畢業(yè)論文_基于GUI的線性系統(tǒng)的分析與研究

1、目 錄第第 1 1 章概述章概述 1 11.1 課題研究目的和意義 11.2 GUI 圖形用戶界面的應用概述 11.3 線性系統(tǒng)的發(fā)展和應用 21.4 課題主要容 21.5 論文安排 3第第 2 2 章線性系統(tǒng)設計理論分析章線性系統(tǒng)設計理論分析 4 42.1 線性系統(tǒng)數學模型 42.2 線性系統(tǒng)的根軌跡分析 62.3 線性控制系統(tǒng)的時域和頻域分析 72.4 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析 93.1 GUI 的設計原則 123.2 GUI 的創(chuàng)建 123.3 GUI 設計舉例設計 153.4 GUI 實例設計結果分析 163.5 本章小結 17第第 4 4 章線性控制系統(tǒng)實現章線性控制系統(tǒng)實現 1818

2、4.1 線性系統(tǒng)的數學模型的建立 194.2 線性系統(tǒng)的時域、頻域分析設計實現 214.3 根軌跡的分析設計實現 234.4 線性系統(tǒng)的空間分析法 244.5 本章小結 25結論結論 27271 / 29參考文獻參考文獻 2828致致 2929第 1 章 概述1.1 課題研究目的和意義在學習線性系統(tǒng)的過程中發(fā)現，當需要建立數學模型、繪制根軌跡圖、伯德圖、尼克爾斯和奈奎斯特曲線等都需要大量繁瑣的計算才能計算和繪制相應的圖，從而對線性系統(tǒng)進行研究分析。在學習 MATLAB 過程中了解到它具有強大的數學應用功能，MATLAB 的 GUI 是圖形用戶界面，可以通過設置用戶界面調用部函數，從而進行計算。

3、圖形用戶界面非常直觀的讓使用者知道如何操作，使應用變得簡單。課題的目的是想設計 GUI 界面，利用 MATLAB 對線性系統(tǒng)進行研究分析，從而使線性系統(tǒng)的分析研究變得簡單，省去了大量的計算，在所設計的 GUI 應用界面中就可得到。該界面人機交互性好，能對相關知識進行實時、動態(tài)的可視化仿真分析，在教學、實驗、工程中具有較強的應用價值。1.2 GUI 圖形用戶界面的應用概述GUI 是提供人機交互的工具和方法。GUI 是包含圖形對象，如窗口、圖標、菜單和文本的用戶界面。以某種方式選擇或激活這些對象，通常引起動作或發(fā)生變化。最長常的激活方法是用鼠標或其他單擊設備去選擇或激活這些對象，通常引起動作或發(fā)生

4、變化。最常見的激活方法是用鼠標或其他單擊設備去控制屏幕上鼠標指針的運動。單擊鼠標，標志著對象的選擇或其他動作。一個設計優(yōu)秀的 GUI 能夠非常直觀地讓用戶知道如何操作 MATLAB 界面，了解設計者開發(fā)意圖。令人興奮的事，對于絕大多數使用 GUI 的計算機用戶都知道如何去應用 GUIDE 的標準控件，這也為 GUI設計提供了廣闊的前景。MATLAB 的 GUI 為開發(fā)者提供了一個不脫離 MATLAB 的開發(fā)環(huán)境，有助于 MATLAB 程序的集成。開發(fā)者開發(fā)的產品是面向使用者，是告訴使用者如何了解產品、如何使用產品。往往使用者都不愿意去理解一些繁雜的代碼，甚至根本對這些代碼一無所知。而2 / 2

5、9GUI 就是實現了開發(fā)者與使用者建立溝通的橋梁。在研發(fā)部門和決策部門進行溝通的過程中 ，GUI 就顯得特別重要，決策人不了解具體的代碼，而研發(fā)者想讓項目得到決策人的肯定，就必須向決策人提供圖文并茂的界面，甚至達到多媒體的效果，這樣可以讓決策人清楚地理解項目的精髓，作出正確的、有益于研發(fā)部門的判斷。由于 MATLAB 的工程計算、仿真能力使得越來愈多的用戶從原先的開發(fā)環(huán)境轉到MATLAB 上來。現在絕大多數 MATLAB 開發(fā)者都是一定領域的研究者，但是使用其他開發(fā)環(huán)境設計 GUI 不僅編程復雜、而且學習困難，往往需要大量的時間在編程。但是 MATLAB 提供了一個簡便的開發(fā)環(huán)境，可以讓研究者

