Simulink与Multisim在“自动控制原理”课程中的应用

江凯华，陈 铭

（湖北文理学院 汽车与交通工程学院，湖北 襄阳 441053）

经典控制理论中，常用的分析方法有时域法、根轨迹法和频域法3种；非线性系统有相平面法和描述函数法。其本质是图解和分析，在这里我们讨论线性系统。

首先可以设计典型环节的模拟电路，将它们描绘在Multisim环境中，可以改变各个部分的参数，用模拟示波器观察各个节点的波形来观察结果，之后从模拟的电路中计算出各个环节的传递函数，再用Simulink绘制整个控制系统模型，通过Simulink计算出控制系统的输出与波形图和电路仿真的结果进行对比，找出差异，分析原因。同时在实验课程中搭建相应的模型，观察其结果与波形，然后将三者的数据进行对比，分析其中的差异原因，进而加深理解[1-2]。

1 仿真工具

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

2 实验过程（以典型二阶系统例）

本系统闭环传递函数如下式：

式中，T=RC，K=R2/R1。将本式与典型二阶系统的闭环传递函数

进行对比，可得：wn=1/T=1/RC，z=K/2=R2/2R1

改变R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比z。改变RC值可以改变无阻尼自然频率wn。然后得到整个系统的动态性能指标，峰值时间、调节时间、延迟时间、超调量等性能指标。

超调量σ＝[tp—t（∞）]／t（∞）×100%

用Multisim软件仿真使用的都是理想元器件，无论是速率还是效率上都比实际元器件要强，使用Multisim元器件可以根据电路实际情况来修改元件参数，例如，我们可以改变电容C的值来改变自然频率wn或者改变阻尼比ξ得到3种不同的阻尼情况进而观察整个波形的变换；同时在用Multisim进行仿真时需要思考改变其他参数对电路的整体影响。

Simulink是对系统进行建模并仿真，Multisim电路仿真如图1所示。因此，需要根据系统的传递函数构建结构模型并输入对应参数。Simulink模型仿真波形如图2所示，由此结构图在Simulink中画出相应的模型。

我们可以改变该系统的非单位负反馈环节的参数来得到不同的阻尼比ξ，或者改变前向通道环节的参数，进而得到该系统的动态性能指标，如超调量σ，峰值时间tp，调节时间ts等。

用Simulink进行控制系统仿真比用其他软件进行控制系统仿真更加便捷、简单、高效，但是Simulink应用于理论上，比较抽象，所以用Multisim进行电路仿真，更加切实、可感。Simulink和Multisim同时对控制系统进行多次仿真实验，加深对课堂知识的记忆，也促使我们思考在仿真过程中出现的一些问题，比如如何用Simulink画出更加简洁、有效的模型，控制系统的动态性能指标随各个参数的变化而如何变化等。实验室通过实验箱撘出实际电路得出的波形如图3所示。

可以看出，相同的电路模型，用3种不同方式得出的结论大致上相同。同一个系统，学会用不同的角度和方式来求解，这样，既培育了发散型思维能力又促进了同学们对自动控制原理课程的理解，也使得同学们接触这些常用的软件，为以后的工作或者深造培养基础。

图1 Multisim电路仿真

图2 Simulink模型仿真波形

图3 实验箱实验波形

3 结语

“自动控制原理”是自动化专业最为重要的一门课程，我们可以运用Multisim与Simulink等软件或者模块进行仿真，弥补同学们在学习过程中对实际电路操作不足的缺憾，使理论知识在实践中得以运用，也培养了学生的学习兴趣、提高课堂效率。同时学会使用这些软件或者模块也拓宽我们的知识视野，丰富学生的课外生活，这些软件或者模块同样也可以运用到其他的专业课程或者实际应用中去。

[参考文献]

[1]胡寿松.自动控制原理[M].6版.北京：科学出版社，2013.

[2]王正，林王琪.Matlab/Simulink与控制系统仿真[M].3版.北京：电子工业出版社，2013.