Matlab GUI Application for Teaching Control Systems

ANTONIOS S. ANDREATOS and ANASTASIOS D. ZAGORIANOS

Department of Aeronautical Engineering Hellenic Air Force Academy Dekeleia, Attica, TGA-1010

GREECE

aandreatos@gmail.com, aandreatos@hafa.gr, azagorianos@gmail.com

Abstract: - This paper presents the development and use of a user friendly GUI tool for teaching Automatic Control Systems, based on Matlab. The ACTA-II tool –as we have called it– is going to be used in automatic control systems course, offered to the students of the Hellenic Air Force Academy of Greece. ACTA-II tool facilitates the design of Automatic Control Systems. In order to demonstrate its functionality we present the solution of a typical control system of an aircraft, step by step.

Key-Words: - Control systems, Aircraft control, Poles and zeroes, root loci, graphical user interface, Matlab.

Introduction

An Automatic Control Systems course is offered to the third-year cadet students of the Hellenic Air Force Academy of Greece, Dept. of Aeronautical Engineering. The above course runs through both semesters of the particular year. The average student population ranges from 25 to 30 students.

At the beginning of the course, students have a background knowledge of basic mathematics, physics, mechanical, electrical and aeronautical engineering, electronics and programming. The introductory control systems course covers the following topics:

• Input-output and state space analysis of single- input single-output (SISO) control systems;
• Quantitative and qualitative analysis of MIMO control systems;
• The Root–Locus and frequency domain control design techniques;
• State space design method;
• Optimal control; and Adaptive control.

This course focuses on teaching and analysing dynamic stability and control of unstable multivariable dynamic systems; in particular, emphasis is given on the systems of modern aircrafts and aerospace structures. These engineering systems demonstrate high structural instability. One of the most significant design objectives is to develop a flight controller for achieving improved system stability and automatic control. The control systems course has the following objectives:

• To teach cadets the fundamentals of automatic control systems design and analysis, as well as the design methods of computer-aided control;
• To support learning by computer-aided control design simulation examples;
• To minimize the gap between control theory and practice, by teaching control implementation;
• To prepare cadets for the “Aircraft Feedback Control Systems” course; this course is offered during the fourth year of studies at the aforementioned department. Furthermore, to facilitate cadets to computer-aided design and testing of automatic flight control systems of modern aircrafts, used by the Hellenic Air Force. Today, during the process of teaching the fundamentals principles of control, the emphasis is not given on tedious calculations, but rather on offering engineering education, focused on the design of real systems, by utilising efficient software tools. Computer-aided control design and control implementation are appropriate tools, because they improve the efficiency of learning the fundamental principles of control and the efficiency of industrial control practices. The performance, stability and control characteristics analysis of dynamic systems can be done on the basis of appropriate Matlab and

Simulink models.

This paper presents a comprehensive and user- friendly tool called the Automatic Control_Systems Teaching Assistant no.2 (abbreviated herein as ACTA-II), which performs complex Automatic Control Systems calculations and graphs in a user- friendly fashion.

Matlab in Engineering / Science Education

Matlab is one of the most popular platforms for scientific and engineering computing. This is due to the inherently implemented plethora of tools for

most engineering/ scientific fields, and to its high computing level implementation which offers the advantage of a sharp learning curve to a beginner. Therefore it is being used around the globe in teaching engineering and science courses such as electronics [Attia, 1999; Dastfan 2007; Andreatos amp; Michalareas, 2008], simulation, signal and image processing, circuit theory, filter design [Andreatos amp; Michalareas, 2008], control systems [Uran amp; Jezernik, 2008; Chatzikos, 2003; Biran amp; Breiner, 1999; Cheever amp; Li, 1998], communication theory, electrical machines [Popescu et al. 2006] etc. It has also been proposed as an e-assessment tool [Andreatos amp; Michalareas, 2008; Andreatos amp; Michalareas, 2008b].