6、很快的上手，讓研究者更加專注于更需要的其他地方，提高研究者的效率。1.3 線性系統(tǒng)的發(fā)展和應用20 世紀 50 年代以后，隨著航天等技術發(fā)展和控制理論應用圍的擴大，經典線性控制理論的局限性日趨明顯，它既不能滿足實際需要，也不能解決理論本身提出的一些問題，這就推動了線性系統(tǒng)的研究，于是在 1960 年以后從經典階段發(fā)展到現階段。美國學者 R.E.卡爾曼首先把狀態(tài)空間法應用于多變量線性系統(tǒng)的研究，提出了能控性和能觀測性兩個基本概念。20 世紀 60 年代以后，現代線性系統(tǒng)理論又有了新發(fā)展，出現了線性系統(tǒng)幾何理論、線性系統(tǒng)代數理論和多變量頻域發(fā)展等研究多變量系統(tǒng)的新理論和新方法。隨著計算機技術的發(fā)展

7、，以線性系統(tǒng)為對象的計算方法和計算輔助設計問題也受到普遍的重視。與經典線性控制理論相比，現代線性系統(tǒng)主要特點是：研究對象一般是多變量線性系統(tǒng)，而經典線性理論則以單輸入單輸出系統(tǒng)為對象；除輸入和輸出變量外，還描述系統(tǒng)部狀態(tài)的變量；在分析和綜合方面以時域方法為主而經典理論主要采用頻域方法，使用更多數據工具。嚴格地說，實際的物理系統(tǒng)都不可能是線性系統(tǒng)。但是，通過近似處理和合理簡化，大量的物理系統(tǒng)都可在足夠準確的意義下和一定的圍視為線性系統(tǒng)進行分析。例如一個電子放大器，在小信號下就可以看作是一個線性放大器，只是在大圍時才需要考慮其飽和特性即非線性特性。線性系統(tǒng)的理論比較完整，也便于應用，所以有時于非線

8、性系統(tǒng)也近似地用線性系統(tǒng)來處理。例如在處理輸出軸上的摩擦力矩時，常將靜摩擦當作與速度成比例的粘性摩擦來處理，以便于得出一些可用來指導設計的結論。從這個意義上來說，線性系統(tǒng)是一類得到廣泛應用的系統(tǒng)。 線性 linear，指量與量之間按比例、成直線的關系，在數學上可以理解為一階導數為常數的函數；非線性 non-linear 則指不按比例、不成直線的關系，一階導數不為常數。 線性系統(tǒng)模型已被廣泛用于工程、生物、人體、經濟和社會問題的研究。例如，化學反應中的催化作用問題；人體的水平衡過程、體溫調節(jié)過程、呼吸中氧和二氧化碳交換過程、心血管調節(jié)過程等問題；細胞的某些生物化學反應問題；社會和經3 / 29濟

9、領域中的人口問題，動力資源問題，鋼鐵、煤炭、石油產品生產問題等。1.4 課題主要容基于 GUI 的線性系統(tǒng)研究與分析，利用圖形用戶界面對線性系統(tǒng)的各種性能指標進行相關分析，利用 M 文件的函數調用達到系統(tǒng)圖的輸入輸出，實現了數據文件的讀取和處理，完成了系統(tǒng)性能指標的可視化輸出，本文設計了建立系統(tǒng)的數學模型，其中包括建立傳遞函數模型，建立零極點增益模型和建立狀態(tài)空間模型，對線性系統(tǒng)時域和頻域的分析包括系統(tǒng)的動態(tài)性能分析、伯德圖、尼克爾斯、奈奎斯特曲線的和根軌跡的分析的 GUI 設計，還對線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間進行分析的 GUI 設計。1.5 論文安排第 1 章概述，介紹課題研究目的和意義，GUI 圖

10、形用戶界面的概述和線性系統(tǒng)的發(fā)展和應用。第 2 章線性系統(tǒng)設計分析理論，學習線性系統(tǒng)數學模型的理論，線性系統(tǒng)的根軌跡分析，線性系統(tǒng)的時域、頻域分析和線性系統(tǒng)的空間分析法的理論知識。第 3 章線性控制系統(tǒng)的時域設計分析，GUI 的設計原則，GUI 的創(chuàng)建，GUI 設計實例與其分析。第 4 章線性系統(tǒng)的空間分析，對線性系統(tǒng)的數學模型的建立實現，對線性系統(tǒng)的時域、頻域分析實現和線性系統(tǒng)的空間分析法。4 / 29第 2 章 線性系統(tǒng)設計理論分析2.1 線性系統(tǒng)數學模型2.1.1 傳遞函數的定義和性質線性定常系統(tǒng)的傳遞函數數學模型是零初始條件下系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換的比，是描述系

11、統(tǒng)的頻率模型。傳遞函數模型分為連續(xù)和離散兩種。設線性定常系統(tǒng)有下列 n 階線性常微方程描述。（2-1）tubtudtdbdtdbtudtdbtyatydtdatydtdatydtdammmmmmnnnnnn1111011110.式中，是系統(tǒng)的輸出量；是系統(tǒng)輸入量；和 y t u t1,2,jajm是與系統(tǒng)結構和參數有關的常系數。1,2,jbjm設和與各階導數在 t=0 時的值均為零，即是零初始條件，則對上式中各tuty項分別求拉普拉斯變換，并令，可得 s 代數方程為： tusY tusU sUbsbsbsbsYasasasammmmnnnn11101110.于是，由定義得系統(tǒng)傳遞函數為： （2

