摘要
本研究聚焦于控制系统分析工具的开发，借助MATLAB平台与deepSeek-R1大数据AI模型，实现了一个功能较为完备的控制系统分析工具。文章详细阐述了工具的设计思路、开发过程以及实际应用，涵盖从需求分析、界面设计、代码编写到功能实现与测试的全流程。通过对比传统开发方式与借助AI模型的开发过程，深入探讨了AI在控制系统分析工具开发中的优势与潜在价值，为相关领域的研究与实践提供了有价值的参考。
关键词
MATLAB；deepSeek-R1；控制系统分析；GUI界面设计；传递函数分析
一、引言
在现代工程与科学研究中，控制系统的性能分析至关重要。MATLAB作为一款广泛应用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，为控制系统分析提供了强大的工具集。随着人工智能技术的发展，大数据AI模型如deepSeek-R1在各个领域展现出巨大的应用潜力。将MATLAB与deepSeek-R1相结合，开发控制系统分析工具，能够为工程师和研究人员提供更高效、便捷的分析手段。
二、MATLAB在控制系统分析中的基础
2.1 MATLAB的功能优势
MATLAB拥有丰富的工具箱，其中控制系统工具箱（Control System Toolbox）专门针对控制系统的建模、分析和设计提供了一系列函数。例如，传递函数（Transfer Function）作为控制系统分析的重要概念，在MATLAB中可通过 tf 函数进行创建和操作。对于一个简单的一阶系统，传递函数G(s)=\frac{1}{1 + s}，在MATLAB中可以使用 s = tf('s'); G = 1/(1 + s) 进行定义，这使得对系统的数学描述和后续分析变得简便高效。
2.2 时域与频域分析方法
在控制系统分析中，时域分析和频域分析是两种常用的手段。时域分析关注系统在输入信号作用下的输出随时间的变化情况，如单位阶跃响应和单位冲激响应。在MATLAB中，使用 step 函数可计算系统的单位阶跃响应， impulse 函数则用于计算单位冲激响应。频域分析通过研究系统对不同频率正弦输入的响应，获取系统的频率特性，伯德图（Bode Plot）和奈奎斯特图（Nyquist Plot）是频域分析的重要工具。 bode 函数和 nyquist 函数分别用于绘制伯德图和奈奎斯特图，为系统的稳定性和性能评估提供直观依据。
三、控制系统分析工具的需求分析
3.1 用户需求调研
通过对相关领域用户的调研发现，控制系统分析工具应具备以下功能：用户能够输入开环传递函数G(s)、反馈函数H(s)以及PID参数；支持单位阶跃信号、脉冲信号以及外部导入信号的分析；提供时域分析和频域分析的可视化结果，包括响应图像和重要参数显示，以便用户进行系统性能评估和后续的优化校正工作。
3.2 功能设计目标
基于用户需求，确定工具的功能设计目标为：实现对用户输入的传递函数和参数进行准确解析和处理；在时域分析中，精确计算并绘制不同输入信号下的响应曲线，并给出超调量、稳态误差和稳定时间等关键参数；在频域分析中，根据系统参数变化实时更新伯德图和奈奎斯特图，并显示增益裕量、相位裕量等重要指标。
四、基于deepSeek-R1的开发思路
4.1 deepSeek-R1的作用与优势
deepSeek-R1作为大数据AI模型，在控制系统分析工具开发中发挥了重要作用。在面对设计有界面的控制系统分析工具这一任务时，deepSeek-R1能够通过对问题的理解和分析，提供详细的开发步骤和代码框架。与传统开发方式相比，其优势在于能够快速梳理任务需求，提供全面的设计思路，包括确定App的基本结构、处理用户输入、编写回调函数以及考虑可能出现的问题及解决方案，极大地提高了开发效率。
4.2 开发步骤的详细解析
1. 确定App基本结构：使用MATLAB的App Designer工具创建UI界面，包括输入框、按钮和坐标轴等组件。输入框用于用户输入传递函数和参数，按钮用于触发相应的分析功能，坐标轴用于显示分析结果的可视化图像。
2. 处理用户输入：用户输入的传递函数通常以字符串形式存在，如“1/(1 + s)”。为了将其转换为MATLAB中的传递函数对象，需要使用 str2sym 或 eval 函数。考虑到安全性和代码的简洁性，在本地工具开发中，合理使用 eval 函数是可行的，但需确保变量 s 已被正确定义为 s = tf('s') 。
3. 编写按钮回调函数：当用户点击“阶跃响应”或“冲激响应”按钮时，回调函数被触发。在回调函数中，首先获取编辑框中的字符串，将其转换为传递函数，然后调用 step 或 impulse 函数计算响应，并将结果绘制在坐标轴上。同时，使用 try - catch 块处理可能的输入错误，如无效的传递函数表达式，确保程序的稳定性和可靠性。
4. 考虑UI布局与用户体验：在App Designer中，通过合理的布局设计，使输入框、按钮和坐标轴等组件排列整齐、美观，方便用户操作。例如，可以使用网格布局或自由排列的方式，根据用户习惯和操作流程进行组件布局，提高用户体验。
五、工具的实现过程
5.1 界面设计与布局
