基于MATLAB/GUI的控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)研究

張濤，王印松，田靖雨

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的目的是提出一個(gè)在線的自動(dòng)化程序，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能。目前的研究方法主要由基于最小方差基準(zhǔn)(MVC)、基于用戶自定義基準(zhǔn)以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等性能評(píng)價(jià)方法，然而這些方法的應(yīng)用都比較繁瑣和復(fù)雜，非常有必要設(shè)計(jì)針對(duì)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的仿真軟件，便于性能評(píng)價(jià)方法的實(shí)際應(yīng)用。

MATLAB是當(dāng)今科研領(lǐng)域最常用的應(yīng)用軟件之一，它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、符號(hào)運(yùn)算和數(shù)據(jù)可視化功能，是一種簡單易用、可擴(kuò)展的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和平臺(tái)。圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)是一種提高程序易用性、交互性的計(jì)算機(jī)編程方法，用戶可以在這樣的界面中通過一系列鼠標(biāo)、鍵盤操作指揮后臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)某些功能[1]。利用MATLAB/GUI設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)仿真界面，用戶只需輸入系統(tǒng)的待測參數(shù)便可得到控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)值，極大地減少了工作人員的工作量，保證控制系統(tǒng)地安全運(yùn)行。

1 性能評(píng)價(jià)仿真軟件概述

使用控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)軟件的主要目的就是對(duì)控制系統(tǒng)的性能作出定量地分析，評(píng)定出它的等級(jí)，例如優(yōu)、良、中、差等，并在運(yùn)行早期提出控制系統(tǒng)可能存在的問題，它可以實(shí)時(shí)地指導(dǎo)操控人員對(duì)控制系統(tǒng)存在的潛在問題采取各種應(yīng)對(duì)措施[2]?？刂葡到y(tǒng)性能評(píng)價(jià)軟件向用戶提供各種類型的數(shù)據(jù)和報(bào)表以便進(jìn)行分析，必須具備以下幾個(gè)功能[3]：

1）具有良好的操作和顯示界面。

2）能夠存儲(chǔ)和共享分析數(shù)據(jù)。

3）提供性能評(píng)價(jià)報(bào)告，具有數(shù)據(jù)查詢功能。

4）能夠擴(kuò)展，滿足用戶對(duì)軟件功能不斷完善的需要。

圖1 圖形對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy of the graphics object

圖2 GUI編輯界面Fig. 2 GUI editing interface

5）對(duì)控制系統(tǒng)性能定期評(píng)價(jià)和保存歷史性能信息。

6）跟蹤控制系統(tǒng)的參數(shù)變化及其對(duì)控制性能的影響。

7）掌握擾動(dòng)和不同操作條件對(duì)于控制系統(tǒng)性能的影響。

8）具有完整的系統(tǒng)接口，方便數(shù)據(jù)地導(dǎo)入與導(dǎo)出。

9）能夠保障軟件地安全和準(zhǔn)確運(yùn)行。

2 軟件開發(fā)用到的相關(guān)技術(shù)

圖形用戶界面GUI是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對(duì)象(Objects)構(gòu)成的一個(gè)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(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等[1]。

2.1 句柄圖形對(duì)象

MATLAB是一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)計(jì)算機(jī)語言，其數(shù)據(jù)可視化技術(shù)中的各種圖形元素，實(shí)際上都是抽象圖形對(duì)象的實(shí)例。MATLAB在創(chuàng)建這些圖形對(duì)象實(shí)例時(shí)會(huì)返回一個(gè)用于標(biāo)識(shí)此對(duì)象實(shí)例的數(shù)值，稱為該對(duì)象實(shí)例的句柄。通過操作句柄，用戶就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)圖形對(duì)象實(shí)例的各種底層控制和設(shè)置。句柄是圖形對(duì)象的標(biāo)識(shí)代碼，標(biāo)識(shí)代碼含有圖形對(duì)象的各種必要的屬性信息。因此，這些對(duì)象也被稱為句柄圖形對(duì)象[4]。