12、-2） nnnnmmmmasasasabsbsbsbsUsYsG11101110傳遞函數具有以下性質：傳遞函數是復變量 s 的有理真分式函數，具有復變函數的所有性質且所有nm 系數均為實數。傳遞函數是系統(tǒng)或元件數學模型的另一種型式，它是一種用系統(tǒng)參數表示輸出量與輸入量之間關系的表達式。它只取決于系統(tǒng)或元素的結構與參數，而與輸入量的形式無關，也不反映系統(tǒng)的部任何信息。傳遞函數與微分方程有一樣性。只有把系統(tǒng)或元件微分方程中各階導數用相應階次的變量 s 代替，就很容易求得系統(tǒng)或元素的傳遞函數。5 / 29傳遞函數的拉普拉斯變換是脈沖響應。是系統(tǒng)在單位脈沖輸入 sGtgtgt時的輸出響應。此時，故有：

13、 1tsU（2-3） sGsYtg112.1.2 零極點增益模型理論分析連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數表達式用系統(tǒng)增益、系統(tǒng)零點與系統(tǒng)極點來表達，被稱為系統(tǒng)零極點模型?？梢哉f零極點增益模型是傳遞函數的一種特殊形式。即 （2-4） nmpspspszszszsksG.2121離散系統(tǒng)的傳遞函數模型可表達為 （2-5） ).(.2121nmpzpzpzzzzzzzkzG式中，k 表達系統(tǒng)增益；表示系統(tǒng)零點；表達系統(tǒng)極點。mzzz.,21nppp,.,212.1.3 狀態(tài)空間模型理論分析線性控制理論是在引入狀態(tài)和狀態(tài)空間概念的基礎上發(fā)展起來的。因此，確定系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述，即建立在狀態(tài)空間中的數學模型是一個基礎的

14、問題。線性控制理論中的狀態(tài)空間，簡單地說就是將描述系統(tǒng)運動的高階微分方程改寫成一階聯合方程的組的形式，或者將系統(tǒng)的運動直接用一階微分方程組表示，寫成矩陣形式，這樣就得到了狀態(tài)空間模型。連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為：（2-6） x tAx tBu ty tCx tDu t式中為的系統(tǒng)控制輸入（r 個）向量； 為的系統(tǒng)狀態(tài)變量；tu1r x t1n為的系統(tǒng)輸出向量；A 為的系統(tǒng)矩陣（狀態(tài)矩陣） ，有控制對象的參數ty1mnn決定；B 為的控制矩陣（輸入矩陣） ；C 為的輸出矩陣（觀測矩陣） ；D 為rnnm的輸入輸出矩陣（直接傳輸矩陣） 。rm離散矩陣離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為：6 / 29 （2- 1

15、x kAx kBu ky kCx kDu k7）式中，u 為控制輸入向量；x 為狀態(tài)向量；y 為輸出向量；k 為采樣點。A 為狀態(tài)矩陣，由控制對象參數決定；B 為控制矩陣；C 為輸出矩陣；D 為直接傳輸矩陣。2.2 線性系統(tǒng)的根軌跡分析閉環(huán)系統(tǒng)瞬態(tài)響應的基本性能，有閉環(huán)極點在根平面上的分布所確定。閉環(huán)極點就是特征方程的根，當系統(tǒng)高于 3 階，直接求解方程就十分困難。另外，當控制系統(tǒng)某些參數變化時，需要大量繁瑣的重復計算。因此在工程設計中，通常避免直接求根，而是采用直接的方法來分析、設計系統(tǒng)。1948 年，Evans 提出了一種確定系統(tǒng)特征方程的簡單方法，即根軌跡法。它是一種表示特征方程的根與某

16、一參數的全部數值關系的圖解方法。與該參數的某一特定數值相應的根，可在上述關系圖上找到。上述可變參數可以是開環(huán)傳函中任意可變參數，但通常取開環(huán)增益作為可變參數。因此，所謂根軌跡，是指當系統(tǒng)某一可變參數有時，系統(tǒng)極點在 s 平面上所描繪出來的軌跡。0根軌跡方法是分析與設計線性定常系統(tǒng)有效的圖解方法，它根據軌跡法則，繪制出近似的根軌跡圖，直接地反映系統(tǒng)參數變化對根軌跡分析位置的軌跡。1.根軌跡方程 1+ （2- 0sHsG8）即 （2-9）111*niimjjpszsK此式叫做系統(tǒng)的根軌跡方程。式中，是系統(tǒng)的根軌跡增益，與開環(huán)增益 K 成*K正比；是開環(huán)函數的零點；是開環(huán)函數的極點。jZiP2.根軌