Since Matlab has already inherently implemented powerful functions and toolboxes for most scientific fields, it is a strong candidate for programming educational applications in a corresponding wide range of subjects. In order to analyse the feasibility of Matlab for such applications we have examined the following issues:

• Computational power and plethora of commands for scientific and engineering computing.
• Powerful and easy-to-use plotting features. Graphical User Interface capabilities of Matlab. Matlab has a Graphical Use Interface designer “Guide” [Smith, 2006] through which is relatively easy to get familiar with and requires little knowledge of programming. The addition of elements such as plots, buttons and sliders is straightforward. Matlab provides an easy way to build GUIs with elements such as check boxes, radio buttons, list boxes, pushbuttons etc. [Smith, 2006], and link them to build-in Matlab functions.

Moreove

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MATLAB图形用户界面在教学控制系统中的应用

安东尼奥斯·S·安德烈亚斯和阿纳斯塔西奥斯·D·萨戈里亚诺

阿提卡德凯莱亚希腊空军学院航空工程系，希腊 TGA-1010

aandreatos@gmail.com、aandreatos@hafa.gr、azagorianos@gmail.com

摘要：本文介绍了一种基于MATLAB的用户友好型自动控制系统教学图形用户界面工具的开发与使用。ACTA-II工具——我们称之为它——将用于自动控制系统课程，提供给希腊空军学院的学生。ACTA-II工具有助于自动控制系统的设计。为了证明其功能性，我们提出了一种飞机典型控制系统的逐步解决方案。

关键词：控制系统，飞机控制，极点和零点，根轨迹，图形用户界面，matlab。

1.介绍

向希腊空军学院航空工程系三年级学员提供自动控制系统课程。上述课程贯穿特定年份的两个学期。平均学生人数从25人到30人不等。

在课程开始时，学生具备基础数学、物理、机械、电气和航空工程、电子和编程的背景知识。控制系统入门课程包括以下主题：

bull;单输入单输出（SISO）控制系统的输入输出和状态空间分析；

bull;对MIMO控制系统进行定量和定性分析；

bull;根轨迹和频域控制设计技术；

bull;状态空间设计方法；

bull;最佳控制；和自适应控制。

本课程主要讲授和分析不稳定多变量动力系统的动力稳定性和控制，特别强调现代飞机和航空航天结构的系统。这些工程系统表现出高度的结构不稳定性。其中一个最重要的设计目标是开发一个飞行控制器，以实现改进的系统稳定性和自动控制。控制系统课程的目标如下：

bull;教授学员自动控制系统设计和分析的基础知识，以及计算机辅助控制的设计方法；

bull;通过计算机辅助控制设计模拟实例支持学习；

bull;通过教学控制实施，最大限度地缩小控制理论与实践之间的差距；

bull;为学员准备“飞机反馈控制系统”课程；该课程在上述部门的第四年学习期间提供。此外，帮助学员计算机辅助设计和测试希腊空军使用的现代飞机的自动飞行控制系统。今天，在教授控制基本原理的过程中，重点不在于繁琐的计算，而在于通过使用有效的软件工具，提供工程教育，重点是实际系统的设计。计算机辅助控制设计和控制实现是合适的工具，因为它们提高了学习控制基本原理的效率和工业控制实践的效率。动态系统的性能、稳定性和控制特性分析可以在适当的MATLAB和Simulink模型。

本文介绍了一个综合的、用户友好的工具，称为自动控制系统教学助手2（简称ACTA-II），它以用户友好的方式执行复杂的自动控制系统计算和图形。

2.工程/科学教育中的matlab

Matlab是科学计算和工程计算最流行的平台之一。这是由于大多数工程/科学领域，以及其高计算水平的实现，为初学者提供了一条清晰的学习曲线的优势。因此，它在全球范围内被用于教授工程和科学课程，如电子[Attia，1999；Dastfan 2007；Andreatosamp;Michalareas，2008]、模拟、信号和图像处理、电路理论、滤波器设计[Andreatosamp;Michalareas，2008]、控制系统[Uranamp;Jezernik，2008；Chatzikos，2003；Biranamp;Breiner，199。9；Cheeveramp;Li，1998年），《通信理论》，电机[Popescu等人2006年]等等。它还被提议作为一种电子评估工具[Andreatosamp;Michalareas，2008年；Andreatosamp;Michalareas，2008年b]。由于Matlab已经为大多数科学领域固有地实现了强大的功能和工具箱，因此它是在相应的广泛主题中编程教育应用程序的强有力的候选者。为了分析Matlab在此类应用中的可行性，我们研究了以下问题：

