基于matlab-gui的倒立摆仿真实验平台设计

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1、基于MATLAB/GUI的倒立摆仿真实验平台设计摘要：针对自动控制理论教学中无法在课堂上直接利用倒立摆实验设备进行演示的问题，设计实现了基于MATLAB/GUI（MATLAB’sGraphicalUserInterface）的直线二级倒立摆仿真实验平台，该平台可集成多个仿真实验，具有很强的可拓展性，能够在界面中修改仿真参数并方便地调用仿真文件进行仿真。通过多次实验，验证了该实验平台的正确性和实用性。关键词：MATLAB；GUI；二级倒立摆；仿真；实验平台中图分类号：TM359.46倒立摆是一种典

2、型的复杂被控对象，具有非线性、多变量、强耦合和自然不稳定的特性[1]。在控制过程中倒立摆系统能有效地反映可控性、鲁棒性、随动性以及跟踪性等许多控制中的关键问题[2]，很多新的控制算法都是通过倒立摆系统来进行检验的。在控制理论教学中，倒立摆系统是一种重要的辅助教学工具，将控制算法应用于倒立摆系统，观察其控制效果，可以使学生更加生动形象地学习理解各种控制算法原理及其特性。然而，由于倒立摆实验设备体积大，不便于搬运，并且需要专门的计算机进行控制，实际教学中很难在课堂中直接利用倒立摆实验设备进行演示。针

3、对这个问题，本文利用MATLAB/GUI设计实现了直线二级倒立摆仿真实验平台，该平台可集成多个仿真实验，具有很强的可拓展性，并且能够在界面中修改仿真参数并方便地调用仿真文件进行仿真，可用于课堂教学演示。除此之外，该平台还可作为学生的实验平台使用。1选用MATLAB/GUI进行开发的原因之所以选用MATLAB/GUI进行直线二级倒立摆仿真实验平台的开发，原因如下：（1）对于自动控制等专业的人员，经常使用MATLAB进行仿真而缺乏软件开发的经验，利用MATLAB/GUI进行界面开发更容易上手。（2）

4、MATLAB将所有GUI支持的用户控件都集成在GUIDE（GraphicalUserInterfaceDevelopmentEnvironment）中，并向用户提供一系列的用户图形界面工具，这些工具可大大简化GUI设计和生成的过程[3]。（3）直线二级倒立摆仿真实验平台需要调用MATLAB的.mdl文件，MATLAB的GUI不脱离MATLAB的开发环境，调用自身的仿真文件更加方便。（4）MATLAB的优势之一就是它的数据处理能力，直线二级倒立摆仿真实验平台需要对仿真数据进行处理并画出相应图形，如

5、果选用VC来实现这些功能，困难很大，而选用MATLAB/GUI可能只需要简单的几条语句。62直线二级倒立摆仿真实验平台设计2.1仿真实验平台总体设计本文针对五种算法：PID（ProportionalIntegralDifferential）算法、LQR[4][9]（LinearQuadraticRegulator-LQR）算法、变量融合模糊控制算法[5]、BP（BackPropagation）神经网络算法和ANFIS[6][7][8]（AdaptiveNeuralNetwork-BasedFuz

6、zyInterfaceSystem）算法进行设计，这四种方法是直线二级倒立摆常用的四种控制算法，分属于经典控制（PID），现代控制（LQR）以及智能控制，具有代表性，算法的仿真都已提前在MATLAB/Simulation中完成，不在本文介绍范围之内。2.1.1界面设计仿真实验平台通过主界面调用不同的实验界面，其主控界面如图1所示。在界面中，有五个单选框，选中其中某个实验，单击“进入”即可进入相应实验的界面，单击“退出”则退出仿真实验平台。变量融合模糊控制算法的界面如图2，所示，其它实验界面与它类

7、似，风格一致。界面中主要包括仿真框图、仿真曲线以及参数部分。2.1.2界面按键功能实现方法6以主界面中的“进入”键为例。如果选择“变量融合模糊控制算法”，回调函数为：2.2仿真实验平台详细设计以仿真实验平台中的第三个实验为例。2.2.1主要功能“变量融合模糊控制算法”仿真实验的设计界面如图3所示，它的主要功能包括：（1）在axes1中显示仿真框图，该功能通过调用imread函数实现。（2）在编辑框中显示各参数的默认值，该功能通过set函数实现。（3）在界面中可以修改参数。（4）单击“开始”按钮后

8、，将界面中的参数传递给仿真文件。（5）调用仿真文件进行仿真。（6）在axes2中显示本次仿真的仿真曲线。2.2.2主要功能实现方法上一小节中所描述的前3个功能是显示时实现的，后3个功能需要通过“开始”按钮的回调函数来实现，流程如图4所示：3结束语6本文利用MATLAB/GUI设计实现了直线二级倒立摆的仿真实验平台，该平台可集成多个仿真实验并且可以根据需要，增加其它仿真实验，具有很强的可拓展性。通过该平台，可以方便地修改仿真系统中的参数并进行仿真。经过多次实验，验证了该实验平台的正确性和实用性，该