17、跡的方法1）n 階系統(tǒng)有 n 條根軌跡。2）根軌跡對稱于實軸，其實與開環(huán)極點，終止于開環(huán)零點與無窮遠。3）實軸上根軌跡的起始叫與終止角可計算確定。4）根軌跡的分離角與匯合角可計算確定。7 / 295）根軌跡與虛軸的交點可計算確定。6）系統(tǒng) n 個開環(huán)極點之和等于 n 個閉環(huán)極點之和。2.3 線性控制系統(tǒng)的時域和頻域分析2.3.1 線性控制系統(tǒng)的時域分析時域分析法是根據線性控制系統(tǒng)的微分方程，用拉普拉斯變換來求解動態(tài)響應的過程曲線。典型的動態(tài)過程有單位階躍響應、單位斜坡響應、單位加速度響應、單位沖擊響應等。時域分析的另一個目的是求解響應的性能指標。通常將控制系統(tǒng)跟跟蹤或復現階段輸入信號相應的指標

18、作為系統(tǒng)控制性能的指標。階躍響應的一般性能指標有峰值時間、超調量、調節(jié)時間與穩(wěn)定誤差。下面簡要介紹這些概念。線性控制系統(tǒng)的指標有靜態(tài)和動態(tài)兩種。動態(tài)性能指標為跟隨性能指標與抗擾動性能指標兩種。跟隨性能指標有上升時間，峰值時間、超調量、調整時間等；抗干擾性能指標有動態(tài)降落、恢復時間等。1.超調量超調量是指階躍響應曲線中對穩(wěn)態(tài)值的超出量與穩(wěn)態(tài)值之比。2.峰值時間 峰值時間是指從零到階躍響應曲線中超過其穩(wěn)態(tài)值而第一個峰值所需要的時間。3.調節(jié)時間 調節(jié)時間是指階躍響應曲線只能夠超過附近 5%的誤差而不再超出的最小時間。4.恢復時間從階躍擾動作用開始到輸出量基本穩(wěn)態(tài)的過程中，輸出量與新穩(wěn)態(tài)值之差進入某

19、基準量的 5%圍之所需要的時間。2.3.2 線性系統(tǒng)的頻域分析線性系統(tǒng)的數學模型分析、研究控制系統(tǒng)的基礎。當建立起系統(tǒng)的數學模型后，就可以采用各種方法分析系統(tǒng)的運動。在經典的控制理論中，常用的工程分析方法有頻域分析法和根軌跡法。頻率分析法是應用頻率特性研究控制系統(tǒng)的一種經典方法。這種方法可以直觀地表達出系統(tǒng)的頻率特性，而且分析方法比較簡單，物理概念比較明確。頻率特性的基本概念：1.頻率響應當正弦函數信號作用于線性系統(tǒng)時，線性系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出的穩(wěn)態(tài)分量仍然是同8 / 29頻率的，這種過程叫做頻率響應。2.頻率特性設有穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)，在正弦信號作用下，其振幅之比相對于正弦信號角頻率之間的關系叫做

20、相頻特性；其相位與輸入正弦信號的相位之差相對于正弦信號角頻率之間的關系叫相頻特性。系統(tǒng)頻率響應與輸入正弦信號的復數之比叫做系統(tǒng)的頻率特性。3.幅相特性系統(tǒng)的頻率特性中既有振幅信息又有相位信息，所以又叫做系統(tǒng)的幅相特性。4.頻率性能指標峰值：幅頻特性的最大值。頻帶：幅頻特性的數值衰減到 0.707 時對應的頻率。相頻寬：相拼特性等于時對應的頻率。2頻率分析法主要包括 3 種方法：1.Bode 圖Bode 圖即對數頻率特性曲線。設已知系統(tǒng)的傳遞函數模型為： （2-10） 11211121.nnnmmmasasabsbsbsH則系統(tǒng)的頻率響應可直接求出，得 （2-11）11211121.nnnmmm

21、ajajabjbjbjH系統(tǒng)的 Bode 圖就是的幅值與相位對進行繪圖，因此也稱為幅頻和相Hjw頻特性曲線。橫坐標都是角頻率，是按常用的對數刻度即，對數相頻特性的log縱軸坐標是，其單位為角度；對數相頻特性的縱軸坐標是，其 ALlog20單位為分貝。 dB2.Nyquist 曲線Nyquist 曲線是根據開環(huán)頻率特性在復平面上繪出的幅相軌跡。根據開環(huán)的Nyquist 的曲線，可判定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是，Nyquist 曲線按逆時針包圍臨界點（-1，j0）的函數 p 等于開環(huán)傳遞函數位于右半 s 平面的極點數，否則閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。當開環(huán)傳遞函數 p 等于開環(huán)傳遞函數位于