bull;科学和工程计算的计算能力和大量命令。

bull;强大且易于使用的绘图功能。matlab的图形用户界面功能。Matlab有一个图形化的使用界面设计器“指南”[Smith，2006年]，通过它相对容易熟悉并且对编程要求很低。添加绘图、按钮和滑块等元素非常简单。Matlab提供了一种使用复选框、单选按钮、列表框、按钮等元素构建GUI的简单方法[Smith，2006年]，并将它们链接到Matlab函数中。

此外，在[Andreatosamp;Michalareas，2008]中，还研究了另一个重要问题：关于多用户程序的许可。当一个matlab应用程序被设计成一个matlab程序（m-file）时，意味着它需要安装matlab才能运行，除了应用程序开发人员需要的许可外，还需要为每个将要运行该应用程序的不同用户提供一个许可证。如果教育应用程序涉及到数十或数百名学生使用程序，那么所需的许可证数量就matlab的使用而言是一个缺点。在[Andreatosamp;Michalareas，2008]中，有一种方法可以解决这个问题，即使用mcc内置编译器将应用程序转换为matlab可执行文件。其他用户使用这些可执行文件不需要额外的许可证。

3.CTA-II工具说明

ACTA-II工具的目的是以图形、快速、方便和准确的方式显示经典的控制理论系统稳定性准则。这是通过利用matlab强大的计算和图形功能实现的。它是使用嵌入式“指南”matlab工具构建guis的。

图1显示了启动窗口；提示用户在适当的框中输入分子和分母多项式系数。然后他/她可以选择一个下拉菜单（图1）。每个项目的名称提供了所执行操作的信息。有选项可供选择：博德图；奈奎斯特图；尼科尔斯图；根轨迹图和根轨迹与坐标查找工具；后者不仅提供根轨迹点的坐标信息，还提供放大信息，以便用户找到最大值。

图1 ACTA-II工具的介绍屏幕

4.用ACTA-II工具

ACTA-II工具旨在供教师和学生使用，每个用户组以不同的方式使用。让我们介绍一下每组的用法。

4.1.讲师使用

在课堂上演示各种稳定性标准时，ACTA-II工具对教员非常有用；当我们想要对系统的特定系数进行实验并快速获得结果时，它非常有用。此外，它还可以用于设计和微调作业或考试的问题。

4.2.学生使用

ACTA-II工具对学生解决作业和设计最优控制系统也非常有用。

4.3.例子

现在让我们通过一个逐步的例子来演示acta-ii工具的使用。考虑刚性

超音速飞机，其线性动力学由一个简单的单输入单输出传递函数描述（见下文），其中k是一个增益因子，取决于飞机结构和飞行参数。通过单回路反馈控制系统，实现了飞机的动态稳定和轨迹控制，在大范围的工作条件下提供了所需的鲁棒性和性能特性。该问题的目的是评估适当的增益值，以提供所需的飞机性能。前进路径的块是：

（1）使用matlab，我们可以发现等效开环传递函数为：然后我们选择“根轨迹

SYS_O-L=

（2）“坐标查找工具”和“坐标查找工具”出现在图表上。此工具通过鼠标计算选定点的增益k，并显分子和分母多项式,matlab格式分别为[1 3]和[1 5 10 4 0]。

用户必须在相应的图形用户界面文本框中输入多项式，不带括号，术语之间用逗号分隔。然后他/她必须从弹出菜单中选择标准并按下“计算”按钮；该工具将自动计算并在右下角窗口中显示相应的图表，以及左中角窗口中的根（见图2）。“网格”按钮切换图表上的网格。

