開源軟件Scilab在自控原理教學(xué)中的仿真應(yīng)用

董南萍　廖文江　周冠玲

[摘 要]《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)本科教育中一門重要專業(yè)課，課程涉及較多公式和數(shù)學(xué)知識(shí)、比較抽象，因此學(xué)習(xí)過(guò)程中都會(huì)感到難于理解和掌握相關(guān)理論。用戶基于Scilab開發(fā)自己所需的Toolkit，并將此功能成功應(yīng)用到《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)過(guò)程中，可以增強(qiáng)課程教學(xué)內(nèi)容的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]Scilab 自由開源軟件 Toolkit 教學(xué)仿真

[中圖分類號(hào)] TP31；G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）04-0119-02

一、引言

《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化相關(guān)本科專業(yè)中一門非常重要的專業(yè)課程，課程中涉及的公式和數(shù)學(xué)知識(shí)比較多、比較抽象，因此多數(shù)同學(xué)在學(xué)習(xí)過(guò)程中都會(huì)感到理解和掌握課程的相關(guān)理論很難。有些教師嘗試在課程中引入Matlab軟件，但是Matlab是商業(yè)工程計(jì)算軟件，本身要收費(fèi)且安裝費(fèi)時(shí)，影響正常課堂教學(xué)，而Scilab是一款自由開源的工程計(jì)算軟件，軟件功能基本和Matlab軟件差不多，軟件本身開源，學(xué)生可以在課余閱讀這款軟件是如何編寫出來(lái)的，同時(shí)該軟件有用戶接口，用戶可以自己獨(dú)立編寫自己需要的Toolkit，開發(fā)新應(yīng)用很方便，值得推廣和使用。

二、基于Scilab的編程

在許多領(lǐng)域特別是控制系統(tǒng)建模與仿真時(shí)，有許多計(jì)算程序是用其他語(yǔ)言編寫，一般是用C語(yǔ)言或者Fortran語(yǔ)言編寫，Scilab不可能提供這些特定的程序，需要用戶基于Scilab自己編寫這些程序，并在Scilab里得以應(yīng)用從而擴(kuò)展了Scilab的功能，這也就是Scilab做成開源軟件的要旨所在。用戶可以根據(jù)自己的需要在Scialb下依據(jù)自己的需求開發(fā)出自己所需的相應(yīng)功能，而這些開發(fā)出來(lái)的功能通常是以庫(kù)的形式存在的，一般都是用C語(yǔ)言編寫完成，Scilab把這些代碼集合稱之為ToolKit箱。

可以基于此項(xiàng)特點(diǎn)結(jié)合自動(dòng)控制原理課程實(shí)際所需編寫一些典型控制系統(tǒng)案例做成庫(kù)安裝在Scilab系統(tǒng)里供Scilab和SciCos調(diào)用，具體開發(fā)ToolKit Box流程如下所述：

（一）編寫基于C語(yǔ)言的專用庫(kù)

這一步比較簡(jiǎn)單，調(diào)用Scilab自帶的編輯器SciNote軟件，在其中編寫所需調(diào)用典型控制系統(tǒng)方程函數(shù)。圖1的C代碼范例即為用編輯器SciNote軟件所編寫的函數(shù)示例。

#include

#include“stack-c.h”

extern int C2F（dlaswp）（int*n，double*A，int*lda，int*k1，int*k2，int*ipiv，int*step）；

int dlaswp1（double*A，int*m，int*n，int*mipiv，int*ipiv）

{const int un =1；C2F（dlaswp）（n，A，m，&un，mipiv，ipiv，&un）；}

（二）在Scilab里編譯、連接代碼

Scilab提供兩種方式可以將其他語(yǔ)言編寫的功能代碼程序連接到Scilab里供Scilab自帶的函數(shù)或者模塊調(diào)用執(zhí)行。

1.把新編寫的程序作為Scilab外部程序被Scilab內(nèi)部函數(shù)調(diào)用執(zhí)行，上邊的示例代碼即是這類編譯連接方式。

2.把新編寫的程序代碼作為Scilab新增加的內(nèi)置函數(shù)，像Scilab內(nèi)部函數(shù)一樣可以任意被執(zhí)行，但這種方式方法有個(gè)問(wèn)題就是C語(yǔ)言的返回值通常是整形或者是指針類型，而Scilab軟件的返回類型多數(shù)為矩陣，所以用這種方式編寫工具箱模塊時(shí)要注意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