22、右半 s 平面的極點，否則閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。當開環(huán)傳遞函數包含虛軸上的極點時，閉合曲線應為的半圓從右側繞過該點0極點。這就是著名的奈式判據。9 / 293.Nichols 圖對于單位負反饋系統(tǒng)其閉環(huán)與開環(huán)傳遞函數之間的關系為： sG （2-12） sGsGs1則頻率特性之間的關系為： (2-13) sGsGs1若以模幅式表示有：jG (2-14)GjeGjG則： (2-15) jeMj將 (2-16) 1j Gjj GG eMeG e 由此可得兩個函數表達式： (2-17)GGfGGfM,21這兩個函數表達式的圖形化曲線叫做 Nichols 曲線。2.4 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析2.4.1 雅普諾

23、夫穩(wěn)定性分析設系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 (2-18),xfX t式中 X系統(tǒng)的狀態(tài)向量，是矩陣；1n狀態(tài)向量 X 與時間 t 的函數向量。tXf,又設在給定的初始時刻的初始條件下，狀態(tài)方程有唯一解且00,tXt，其中為初始時刻，為狀態(tài)向量 X 的初始值，t 為時間變量。000,XtXtot0X10 / 29在下面的式子描述的系統(tǒng)中，對所有 t，若總存在 (2-19)0,tXfe則稱為系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。如果系統(tǒng)是線性定常系統(tǒng)，則，而且eX,fX tAX當 A 為非奇異矩陣時，該系統(tǒng)只有一個平衡狀態(tài)；當 A 為奇異矩陣時，該系統(tǒng)有無窮多個平衡狀態(tài)。對于非線性系統(tǒng)，它可以有一個或多個平衡狀態(tài)，這些狀態(tài)都和系統(tǒng)

24、的常值解相對應。系統(tǒng)的平衡狀態(tài)可由上示解出。任意一個平衡狀態(tài)都可以eX通過坐標變換轉移到坐標原點，即處。因此，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主要0,0ft 是研究其平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，特別是分析坐標原點所代表的的狀態(tài)的穩(wěn)定性。2.4.2 線性系統(tǒng)的可控性與可觀性分析在狀態(tài)空間分析中，系統(tǒng)的可控性與可觀性也是非常重要的概念。這兩個概念是 Kalman 在 20 世紀 60 年代提出的，是現代控制理論中的兩個基本概念?？煽匦允侵赶到y(tǒng)的狀態(tài)能否被控制；可觀性是指系統(tǒng)狀態(tài)的變化能否由輸出檢測反應出來。系統(tǒng)的可控性與客觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的識別能力兩個方面反映系統(tǒng)本身的在特性，往往是確定最優(yōu)系統(tǒng)是否有解的先決條

25、件，對系統(tǒng)的設計是至關重要的。1.可控性線性系統(tǒng)，在時刻的任意初始值，對于，（J 是系統(tǒng)的0t 00 x tx0attatJ時間定義域） ，可找到人需控制 u，其在上的轉臺是完全能控的。0,at t2.可觀性(2-20) xAxBuyCx線性系統(tǒng),在時刻存在，如果根據的觀測值，在0t0att0tJ0, at t0,at t區(qū)間能夠唯一地確定系統(tǒng)在時刻的任意初始狀態(tài)，則系統(tǒng)在上的0, att t0t0 x0,at t狀態(tài)是可觀測的?？捎^性研究狀態(tài)和輸出量的關系，即通過對輸入量在有限時間的測量，把系統(tǒng)的狀態(tài)識別出來。實質上可歸結為對初始狀態(tài)的識別問題。11 / 292.5 本章小結本章主要對線性系

26、統(tǒng)的理論進行分析與研究，其中包括建立傳遞函數數學模型、零極點增益數學模型、狀態(tài)空間數學模型、線性系統(tǒng)的時域、頻域分析、根軌跡的分析和線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析的理論知識。12 / 29第 3 章 線性控制系統(tǒng)時域分析的 GUI 設計3.1 GUI 的設計原則MATLAB 圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境提供了一系列創(chuàng)建用戶圖形界面（GUI）的工具極大的簡化了 GUI 設計和生成的過程。一般的設計過程是如圖 3-1 的步驟實現。GUI設計不能是“即所需即添加”的原則，這樣設計出來的界面效果會大打折扣。設計檢驗功能分析需求分析編寫代碼程序測試圖 3-1 GUI 設計步驟MATLAB 設計 GUI 其實并不是很復雜

