquist’,G);
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘bode’,G);
　　3.3根軌跡分析
　　根軌跡法是在已知控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點分布的基礎(chǔ)上，研究某一參數(shù)變化時對系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點分布的影響。此模塊可根據(jù)給定的模型生成根軌跡曲線、零極點圖，從而能夠讓用戶根據(jù)根軌跡的走向分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，并能進(jìn)一步分析根與軌跡的關(guān)系，通過改變零極點來改變軌跡，從而改變系統(tǒng)的性能。據(jù)此本模塊設(shè)計兩個PushButton,通過兩個函數(shù)rlocus,rltool來實現(xiàn)。如圖7、8所示分別為系統(tǒng)的根軌跡圖和零極點圖。
　　
　　從系統(tǒng)的根軌跡圖中，可以讀出任意點處的增益Gain、根的位置Pole、阻尼比Damping、超調(diào)量Overshoot和相應(yīng)的頻率Frequency。在根軌跡圖中，徑向線是等衰減比線，同心圓是等自然頻率線。
　　實現(xiàn)此功能所用的程序指令為：
　　G=tf(num,den);
　　figure(1)
　　rlocus(G);
　　sgrid;
　　G=tf(num,den);
　　ltiview(‘pzmap’,G);
　　p=roots(den)
　　z=roots(num)
　　參考文獻(xiàn)
　　［1］劉叔軍, 蓋曉華等. MATLAB控制系統(tǒng)應(yīng)用與實例［M］. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.
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