（三）生成動(dòng)態(tài)庫(kù)

生成動(dòng)態(tài)庫(kù)寫代碼是第一步，編譯連接代碼是第二步，要想在Scilab里使用這些庫(kù)（工具箱）還需要進(jìn)行第三步就是加載共享庫(kù)。如果選用的系統(tǒng)平臺(tái)是Windows那么共享庫(kù)可以以.dll結(jié)尾，如果選用類Unix系統(tǒng)平臺(tái)那么共享庫(kù)的名字后綴常采用.so結(jié)尾。在Linux下通常采用Gcc工具將上邊編譯好的代碼生成動(dòng)態(tài)共享庫(kù)，示例如下圖2所示。

（四）加載動(dòng)態(tài)共享庫(kù)

在生成動(dòng)態(tài)共享庫(kù)以后還需將庫(kù)加載到Scilab里，供正在運(yùn)行的Scilab/SciCos調(diào)用。Scilab支持TCL語(yǔ)言，可以編寫腳本文件將庫(kù)調(diào)入到Scilab里，運(yùn)行這個(gè)腳本文件即可創(chuàng)建一個(gè)工具箱（庫(kù)），腳本文件示例代碼如下圖3所示。

ilib_name =liblapack；

files=[lapack.o]；

libs=[]；

t=[dgetrf，int_dgetrf；dlaswp，dlaswp]；

ilib_build（ilib_name，t，files，libs）

三、SciCos創(chuàng)建交互式界面

用SciCos創(chuàng)建交互式界面，可以依據(jù)設(shè)計(jì)需要在窗口體上直接調(diào)用窗口控件例如滾動(dòng)條、按鈕、菜單欄、文本框等來(lái)設(shè)計(jì)交互界面，Scilab用戶只需在對(duì)話框里鍵入工具箱里的函數(shù)名字即可使用工具箱的功能，如下圖4所示。

四、在自控原理教學(xué)中應(yīng)用Scilab

《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生公認(rèn)的專業(yè)知識(shí)最核心、同時(shí)又是最難教與學(xué)的課程，教學(xué)難度大主要因?yàn)樵撜n程有三多一少的特點(diǎn)：一多是涉及的理論知識(shí)內(nèi)容多，二多是涉及的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，三多是抽象的概念和模型多；一少是理論與實(shí)際應(yīng)用的直接聯(lián)系少。為此，在自控原理教學(xué)中采用現(xiàn)代化教學(xué)方法，應(yīng)用Scilab改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)手段，讓學(xué)生在Scilab下對(duì)控制系統(tǒng)建模、仿真，使學(xué)生逐步了解一個(gè)控制系統(tǒng)是如何組成的，系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的模型是怎樣建立的，系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)又是如何運(yùn)作的，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)模型概念的理解。

在Scilab下的CACSD工具箱中有許多自動(dòng)控制相關(guān)專用函數(shù)，如線性系統(tǒng)定義函數(shù)syslin0、線性系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)函數(shù)csim（）、離散系統(tǒng)分析等命令函數(shù)等等。教師和學(xué)生共同參與進(jìn)行二次開發(fā)，作出適合于自動(dòng)控制原理課程展示、控制系統(tǒng)分析的可視化數(shù)值實(shí)驗(yàn)箱。開發(fā)過(guò)程中根據(jù)已有的經(jīng)典控制理論和教材的內(nèi)容，應(yīng)用Scilab及其CACSD和SciCos工具箱實(shí)現(xiàn)連續(xù)線性控制系統(tǒng)分析（包括穩(wěn)定性分析、時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析等），典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性仿真，PID控制仿真編程等。用TCL語(yǔ)言開發(fā)GUI界面，通過(guò)按鈕、滾動(dòng)條、輸入文本框的GUI界面元素實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的輸入、調(diào)整、結(jié)果實(shí)時(shí)顯示等功能。工具箱的PID仿真結(jié)果如圖5所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

在《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)中通過(guò)Scilab進(jìn)行仿真和分析，解決了該課程三多一少的難題，增強(qiáng)了課程教學(xué)內(nèi)容的趣味性和可理解性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，極大提高了課程教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理（第5版）[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 秦世飛.Scilab / Scicos在建模與仿真中的應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.

[責(zé)任編輯：張 雷]