27、的，主要設計 4 個方面的有：添加組件、編輯菜單、設置屬性和回調函數。使用圖形用戶界面主要為了達到以下目的：（1）編寫一個需多次反復使用的使用函數，菜單、按鈕、文本框作為輸入方法具有意義。 （2）編寫函數或開發(fā)應用程序供別人使用。(3)創(chuàng)建一個過程、技術或分析方法的交互式實例。為了實現這一目的，一個優(yōu)良的圖形用戶界面英語有以下特性：（1）可使用性；（2）靈活性；（3）復雜性和可靠性。3.2 GUI 的創(chuàng)建3.2.1 建立 GUI 的主要方式建立 GUI 的主要方式有兩種：第一種是直接通過程序編寫的方式產生對象，即利用 uicontrol、uimenu、uicontexmenu 等函數以編寫 M

28、 文件的方式來開發(fā)整個13 / 29GUI；第二種方式就是直接通過 MATLAB 的 GUI 編輯界面,GUIDE 來建立 GUI。采用第一種方式建立用戶界面的工作量大，控件屬性設置、修改繁瑣，一般需要設計者有吩咐的經驗。而 GUIDE 是一個專用于 GUI 程序設計的快速開發(fā)環(huán)境，使用者通過鼠標就能迅速的產生各種 GUI 控件，從而幫助用戶方便地設計各種符合要求的圖形用戶界面。由于這種方法比較直觀、而且用這種方式建立的 GUI 在 M 文件的管理上也比較方便，如果日后要修改部分程序代碼，可以快速且容易地找到修改的部分容，因此本文采用第二種方式完成界面設計。3.2.2 通過 GUIDE 設計

29、GUI 的三個主要階段通過 MATLAB 的 GUI 編輯界面GUIDE 來設計一個完整的 GUI 界面，包括以下三個主要階段：圖形界面設計初步規(guī)劃階段。該階段的主要設計任務是明確該圖形界面設計的任務，從而確定所需要的控件類型與個數，菜單中將包含的命令等。圖形用戶界面的結構設計階段。該階段的主要工作是利用設計向導構造整個圖形界面的布局，合理設計菜單、按排控件位置等，并進行必要的屬性設置。圖形用戶界面的功能設計階段。該階段的主要工作是為了菜單、控制編寫回調函數的程序代碼，具體實現界面的各種互動功能。一個 GUI 應用軟件的實現，最終是要通過對控件對象的操作來完成，而這些操作必定是通過 MATLA

30、BE 中函數代碼的執(zhí)行來實現。函數代碼的編制即可以通過編寫回調函數完成，而后在編寫時可以把該控件的函數代碼直接寫在 callback 中；也可以把函數代碼放在一個自動以的 M 文件中，而后在 callback 中只將其文件名寫上。3.2.3 控件與其常用屬性設置本文基于 MATLAB7.0 開發(fā)設計的。使用 GUIDE 創(chuàng)建圖形用戶界面時，在打開的空白模板中 GUIDE 提供了用戶界面控件與其設計工具來實現用戶界面的創(chuàng)建。打開的 GUIDE 編輯界面如圖 3-2 所示，它由設計向導、GUI 控件和用戶界面編輯窗口三部分組成。14 / 29圖 3-2 GUIDE 編輯界面其中各控件的名稱如下：1

31、靜態(tài)文本（Static Text）2編輯框（Edit Text）控件3列表框（Listbox）控件4滾動條（Slider）控件5按鈕（Push Button）控件6開關按鈕（Toggle Button）控件7單選按鈕（Radio Button）控件8按鈕組（Button Group）控件控件常用的屬性有；String 屬性：該屬性的取值是一份字符串。它定義控件對象的說明文字，對于不同的控件其 String 的值會有所不同。如按鈕上的說明文字以與單選按鈕或復選按鈕后面的說明文字等。FontName 屬性：該屬性的取值是控制對象標題等使用字體的字庫名，必須是系統(tǒng)支持的各種字庫。FontSize 屬

32、性：該屬性的取值是數值。它定義控件對象標題等字體的字號。Tag 屬性：該屬性的取值是一個字符串。允許用戶建立起在對話框控件對象被選中后的響應命令。Callback 屬性：該屬性的取值是一個字符串。允許用戶建立起在對話框控件對話框控件對象被選中后的響應命令。MATLAB 中的控件屬性非常多，控件的功能與其它屬性。由于實際應用中遇到的問題不同，因而要設置哪些對象的屬性，哪些可以不設置，都需對具體問題具體分析，其設置也不盡一樣。15 / 293.3 GUI 設計舉例設計設計 GUI 界面對線性系統(tǒng)進行時域分析，用以分析實現穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據需要，該界面設置了 5 個編輯控件（edit t

33、ext）1 個坐標控件（axes）5 個動態(tài)按鈕控件（push button）和 1 個靜態(tài)文本框控件（static text） 。在GUIDE 環(huán)境下，用鼠標將所需要的所有控件拖動并排列成一個合適的布局，完成各龍劍的屬性設置，并將結果保存到*fig 文件中，MATLAB 會生成同名*。M 文件，在分析結果按鈕的回調程序中編寫程序，實現線性系統(tǒng)的時域分析?；卣{程序的主要語句或函數與其功能說明：（1）語句:t=str2num（get（handles。Edit3， ） string ） ；該語句首先從 GUI 界面上控件的 Tag 屬性為 edit3 的編輯框控件獲取所輸入的字符串數據，在將其轉化

