CN103942380A - 图形化控制系统设计与仿真工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自动化学科图形化控制系统设计与仿真工具，包括：基本模块库、建模方法库、控制算法库、连接工具、运行工具、设计窗口以及仿真窗口。利用本系统进行设计仿真的流程为，在基本模块库、建模方法库、控制算法库中分别选择合适的输入图形模块，输出图形模块、建模方法图形模块以及控制算法图形模块，在设计窗口中调整各图形模块的位置并使用连接工具连接成完整的控制系统，最后启动运行工具并在仿真窗口中观测仿真结果。本发明提供的工具仅需要进行图形化操作而不需要二次编程开发，即使用户完全不清楚原理的情况下也能进行控制算法的设计与仿真。

Description

图形化控制系统设计与仿真工具
技术领域
本发明涉及自动化学科控制领域，特别是图形化控制系统设计与仿真工具。 
背景技术
随着计算机技术的发展，利用设计仿真工具进行辅助设计与仿真已成为各种控制系统研制过程的一种必不可少的手段。国内外已有可用于控制算法设计与仿真的典型系统主要有Matlab Simulink、MapleSim控制设计工具箱、SimulationX，JModelica.org等。
Matlab Simulink是一个用来建模、仿真和分析动态系统的软件包。它基于MATLAB的框图设计环境，支持线性和非线性系统，可以用连续采样时间、离散采样时间进行建模，也支持多速率系统。Simulink提供了一个建立模型方块图的可视化的图形用户接口，用户可以在这个可视窗口中通过单击与拖动鼠标来完成系统建模。利用这个接口，用户可以像用笔在草纸上绘制模型一样，只要构建出系统方块图即可。这与以前仿真软件包要求解算微分方程和编写算法语言不同，它提供的是一种快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到仿真的结果。Simulink是目前使用最广泛的建模和仿真动态系统的软件包。
MapleSim是加拿大Maplesoft公司开发的高性能、多领域物理建模和仿真工具。与其他建模仿真工具不同的是MapleSim建立在符号—数值混合计算技术基础之上，能够有效地管理工程系统模型（例如多领域系统和控制工程中控制对象的模型）中涉及的复杂数学问题。研究人员和工程师可以使用分析工具深入了解他们的系统，同时减少模型开发时间，生成高保真、高性能的模型。MapleSim控制工具箱采用符号方式设计、分析和试验控制系统，具有很大的灵活性和精确性。通过在MapleSim环境中协同开发设备模型和控制器，可以加快开发进程，减少工具切换带来的不便，开发出高保真和高精度的控制器。
SimulationX是德国ITI公司开发的一款新一代非线性动力系统建模设计和仿真工程软件，是多学科领域建模、仿真和分析的通用CAE工具。利用SimulationX也可以进行控制系统的建模及控制算法的设计与分析，SimulationX已经广泛地应用于机电系统设计、机器人及控制系统优化、发动机和车辆冷却系统、电磁驱动机构的设计等。
JModelica.org是瑞典隆德大学(Lund University)开发的一个基于Modelica语言的开放的复杂动态系统优化、仿真与分析的平台，可用于控制系统的建模及控制律设计、优化与仿真。
以上各种系统的主要问题在于它们都是通用型的设计仿真软件，不是专门针对控制系统设计与仿真开发的，它们都只提供了一些基本功能模块，利用上述各系统进行控制系统设计与仿真时需进行二次编程开发，用户必须了解控制原理才能编程实现，设计过程复杂且工作量较大，不适合一般工程技术人员进行快速设计与仿真。
针对现有控制系统设计与仿真工具存在的问题，本发明提出一种专门针对控制系统设计与仿真的工具。相比于已有控制算法设计与仿真工具，本发明提供的工具仅需要进行图形化操作而不需要进行任何二次编程开发，即使用户不清楚算法原理的情况下也能简单快捷地进行控制系统的设计与仿真。
 
