MATLAB仿真技术在自动化专业教学中的应用

赵丽艳

(吉林工程技术师范学院电气工程学院，吉林长春130052)

MATLAB是matrix＆laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂(矩阵实验室)，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，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。可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB语言具有下面四个特点:一是高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来;二是具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化;三是友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握;四是功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等)，为用户提供了大量方便实用的处理工具。

由于MATLAB具有这样的特点，所以在计算机辅助分析、设计、仿真、教学等方面应用极其广泛。

1 将MATLAB仿真技术应用于虚拟实验平台设计

利用matlab可以对自动控制系统进行仿真研究，通过多媒体授课的方式，向学生演示系统建模、分析、调试等过程。但实际授课时，程序的使用和参数调试比较麻烦，每次参数调试均得在主机上运行，然后才可以观测在目标机上的效果。虽然教学效果得到改善，但调试程序所占的时间增加，参数整定也不容易。针对Matlab提供的图形用户界面开发环境GUIDE，快速构造图形用户界面。使用GUIDE处理图形用户界面是很容易的，就像在纸上画图一样方便。图1为GUIDE程序界面:在界面的左侧给出了工具栏，可以进行9种界面控件，右侧的窗口区即为要设计的用户区。双击用户区，出现功能对话框，允许用户修改其中的内容来改变窗口的属性。用户在此窗口可制做自己的界面，通过左击的方式选中其中一个控件，就可在右侧的用户区绘制出这个控件，并定制功能，建立相应控件的回调函数(callback)，最后运行。利用GUIDE软件制作的界面，能够实时地调整控制器参数和运行环境，并能进行各种各样的参数显示。因此，利用matlab开发的虚拟仪器用于教学，可使学生在教室感受到实验室的工作环境。图2为Lorenz控制的仿真实验平台，通过修改参数设置栏内的参数即可得到不同的动态曲线及响应特性。

图1 Guide程序界面及说明

图2 Lorenz控制的仿真实验平台

2 MATLAB仿真技术和虚拟现实技术的完美结合

虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，可以提供使用者关于感官的模拟，让使用者如同身临其境一般。图3为基于MATLAB虚拟现实工具箱建立的飞机飞行仿真模块框图，点击仿真运行后，得到图4的飞机飞行过程的虚拟现实画面。由于仿真是采用交互式视景仿真，所以学生不仅能观看仿真演示，还能对其中部分对象进行操作，在空间中使其自主移动，这样就会使学生产生强烈的参与意识，激发他们的学习热情，达到提高教学质量的目的。

图3 飞机飞行仿真模块框图

图4 飞机飞行过程的虚拟现实显示

3 应用MATLAB/Simulink仿真软件模拟实验环境

在教室授课过程中，为了让学生理解理论分析得出的结果，有时需要带着教具进入课堂，对分析的系统特性进行实验验证。建立MATLAB仿真平台后，有些典型系统的设计案例可以直接应用MATLAB/SIMULINK仿真软件进行演示，不再需要实物教具。SIMULINK还提供了各种各样的曲线和数据输出模块。为提高学生理论与实际的联系，SIMULINK提供了一系列ActiveX技术的表盘与量计显示部件，如安培表、压力表等(如图7所示)。以图5的异步电机simulink仿真模型为例，输出端口采用虚拟示波器。通过仿真，即可在虚拟的示波器中观看到想要的异步电机输出转速和转矩的响应曲线(如图6所示)。

图7 圆形表盘与量计库

图6 异步电机转速、误差波形

应用matlab软件制作的平台，可以很大程度上解决自动化专业教学中的大量矩阵分析、原理分析、数据计算等问题，并且应用该软件制作的课件互动性很强，学生可以独立设计，根据自己设计的需要在虚拟平台上搭建电路，采用不同的控制算法进行电机转速的调试，同时优化自己的设计。这样，既大大调动了学生的积极性，又降低了实验设备的维护成本和低值易耗品的消耗，收到了良好的教学效果。

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