34、數值行數據后賦值給 t。語句：set（handles edit4 ，string,char(nun2str)）;該語句首先將變量 tp 的數據型數據轉換成字符型數據，再將其 GUI 界面上控件的 Tag 屬性的 edit4 的編輯框控件中顯示。函數：step（）在 MATLAB 中，通過條用函數 step（）可以快速、準確地計算出線性系統(tǒng)的單位階躍響應，進而繪制出系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。step（）函數有調用格式，當已知系統(tǒng)的閉環(huán)函數傳遞函數時，其調用格式為格式 1：y,x,t=step(num,den)格式 2：y,x,t=step(num,den,t）其中，函數輸入函數輸入參數 num,d

35、en 分別為閉環(huán)傳遞函數分子，分母多項式降冪排列多項式系數向量，函數輸入參數 t 為用戶指定的時間向量，省略時采用系統(tǒng)默認值。函數輸出參數表 y，x，t 表達在某時刻 t，輸入 x 所引起的輸出為 y，均為向量形式。完成回調函數后，運行程序即得到圖 3-3 所示的圖形用戶界面16 / 29圖 3-3 線性控制系統(tǒng)的時域分析 GUI 示例3.4 GUI 實例設計結果分析已知某穩(wěn)定控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為 （3-1） 46.122428. 346.122sss試計算系統(tǒng)的動態(tài)性能指標超調量、峰值時間、上升時間，并繪制該系統(tǒng)的階躍響應曲線。根據已知條件可知，輸入參數 num=12.46,dem=1

36、3.2428,12.46，將已上參數輸入響應編輯框，并單擊分析結果按鈕，運行得到如圖 3-4 所示結果。為了判斷分析結果的準確性，對該烯烴進行理論分析結果如下：典型二階系統(tǒng)傳遞函數的標準為： （3-2) 2222nnnwsss比較（3-1） 、 （3-2）兩式，可得到該系統(tǒng)的自然頻率為，阻尼比為因為，故該系統(tǒng)為12.463.53/nrad s3.24280.462 12.460 117 / 29無零點欠阻尼二階系統(tǒng)。 系統(tǒng)的阻尼震蕩頻率：，sradnd/14. 312 系統(tǒng)的阻尼角：，rad09. 1arccos 所以以系統(tǒng)的上升時間： 0.68rdts 系統(tǒng)的峰值時間： 1pdts可見，對于

37、該系統(tǒng)而言，用 GUI 界面分析得到的結果與理論結果計算一致，本文用該 GUI 界面對其他的線性控制系統(tǒng)進行時域分析，分析的結果是有效的。圖 3-4 線性控制系統(tǒng)的時域分析界面應用示例3.5 本章小結 本章學習了 GUI 的設計原則，GUI 的創(chuàng)建，實例設計了一個線性系統(tǒng)時域 GUI設計和結果分析，驗證設計的線性系統(tǒng)時域分析的設計結果的準確性，GUI 運行的結果與理論數值結果相近，達到了預期的結果。18 / 29第 4 章 線性控制系統(tǒng)實現對線性系統(tǒng)進行研究分析了四個方面其中包括線性系統(tǒng)的數學模型、線性系統(tǒng)的時域、頻域分析、根軌跡的分析、線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析。在 GUI 的設計時相應的設計了

38、四個模塊進行研究分析。 ，如圖 4-1 所示的四個按鈕。打開主頁面彈出下圖圖 4-1 主界面點擊 4 個 button 按鈕分別連接線性系統(tǒng)的數學模型、線性控制系統(tǒng)的時域、頻域分析、根軌跡的分析、線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析法的相關容。4.1 線性系統(tǒng)的數學模型的建立線性系統(tǒng)的數學模型包括建立傳遞函數數學模型、零極點增益數學模型和狀態(tài)空間函數數學模型的相關容。19 / 29 圖 4-2 線性系統(tǒng)的數學模型界面設計應用下表函數建立數學模型：表 4-1 建立數學模型的應用函數函數功能tf建立傳遞函數模型zpk建立零極點函數模型ss建立狀態(tài)空間函數模型點擊圖 4-2 中建立傳遞函數模型的按鈕，彈出圖 4-