图2.用ACTA-II工具计算的波特图和根

此类问题中的典型问题是：首先绘制根轨迹图，然后找到系统增益k的适当值，K“根轨迹”，我们得到下图3所示的图表。

图3.根轨迹图

以实现系统（通常是飞机）所需的动态稳定性【Zagorianos，2000年；Paraskevopoulos，1993年】。使用acta-ii工具，我们选择选项点坐标以及位于图形用户界面左下角的相应框中的增益（图4）。

图4.利用查找工具绘制根轨迹图

通过将光标移动到所需区域（在我们的示例中，该区域位于Y轴的左侧）并单击最佳区域（由图5中的一个圆表示），我们得到k的对应值以及k的阶跃响应（参见图6）。

图5.系统稳定性的最佳区域。

阶跃响应表示飞行中突然操纵（操纵）的系统行为。理想的阶跃响应应具有较小的超调量、较低的固有频率和相对较高的倾卸比，以使飞机保持稳定并尽可能平稳地运行。因此，我们需要先尝试几个值，然后才能得到一个良好的操作点。

图6.在选定点获得k和阶跃响应

acta-ii工具还为所选k（在命令窗口中）提供开环和闭环传输功能，如图7和图8所示。

图7.Matlab产生的开环传递函数

图8.由Matlab产生的闭环传递函数

因此，ACTA-II工具大大方便了飞行控制系统的设计。

5.结论

本文介绍的工具旨在演示一种使用matlab进行自动控制系统教学和学习的图形用户界面工具。ACTA-II是解决工程教育问题的合适工具，没有独特的解决方案，但有许多好的解决方案。此外，还为学习者提供了使用不同参数集和稳定性标准进行实验的可能性。如果学生没有安装整个软件，可以将acta-ii工具作为matlab编译器创建的可执行文件分发给学生。

该应用表明，Matlab强大的工具不仅能为控制系统提供教学工具，而且能为教师提供

此外，对于许多其他专业，使用适当的matlab内置函数进行适度编码【Andreatosamp;Michalareas，2008年；Andreatosamp;Michalareas，2008年b】。

参考文献：

[1]J.O.Attia，用Matlab教授电子学，in proc.第26届教育前沿会议，1996年11月第2卷，第609-611页。

[2]A.Dastfan，《交互式电力电子课程的实施与评估》，WSEAS Trans.关于工程教育的进展，第8期，第4卷，2007年8月，第166-171页。

[3]A.Andreatos和G.Michalareas，用Matlab进行工程教育电子评估；电子设计案例研究，正在进行中。2008年7月，希腊赫拉克利翁，国际工程教育会议。

[4]A.Andreatos和G.Michaares，通过Matlab促进E-评估，正在进行中。Ed-Media，教育多媒体、超媒体和电信世界会议，奥地利维也纳，2008年6月30日至7月4日（b）。

[5]S.Uranamp;K.Jezernik，创新控制设计实验虚拟实验室，IEEE Trans.关于教育，第51卷（1），2008年2月，第69-75页。

[6]E.Chatzikos，Matlab 6 for Engineers，Thessalonica，希腊：Tziola，2003.

[7]A.Biranamp;M.Breiner，Matlab 5 for Eng Neers，第2版，Addison-Wesley-Longman，1999年。

[8]E.Cheever和Y.Li，从分段线性渐近近似构造Bode图的工具，国际工程教育杂志，1998年，http://www.ijee.dit.ie/onlinepapers/interactive/c heevers/eacwebpaper/index.htm。

[9]M.Popescu，A.Bitoleanu和M.Dobriceanu，Matlab GUI在感应电机驱动系统能量性能分析中的应用，WSEAS Trans.《工程教育进展》，第5期，第3卷，2006年5月，第304-311页。

[10]S.T.Smith，Matlab高级图形用户界面开发。印第安纳波利斯：狗耳朵出版，2006年。

[11]A.D.Zagorianos，《飞机飞行动力学和自动飞行控制》，Dekeleia，雅典，希腊：希腊空军学院，2000年（希腊语）。

[12]P.N.Paraskevopoulos，《自动控制系统应用问题的解决》，希腊雅典：雅典国家技术大学，1993年（希腊）。

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