1）面向?qū)ο蟮乃季S方法

面向?qū)ο笫且环N程序設(shè)計(jì)方法，是相對(duì)于面向過程而言的。面向?qū)ο蟮膬?yōu)越性在于可以重復(fù)使用對(duì)象進(jìn)行編程。相對(duì)于過程而言，對(duì)象是一個(gè)更為穩(wěn)定的描述單元。由于面向?qū)ο笥羞@樣一些優(yōu)越性，它目前是主流的編程技術(shù)。

2）句柄圖形對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)

在MATLAB中，由圖形命令產(chǎn)生的每一個(gè)對(duì)象都是圖形對(duì)象。圖形對(duì)象按父對(duì)象和子對(duì)象組成層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 GUI基本概念

一個(gè)好的GUI能夠使程序更加容易使用，它提供給用戶一個(gè)常見的界面，還提供一些空間，如按鈕、列表框、滑塊、菜單等[4]。

創(chuàng)建MATLAB用戶圖形界面必須具有以下3類基本元素：

1）組件

在MATLAB GUI中的每一個(gè)項(xiàng)目都是一個(gè)圖形化組件。組件可分為3類：圖形化控件(如按鈕、編輯框、列表、滾動(dòng)條等)、靜態(tài)元素(如窗口和文本字符串)、菜單和坐標(biāo)系。

2）圖形窗口

GUI的每一個(gè)組件都必須安排在圖像窗口中。在畫數(shù)據(jù)圖像時(shí)，圖像窗口會(huì)被自動(dòng)創(chuàng)建或用函數(shù)figure來創(chuàng)建。

3）回應(yīng)

用戶單擊某一按鈕使相應(yīng)的MATLAB語句被執(zhí)行，這些相應(yīng)的語句被稱為回應(yīng)。

2.3 GUI層次結(jié)構(gòu)

GUIDE是MATLAB圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境(graphical user interface development environment)的簡稱，它提供了一系列工具用于建立GUI對(duì)象。GUIDE是一個(gè)組件布局工具集，能夠生成用具所需的組件資源并保存在一個(gè)FIG文件；其次，GUIDE還可以生成一個(gè)包含GUI初始化和發(fā)布控制代碼的M文件，該文件為回調(diào)函數(shù)提供了一個(gè)框架。利用GUIDE創(chuàng)建GUI時(shí)，樣板可以選擇以下4種：Blank GUI、GUI with Uicontrols、GUI with Axes and Menu、Modal Question Dialog。一般采用默認(rèn)的Blank GUI樣板，編輯界面如圖2所示[4]。

GUIDE可以在布局GUI的同時(shí)生成以下兩個(gè)文件：

1）FIG文件。該文件包括GUI的圖像窗口和所有子對(duì)象（包括用戶控件和坐標(biāo)軸）的完全描述以及所有對(duì)象的屬性值。

2）M文件。該文件包括用戶用來發(fā)布控制界面和回調(diào)函數(shù)的各種函數(shù)。

3 性能評(píng)價(jià)軟件的結(jié)構(gòu)與功能

設(shè)計(jì)軟件界面的目的無非是為用戶提供方便，滿足用戶需求?；谶@樣的設(shè)計(jì)概念，結(jié)合火電機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)和協(xié)方差指標(biāo)性能評(píng)價(jià)算法，設(shè)計(jì)的軟件界面分別包含以下幾大功能塊，如圖3、圖4所示。

圖3 基于時(shí)域指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)模塊Fig.3 Load control system based on time-domain index of performance evaluation module

圖4 基于時(shí)域指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)模塊Fig.4 Load control system based on time-domain index of performance evaluation module

1）基于時(shí)域指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)[5,6]：

①運(yùn)行數(shù)據(jù)的載入。主要是將過程輸出參數(shù)主蒸汽壓力和機(jī)組輸出功率的原始數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示在坐標(biāo)軸中。