39、3圖 4-3 傳遞函數模型的建立和轉換調試結果20 / 29分子分母對應的 edit 框中輸入數值，點擊相應的按鈕，即可建立傳遞函數模型，同時還可以把傳遞函數轉化為零極點增益模型和狀態(tài)空間模型。應用表 4-1 中所示的函數。點擊圖 4-2 中建立零極點增益模型的按鈕，彈出圖 4-4。 圖 4-4 零極點模型的建立與轉換設計調試結果 在對應極點、零點和 k 的 edit 框中添加參數，點擊建立零極點增益模型按鈕產生上圖所示的模型。同時還能把生成的模型轉換成傳遞函數模型和狀態(tài)空間模型。圖 4-5 狀態(tài)空間模型的建立與轉換設計調試結果21 / 294.2 線性系統(tǒng)的時域、頻域分析設計實現線性系統(tǒng)時域

40、分析設計已經在第 3 章實現，下面是線性系統(tǒng)頻域分析的實現設計。應用下表所示的函數設計伯德圖、奈奎斯特曲線和尼克爾斯曲線。圖 4-5 線性控制系統(tǒng)的時域、頻域分析界面設計表 4-2 線性系統(tǒng)頻域分析應用函數函數功能bode繪制伯德圖nyquist繪制奈奎斯特曲線nichols尼克爾斯圖下圖是對 Bode 圖的設計實現，在分子分母對應的 edit 框中輸入想要計算的式子得分子分母，通過調用 M 文件函數實現求取幅值、相角、頻率并繪制 bode 圖。 圖 4-6 伯德圖調試結果 下圖是對奈奎斯特曲線的設計實現，在分子分母對應的 edit 框中輸入想要計算22 / 29的式子得分子分母，通過調用 M

41、 文件函數實現求取實部、虛部、頻率和繪制奈奎斯特曲線。圖 4-7 奈奎斯特曲線調試結果 下圖是對尼克爾斯曲線的設計實現，在分子分母對應的 edit 框中輸入想要計算的式子得分子分母，通過調用 M 文件函數實現求取幅值、相角、頻率和繪制尼克爾斯曲線。圖 4-8 尼克爾斯曲線調試結果23 / 294.3 根軌跡的分析設計實現 下圖是對根軌跡分析的設計實現，在分子分母對應的 edit 框中輸入想要計算的式子得分子分母，通過調用 M 文件函數實現繪制根軌跡。圖 4-9 根軌跡調試結果4.4 線性系統(tǒng)的空間分析法點擊主界面中的線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析按鈕連接到下圖，線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析包括兩方面的研究與

42、分析，分別是雅普諾夫穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)的可控性和可觀性分析。圖 4-10 線性系統(tǒng)空間分析應用函數24 / 29對線性系統(tǒng)的狀態(tài)分析的研究與分析的 GUI 設計應用下表的函數設計。表 4-3 線性系統(tǒng)空間分析應用函數 對雅普諾夫法穩(wěn)定性分析，設計如圖 4-11 所示的 GUI 界面，對部進行編程，應用表 4-3 所示函數設計如下 GUI 界面。下圖是對根軌跡分析的設計實現，在a、b、c、d 對應的 edit 框中輸入想要計算的參數，通過調用 M 文件函數實現。圖 4-11 雅普諾夫穩(wěn)定性分析調試結果 對系統(tǒng)的可控性和可觀性進行分析設計了下面的 GUI 界面，在 a、b、c、d 對應的 edit

43、框中添加參數，點擊求可觀性矩陣與其秩的按鈕實現對求可觀性矩陣與其秩，點擊求可控性矩陣與其秩的按鈕求取可控性矩陣與其秩，實現的結果如圖 4-12 和圖4-13 所示。 函數 功能lyap求特征值eig雅普諾夫法ctrb求系統(tǒng)的秩rank求系統(tǒng)的矩陣25 / 29圖 4-12 系統(tǒng)的可觀性矩陣與其秩調試結果圖 4-13 系統(tǒng)的可控性矩陣與其秩調試結果4.5 本章小結本章主要對設計的基于 GUI 的線性系統(tǒng)的研究與分析的設計實現，實現了建立數學模型其中包括傳遞函數的建立、零極點增益模型的建立和狀態(tài)空間模型的建立。還實現可線性系統(tǒng)時域、頻域分析的 GUI 設計，與其根軌跡的分析 GUI 實現和線性系統(tǒng)的空間分析法的 GUI 實現。26 / 29結 論本畢業(yè)設計的課題是基于 GUI 的線性系統(tǒng)的分析與研究。在本系統(tǒng)的設計過程中，選用了 MATLAB7.0 的，設計 GUI 圖形界面對線性系統(tǒng)進行研究分析。通過對線性系統(tǒng)的建立系統(tǒng)的數學模型，其中包括建立傳遞函數模型，建立零極點增益模型和建立狀態(tài)空間模型，對線性系統(tǒng)時域和頻域的分析包括系統(tǒng)的動態(tài)性能分析、伯德圖、尼克爾斯、奈奎斯特曲線的和根軌跡的分析的 GUI 設計，還對線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間進行分析的 GUI 設計。這也使得系統(tǒng)在實際運行和調試運行過程中的效率更