在MATLAB App Designer中，新建一个空白App。拖拽编辑框（Edit Field）到画布，设置其标签为“开环传递函数G(s):”，Tag为 GEditField ，用于用户输入开环传递函数。添加两个按钮（Button），分别命名为“阶跃响应”（Tag： StepResponseButton ）和“冲激响应”（Tag： ImpulseResponseButton ），用于触发相应的分析功能。再添加一个坐标轴（Axes），Tag设为 UIAxes ，用于显示分析结果的图形。通过调整组件的位置和大小，使界面布局合理、美观。
5.2 代码编写与功能实现
1. 阶跃响应按钮回调函数：
function StepResponseButtonPushed(app, event)
try
s = tf('s'); % 定义拉普拉斯变量s
G = eval(app.GEditField.Value); % 转换输入为传递函数
validateattributes(G, {'tf'}, {'scalar'}); % 验证是否为传递函数
[y, t] = step(G); % 计算阶跃响应
% 绘图
plot(app.UIAxes, t, y, 'b-', 'Linewidth', 1.5);
title(app.UIAxes, '阶跃响应');
xlabel(app.UIAxes, '时间(秒)');
ylabel(app.UIAxes, '幅值');
grid(app.UIAxes, 'on');
catch ME
uialert(app.UIFigure, ME.message, '错误'); % 错误提示
end
end
1. 冲激响应按钮回调函数：
function ImpulseResponseButtonPushed(app, event)
try
s = tf('s');
G = eval(app.GEditField.Value);
validateattributes(G, {'tf'}, {'scalar'});
[y, t] = impulse(G); % 计算冲激响应
plot(app.UIAxes, t, y, 'r-', 'Linewidth', 1.5);
title(app.UIAxes, '冲激响应');
xlabel(app.UIAxes, '时间(秒)');
ylabel(app.UIAxes, '幅值');
grid(app.UIAxes, 'on');
catch ME
uialert(app.UIFigure, ME.message, '错误');
end
end
1. 完整代码结构：在App Designer生成的代码框架基础上，将上述回调函数添加到相应的位置。同时，确保App的初始化、组件创建和销毁等函数的正确编写，以保证程序的正常运行。例如，在 createComponents 函数中，创建并初始化UI界面的各个组件；在 app 构造函数中，调用 createComponents 函数并注册App；在 delete 函数中，确保在App关闭时正确销毁相关资源。
5.3 功能扩展与优化
在实现基本的阶跃响应和冲激响应功能后，可以进一步扩展工具的功能。例如，添加反馈函数和PID参数的输入功能，以及频域分析中的伯德图和奈奎斯特图绘制功能。在添加反馈函数和PID参数输入时，需要在界面上增加相应的编辑框和复选框，并在代码中编写相应的处理逻辑。对于频域分析功能，可编写 Button_BodePushed 和 Button_NyquistPushed 回调函数，分别用于绘制伯德图和奈奎斯特图，并计算和显示增益裕量、相位裕量等指标。同时，在代码中添加对系统稳定性的判断，当系统不稳定时，在图形上进行明确提示。
六、工具的测试与验证
6.1 测试用例设计
为确保工具的准确性和稳定性，设计一系列测试用例。针对不同类型的传递函数，如一阶系统（如G(s)=\frac{1}{1 + s}）、二阶系统（如G(s)=\frac{1}{s^2 + 2s + 1}）等，分别进行阶跃响应和冲激响应测试。同时，测试输入错误的情况，如输入无效的传递函数表达式（如“1/(1 + )”）、未定义变量（如使用“1/(1 + p)”而未定义 p ）等，检查程序是否能够正确捕获错误并给出提示。
6.2 测试结果分析
通过对测试用例的运行，分析测试结果。对于正确输入的传递函数，验证响应曲线的形状和关键参数（如超调量、稳态误差、稳定时间等）是否与理论值相符。在频域分析中，检查伯德图和奈奎斯特图的绘制是否准确，增益裕量和相位裕量的计算是否正确。对于输入错误的情况，确认程序能够及时弹出错误提示，且不会导致程序崩溃或出现异常行为。根据测试结果，对工具进行进一步的优化和改进，确保其性能的可靠性。
七、结论与展望
7.1 研究成果总结
本研究成功开发了基于MATLAB与deepSeek-R1的控制系统分析工具，实现了用户对开环传递函数、反馈函数和PID参数的输入，以及时域分析和频域分析的可视化功能。通过工具的应用，能够快速准确地获取控制系统的性能指标，为系统的优化和校正提供有力支持。同时，借助deepSeek-R1的强大功能，简化了开发流程，提高了开发效率。
7.2 未来发展方向
未来，可进一步扩展工具的功能。在输入方面，增加对多输入多输出系统的支持，允许用户输入更复杂的系统模型。在分析功能上，添加更多的分析方法，如根轨迹分析、 Nichols图分析等，以满足不同用户的需求。此外，结合深度学习算法，实现对控制系统性能的智能预测和优化建议，提升工具的智能化水平。同时，加强对工具的用户界面优化，提高用户体验，使其在控制系统分析领域发挥更大的作用。