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（西安邮电大学 自动化学院,陕西 西安 710121）
【摘 要】本文基于MATLAB建立了《计算机控制技术》课程控制算法仿真平台,通过友好的人机交互界面,实现控制算法的选择、参数的设置、动态仿真以及算法改进前后的控制效果对比等.将抽象的理论知识变成直观的感性认识,使学生能更直观、高效地理解和掌握所学内容,培养学习兴趣和能力,取得了良好的教学效果.
【关键词】控制；算法；仿真
Design of Control Algorithm Simulation Platform for Computer Control Technology Course
WEI Qiu-yue NIU Xue－ｆeng
(School of Automation, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an Shaanxi 710121)
【Abstract】A control algorithm simulation platform for Computer Control Technology course was established based on MATLAB in this paper. The choice of control algorithm, parameter setting, dynamic simulation, and contrast of different algorithm was achieved through friendly human-computer interaction interface. The abstract theoretical knowledge was converted into visual perceptual knowledge, so that the students can more effectively to understand and grasp what they learnt, cultivate interest in learning and ability, and achieve good teaching effect.
【Key words】Control, Algorithm, Simulation
0 引言
《计算机控制技术》是工业电气自动化、自动控制、计算机应用等专业的主要专业课程之一[1].具有实践性和综合性强、课程抽象、学习难度大等特点.尤其是其中的控制算法,既是计算机控制系统的核心,也是整个计算机控制系统设计中的难点,并且由于控制算法数量多,理论性强,采用常规的讲授方法,学生不易理解,教学效果不是很理想.基于此,本文以MATLAB为工具,通过编写M文件、构建SIMULINK框图对主要算法进行仿真实现,并通过 GUI (图形用户界面 )设计友好的人机交互界面,实现控制算法的选择、参数的设置、动态仿真以及不同算法的控制效果对比等.在建模仿真的过程中将抽象的理论知识变成直观的感性认识,使学生可以更直观、高效地理解和掌握所学知识,培养学生的学习兴趣和能力,提高教学质量.
1. 仿真平台规划
MATLAB是目前应用最广泛的科学工程运算软件,内嵌的SIMULINK是MATLAB的重要组件之一,无需大量的程序代码,只需建立仿真框图即可实现对复杂系统的交互式动态建模、仿真以及综合分析,令繁琐的仿真实现过程变得清晰可见.MATLAB的M文件工作方式,可以将MATLAB的语言代码全部写在一个文本文件——M文件中运行,用户还可以根据需要自编一些函数,方便程序的修改与维护,提高代码的可重用性.MATLAB GUI是MATLAB的图形用户界面开发环境[2],使用它,用户无需了解图形实现的细节内容,便可以绘制复杂的图形以及设计出美观、方便的菜单化和控件式的人机交互界面.本文使用SIMULINK、M文件以及GUI实现《计算机控制技术》课程中的控制算法仿真平台设计.
2. 控制算法的M文件仿真
《计算机控制技术》课程中的控制算法主要有数字PID的各类控制算法、Smith补偿算法、最少拍控制器的设计方法、大林算法以及滞后过程的预估控制算法等.数字PID控制算法有常规算法和改进算法两大类,常规算法分为位置型和增量型,改进算法主要有积分分离PID算法、抗积分饱和PID算法、变速积分PID算法等,这部分使用M文件进行仿真.M文件仿真时,首先新建一个空M文件,之后依据算法表达式在空M文件中输入MATLAB程序并以.m后缀保存,最后在命令窗口键入保存的文件名即可以运行该文件.之后通过 GUI开发环境设计友好的人机交互界面,实现控制算法的选择、算法参数的设置、系统的动态仿真以及不同算法效果对比等.
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仿真平台中的人机交互界面之一如图1所示.在该界面中点击相应按钮可以选择不同的PID算法,算法改进前后的效果对比也可以直观地得以呈现.此外,通过修改算法的参数,可以让学生高效地理解不同参数对系统性能的影响.图1的曲线是积分分离PID控制算法的仿真结果,被控对象为G（Ｓ）＝,采样时间为1ms,ｒｉｎ（ｋ）＝１．０.
3. 控制算法的SIMULINK仿真
《计算机控制技术》课程中的Smith补偿算法、最少拍数字控制器、大林算法以及滞后过程的预估控制算法等使用SIMULINK进行仿真.之后在 GUI开发环境中设计友好的人机交互界面,实现控制算法的选择、参数的设置以及系统的动态仿真等,如图2所示.图中的曲线是未消除振铃的Dahlin算法的仿真结果,被控对象Ｇ■（ｓ）＝■×■,采样周期T等于0.08s, Ｔ■＝０．１５８.
4. 编译GUI生成应用程序
为了能够在没有安装MATLAB的计算机上使用该仿真平台,需要将以上设计文件编译成可以独立执行的应用程序.该过程分三个步骤：安装Lcc编译器（MATLAB自带）,配置编译器,编译脚本.最后生成的后缀为.ctf和.exe的文件即为脱离MATLAB环境运行必需的文件.此后若要在未安装MATLAB的机器上运行该可执行程序,只需将MATLAB安装目录下的\toolbox\compiler\deploy\win32中的MCRinstaller.exe安装到该计算机后,点击执行编译生成的.exe文件即可.
5. 结论
本文针对《计算机控制技术》课程中控制算法数量多,理论性强,采用常规的讲授方法,学生不易理解、教学效果不理想的问题,设计了该课程的控制算法仿真平台,让抽象的理论得以直观、生动的呈现,使学生深入、高效地理解和掌握所学内容,在教学中取得了良好的教学效果.
【参考文献】
［１］赖寿宏,主编.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社,2008.
［２］赵景波,主编.MATLAB控制系统仿真与设计[M].北京：机械工业出版社,2010.
［３］论文范文.基于Simulink的电力系统仿真研究[J].科技视界,2013（11）：160,166.
［４］陈垚光,等.精通MATLAB GUI设计[M].2版.北京：电子工业出版社,2011.
［责任编辑：王迎迎］
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