②動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算及顯示。根據(jù)輸出數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)域性能指標(biāo)，如峰值時(shí)間、衰減比、最大動(dòng)態(tài)誤差、平方誤差積分等。

③系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算及性能等級(jí)的劃分。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)域性能指標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)并將控制性能劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí)并顯示。

④歷史數(shù)據(jù)清除模塊。將已評(píng)價(jià)過的數(shù)據(jù)清除，載入新的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2）基于協(xié)方差指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)[7-10]：

①基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的載入。分別將主蒸汽壓力和機(jī)組輸出功率的機(jī)組數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示在坐標(biāo)軸中。

②性能評(píng)價(jià)模塊。根據(jù)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)的協(xié)方差指標(biāo)并將樣本個(gè)數(shù)與協(xié)方差指標(biāo)的上限值和下限值顯示在界面中。

③歷史數(shù)據(jù)清除模塊。將已評(píng)價(jià)過的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，載入新的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖5 基于時(shí)域指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)仿真界面Fig.5 Time domain index of load control system performance evaluation based on simulation interface

圖6 基于協(xié)方差指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)Fig.6 Loading control system performance evaluation based on covariance index

4 軟件功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖形用戶界面的程序是在圖形界面下創(chuàng)建與用戶交互的控件元素，用戶可以通過操作這些交互控件實(shí)現(xiàn)特定的功能，并且可以返回顯示在程序界面響應(yīng)的結(jié)果顯示區(qū)域中。因此，用戶只和前臺(tái)界面下的控件發(fā)生交互，而所有運(yùn)算、繪圖等內(nèi)部操作都封裝在內(nèi)部，終端用戶不需要去追究這些復(fù)雜過程的代碼。

4.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)好的圖形界面需要考慮以下因素：簡單性、一致性、習(xí)常性、其他因素（比如界面的響應(yīng)要迅速、連續(xù)，對(duì)長時(shí)間運(yùn)算的要給出等待的時(shí)間提示，并允許用戶中斷運(yùn)算）。

4.2 設(shè)計(jì)步驟

界面的制作包括界面設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)，一般制作步驟如下[1]：

步驟1 分析界面所要求實(shí)現(xiàn)的主要功能，明確設(shè)計(jì)任務(wù)。

步驟2 構(gòu)思草圖，從使用者和功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，并上機(jī)實(shí)現(xiàn)。

步驟3 編寫對(duì)象的相應(yīng)程序，對(duì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行逐項(xiàng)檢查。

4.3 界面設(shè)計(jì)

根據(jù)前面講述的GUI設(shè)計(jì)原則和一般步驟，設(shè)計(jì)了火電機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)仿真界面。

1）基于時(shí)域指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)仿真界面。

根據(jù)基于傳統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)的性能評(píng)價(jià)算法設(shè)計(jì)性能評(píng)價(jià)仿真界面。軟件界面截圖如圖5所示。

2）基于協(xié)方差指標(biāo)的負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià)仿真界面。

根據(jù)基于協(xié)方差指標(biāo)的性能評(píng)價(jià)算法設(shè)計(jì)性能評(píng)價(jià)仿真界面。軟件界面截圖如圖6所示。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)MATLAB/GUI分別設(shè)計(jì)了基于歷史數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的協(xié)方差性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和基于時(shí)域指標(biāo)的火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)軟件仿真界面。用戶在界面中載入待評(píng)價(jià)的運(yùn)行數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)在后臺(tái)運(yùn)行程序，并將結(jié)果顯示在界面中對(duì)應(yīng)的文本框中。通過圖5、圖6所示的性能評(píng)價(jià)軟件界面可以很直觀地看出待評(píng)價(jià)的系統(tǒng)的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合前面所做的理論研究，便可實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算及各種主要參數(shù)的計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示。通過上面的仿真界面，也可方便地向別人提供性能評(píng)價(jià)的應(yīng)用程序，并進(jìn)行時(shí)域性能評(píng)價(jià)方法的演示，具有非常實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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