发明内容
为了设计一种专门针对控制系统设计与仿真的简单便捷工具，使用户不需要进行二次编程开发，即使在不清楚算法原理的情况下也能进行控制系统的设计与仿真。本发明提供图形化控制系统设计与仿真工具由C#语言编程实现，具体包括如下功能模块：
基本模块库(1)：基本模块库(1)中包括22种常用的输入信号，如正弦信号、余弦信号、脉冲信号等，每种输入信号由C#语言编程实现并被封装为一个基本图形模块，每个基本图形模块包含1个输出端子；基本模块库中还包括3种基本的输出模块，每种输出模块由C#语言编程实现并被封装为一个图形模块，每个图形模块包含1~3个输入端子；
建模方法库(2)：建模方法库(2)中包括12种常用的控制建模方法，每种建模方法由C#语言编程实现并被封装为一个建模方法图形模块，每个建模方法图形模块包含1~4个输入端子与1~4输出端子，分别对应各个建模方法的若干输入、输出参数；
控制算法库(3)：控制算法库(3)中包括18种常用的控制算法，每种控制算法由C#语言编程实现并被封装为一个控制算法图形模块，每个控制算法图形模块具有1~4个输入端子与1~4输出端子，分别对应控制算法的若干输入、输出参数；
连接工具(4)：连接工具(4)用于将设计窗口(6)中各个图形模块的输入端子与输出端子连接起来，形成信号通路；
运行工具(5)：运行工具(5)用于计算设计窗口（6）中连接好的控制系统在输入模块作用下的输出结果，并将结果以曲线形式显示在仿真窗口7中；
设计窗口(6)：设计窗口(6)用于进行图形化的控制系统设计与编辑，在该窗口中可分别利用基本模块库、控制算法库、建模方法库中提供的不同图形模块可共计设计出18*12=216种不同的控制系统，并进行22种不同输入信号的仿真实验，具体过程为，在基本模块库(1)中选择输入图形模块，输出图形模块，在建模方法库(2)选择建模方法图形模块，在控制算法库(3)选择控制算法图形模块，所有被选择图形模块将会显示在设计窗口(6)中，调整各图形模块至合适位置并使用连接工具(5)将各图形模块的输出端子、输入端子连接成通路，完成控制系统设计；
仿真窗口(7)：    仿真窗口(7)用于显示设计的控制系统在运行工具(5)作用下的运行结果，运行结果为一条或多条仿真曲线，仿真曲线的横坐标为时间，纵坐标为输出模块输出端子的数值。
本发明提出的图形化工具专门针对一般工程技术人员的控制系统设计与仿真需求，将常用的输入、输出、建模方法、控制算法等均封装为图形化模块，用户使用时只需要选择相应的图形模块，并使用系统提供的连接工具将相应模块连接起来即可进行系统设计，执行运行工具即可观察系统仿真结果。用户不再需要繁琐复杂的二次编程，即使在不清楚算法原理的情况下也能进行的系统设计与仿真。
 
附图说明
图1为本发明图形化控制系统设计与仿真工具功能模块图。
图2为利用本发明提供的设计与仿真工具进行设计仿真实施例一示意图。
图3为利用本发明提供的设计与仿真工具进行设计仿真实施例二示意图。
 
实施例一
如图2为利用本发明提供的设计与仿真工具进行设计仿真实施例一示意图，实施例一具体实施步骤如下：
步骤S1：在基本模块库(1)中选择正弦输入图形模块Sin与具有一个输入端子的输出图形模块Out1；
步骤S2：在建模方法库(2)中选择单输入、单输出的建模方法图形模块Meth1；
步骤S3：在控制算法库(3)中选择单输入、单输出的控制算法图形模块Alg1；
步骤S4：在设计窗中(6)中将所选择的四个图形模块调整到合适位置；
步骤S5：将输入图形模块Sin的输出端子与建模方法图形模块Meth1的输入端子、建模方法图形模块Meth1的输出端子与控制算法图形模块Alg1的输入端子、控制算法图形模块Alg1的输出端子与输出图形模块Out1的输入端子，从左至右依次使用连接工具(4)依次连接起来；
步骤S6：启动运行工具(5)，在仿真窗口(7)中观察系统仿真结果。
 
