基于MATLAB的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

潘建偉

（武威職業(yè)學(xué)院 甘肅省武威市 733000）

1 引言

近十幾年，國(guó)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)以及它在理工教學(xué)中實(shí)際應(yīng)用,尤其在電氣自動(dòng)化、電子信息工程、醫(yī)學(xué)、建筑、生物化等學(xué)科有重要作用，國(guó)內(nèi)的許多高校都根據(jù)本院校的實(shí)際教學(xué)需求建立了各類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室。高職院校的學(xué)生相對(duì)本科院校的學(xué)生，在課程的學(xué)習(xí)上存在一定難度，從而導(dǎo)致該課程的實(shí)驗(yàn)操作也困難，面對(duì)復(fù)雜的硬件電路，不知該如何下手，對(duì)控制系統(tǒng)的模型也不是很了解，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中接錯(cuò)電子元件很容易造成硬件電路的損壞，不僅沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，而且導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的排斥。此外傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展性較差，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容逐漸脫離實(shí)際?；诖?，利用MATLAB 軟件的圖形用戶(hù)開(kāi)發(fā)工具(GUITOOLS)和SIMULINK 搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，SIMULINK 是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，不僅支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)，也支持連續(xù)和離散的混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。運(yùn)作的工具箱和模塊已覆蓋航空、航天、通信、控制、信號(hào)處理、電力系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉及的內(nèi)容專(zhuān)業(yè)性越來(lái)越強(qiáng)，使用也越來(lái)越方便。在應(yīng)用數(shù)學(xué)，電工電子，自動(dòng)控制以及信號(hào)處理等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中均有廣泛應(yīng)用。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)越性

虛擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)多功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅便于各個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)交叉而且便于實(shí)驗(yàn)功能的擴(kuò)充，而且不受場(chǎng)地的限制、時(shí)間的限制，隨時(shí)隨地只需一臺(tái)電腦就可以進(jìn)行試驗(yàn)。隨時(shí)查看仿真結(jié)果，隨時(shí)修改仿真參數(shù)，觀(guān)察數(shù)據(jù)的變化，為獲取更多信息提供數(shù)據(jù)支撐。此外，以前在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室只能做一些固定實(shí)驗(yàn)，隨著仿真元件庫(kù)的擴(kuò)充，教學(xué)以外的實(shí)驗(yàn)也可以自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，還可以在應(yīng)急情況下便于開(kāi)展在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，解決線(xiàn)上授課實(shí)驗(yàn)難以保證的問(wèn)題。

在應(yīng)急情況下，我們的授課采用線(xiàn)上教學(xué)，課程相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)部分可能會(huì)受場(chǎng)地儀器的影響，實(shí)驗(yàn)暫時(shí)擱置。學(xué)生只能觀(guān)看實(shí)驗(yàn)視頻，無(wú)法親自動(dòng)手驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。理論上了解實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作存在差距，學(xué)生沒(méi)有根本理解實(shí)驗(yàn)。

基于MATLAB 的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在應(yīng)急情況下就體現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)，教師可以在線(xiàn)發(fā)布實(shí)驗(yàn)視頻，講解仿真系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程。學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)后，只要一臺(tái)電腦和MATLAB 軟件就可以在家自己實(shí)踐，修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以反復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 基于MATLAB的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)例

因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)不受場(chǎng)地設(shè)備及耗材的限制，所以能夠促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，合作學(xué)習(xí)。讓學(xué)生在仿真模型的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，從而提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。此外，學(xué)生可以搭建自己設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)，大膽地進(jìn)行嘗試設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)修改仿真參數(shù)，獲取不同的數(shù)據(jù)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思維的發(fā)展。以自動(dòng)控制原理課程為例，主要設(shè)計(jì)了課本實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)。課本內(nèi)的實(shí)驗(yàn)專(zhuān)門(mén)做成一個(gè)模塊，講授那個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擊響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)按鈕就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。采用MATLAB 圖形工具(GUITOOLS)設(shè)計(jì)界面，保存成相應(yīng)fig 圖形文件，同時(shí)生成同名的M 文件，用于函數(shù)調(diào)用。課本實(shí)驗(yàn)首界面如圖1 所示。

如圖2 所示，在M 文件中對(duì)每個(gè)按鈕進(jìn)行callback 事件編寫(xiě)相應(yīng)的代碼，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備、實(shí)驗(yàn)具體的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)報(bào)告樣文、實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的要求以及該實(shí)驗(yàn)的仿真模型這幾項(xiàng)。除了實(shí)驗(yàn)的仿真模型可以打開(kāi)模型文件，對(duì)模型文件進(jìn)行編輯外，其余的按鈕對(duì)應(yīng)的內(nèi)容都是以文本或者圖片的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，不可編輯，只能查看。學(xué)生在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)可以參考發(fā)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告樣文，但是具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以根據(jù)你的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果來(lái)寫(xiě)。學(xué)生可以對(duì)仿真進(jìn)行重構(gòu)或者在原來(lái)的基礎(chǔ)上對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行修改，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)有什么不同，從而能得出什么結(jié)論，以此來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解及實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力。

如圖3 所示，在實(shí)驗(yàn)界面，點(diǎn)擊仿真模型按鈕會(huì)調(diào)用打開(kāi)模型文件函數(shù)，查看當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的仿真模型。以下列出按鈕5、按鈕6和按鈕7 對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)內(nèi)容。

function pushbutton5_Callback(hObject,eventdata,handles)

[baogao3,f:pp]=uigetfile('*.txt','baogao3');

file=fullfile(PathName,FileName);

data=load(file);

axes(handles.axes1);

axes(handles.axes_src);%用axes 命令設(shè)定當(dāng)前操作的坐標(biāo)軸是axes_src

fpath=[pathname filename];%將文件名和目錄名組合成一個(gè)完整的路徑

imshow(imread(fpath));%用imread 讀入圖片，并用imshow 在axes_src 上顯示

function pushbutton6_Callback(hObject,eventdata,handles)

% uigetfile 函數(shù)打開(kāi)以fangzhenmoxing3 命名的mdl 文件

% fn 為返回的文件名

% fn=fangzhenmoxing3.mdl

fn=uigetfile('*.mdl','fangzhenmoxing3');

function pushbutton7_Callback(hObject,eventdata,handles)

exit

點(diǎn)擊仿真模型按鈕，調(diào)用打開(kāi)模型對(duì)話(huà)框，進(jìn)入仿真模型。如圖4 所示。

學(xué)生打開(kāi)仿真模型，可以編輯模型，運(yùn)行模型，雙擊每個(gè)元件可以修改參數(shù)，反復(fù)驗(yàn)證結(jié)果。

圖1：課本實(shí)驗(yàn)首界面

圖2：同名M 文件

圖3：實(shí)驗(yàn)界面

圖4：仿真模型

4 結(jié)論

課程教學(xué)的目的不僅要教授學(xué)生理論知識(shí)，而且要學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)能更好地運(yùn)用都實(shí)際工作中。因此，實(shí)驗(yàn)課就顯得尤為重要，是學(xué)生實(shí)際工作的練兵場(chǎng)，但是依靠傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已不能滿(mǎn)足社會(huì)的快速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的許多缺陷，而且將抽象的理論具體化，實(shí)驗(yàn)形象直觀(guān)，增強(qiáng)了學(xué)生的參與性。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)也成為了一種可能。