实施例二
如图3为利用本发明提供的设计与仿真工具进行设计仿真实施例二示意图，实施例二具体实施步骤如下：
步骤S1：在基本模块库(1)中选择正弦输入图形模块Sin、余弦输入图形模块Cos，具有两个输入端子的输出图形模块Out2；
步骤S2：在建模方法库(2)中选择两输入、三输出的建模方法图形模块Methj；
步骤S3：在控制算法库(3)中选择单输入单输出的控制算法图形模块Alg1、两输入单输出的控制算法图形模块Alg2；
步骤S4：在设计窗中(6)将所选择的6个图形模块调整到合适位置；
步骤S5：将下述端子从左至右依次使用连接工具(4)连接起来：输入图形模块Sin的输出端子与建模方法图形模块Methj的第一个输入端子、输入图形模块Cos的输出端子与建模方法图形模块Methj的第二个输入端子、建模方法图形模块Methj的第一个输出端子与控制算法图形模块Alg1的第一个输入端子、建模方法图形模块Methj的第二个输出端子与控制算法图形模块Alg2的第一个输入端子、建模方法图形模块Methj的第三个输出端子与控制算法图形模块Alg2的第二个输入端子、控制算法图形模块Alg1的输出端子与控制算法图形模块Out2的第一个输入端子、控制算法图形模块Alg2的输出端子与控制算法图形模块Out2的第二个输入端子；
步骤S6：启动运行工具(5)，在仿真窗口(7)中观察系统仿真结果。

Claims (1)

1.一种图形化控制系统设计与仿真工具，其特征在于，所述图形化控制系统设计与仿真工具由C#语言编程实现，包括如下功能模块：
基本模块库(1)：基本模块库(1)中包括22种常用的输入信号，如正弦信号、余弦信号、脉冲信号等，每种输入信号由C#语言编程实现并被封装为一个基本图形模块，每个基本图形模块包含1个输出端子；基本模块库中还包括3种基本的输出模块，每种输出模块由C#语言编程实现并被封装为一个图形模块，每个图形模块包含1~3个输入端子；
建模方法库(2)：建模方法库(2)中包括12种常用的控制建模方法，每种建模方法由C#语言编程实现并被封装为一个建模方法图形模块，每个建模方法图形模块包含1~4个输入端子与1~4输出端子，分别对应各个建模方法的若干输入、输出参数；
控制算法库(3)：控制算法库(3)中包括18种常用的控制算法，每种控制算法由C#语言编程实现并被封装为一个控制算法图形模块，每个控制算法图形模块具有1~4个输入端子与1~4输出端子，分别对应控制算法的若干输入、输出参数；
连接工具(4)：连接工具(4)用于将设计窗口(6)中各个图形模块的输入端子与输出端子连接起来，形成信号通路；
运行工具(5)：运行工具(5)用于计算设计窗口（6）中连接好的控制系统在输入模块作用下的输出结果，并将结果以曲线形式显示在仿真窗口7中；
设计窗口(6)：设计窗口(6)用于进行图形化的控制系统设计与编辑，在该窗口中可分别利用基本模块库、控制算法库、建模方法库中提供的不同图形模块共计设计出18*12=216种不同的控制系统，并进行22种不同输入信号的仿真实验，具体过程为，在基本模块库(1)中选择输入图形模块，输出图形模块，在建模方法库(2)选择建模方法图形模块，在控制算法库(3)选择控制算法图形模块，所有被选择图形模块将会显示在设计窗口(6)中，调整各图形模块至合适位置并使用连接工具(5)将各图形模块的输出端子、输入端子连接成通路，完成控制系统设计；
仿真窗口(7)：仿真窗口(7)用于显示设计的控制系统在运行工具(5)作用下的运行结果，运行结果为一条或多条仿真曲线，仿真曲线的横坐标为时间，纵坐标为输出模块输出端子的数值。
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