通用快速仿真平臺在機電自控專業(yè)中的應(yīng)用

陳森森 任 明 宋圣強 林疆哈

溫州大學機電工程學院 浙江溫州 325000

通用快速仿真平臺在機電自控專業(yè)中的應(yīng)用

陳森森 任 明 宋圣強 林疆哈

溫州大學機電工程學院 浙江溫州 325000

機電自控專業(yè)的大多數(shù)核心課程概念多、理論性強，特別是課程間知識點聯(lián)系緊密。為了便于學生理解和自學，尤其加深對機電自控專業(yè)的整體認識，基于Matlab的GUI圖形界面和Simulink的RSIM快速仿真功能，介紹了面向課程群的通用快速仿真平臺的設(shè)計開發(fā)及有關(guān)知識點的示例演示。該平臺的仿真內(nèi)容充分考慮了機電自控專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性，盡可能地體現(xiàn)學科知識點的聯(lián)系。

通用快速仿真平臺；Matlab-GUI；Simulink-RSIM

機電自控專業(yè)(以下簡稱自控專業(yè))的大多數(shù)核心課程概念多、理論性強，特別是課程間知識點聯(lián)系緊密，學生應(yīng)該具有電工電子、測試及信號處理、自動化控制理論、計算機控制等專業(yè)理論知識，還必須有較深厚的數(shù)學和代碼編程功底。另一方面，隨著課程種類的增多，學時卻趨于減少。因此，對于理論抽象、實際驗證機會少的自控專業(yè)課程來說，如何吸引學生的興趣，達到理論問題當堂理解、當堂驗證、當堂記憶是一個重要的教改課題。目前具有圖形界面的虛擬實驗技術(shù)已經(jīng)成為課程教學的有力工具，在考慮自控專業(yè)課程間學期跨度大、知識點聯(lián)系緊密、容易遺忘等特點的同時，基于Matlab-GUI設(shè)計了自控專業(yè)課程群的通用仿真平臺，并利用Simulink的實時仿真RTW的快速仿真目標功能RSIM提高了平臺的性能。實踐證明該仿真平臺操作便利，各知識點相輔相成、聯(lián)系緊密，不僅能滿足專業(yè)理論實時驗證的要求，更有助于采用關(guān)聯(lián)教學法加深學生對自控專業(yè)的整體認識。

1 快速仿真平臺的內(nèi)容選擇

實驗平臺的內(nèi)容是以機電自控專業(yè)核心課程的實驗項目為主，并以工程實例為輔，按照課程間的關(guān)聯(lián)性進行選擇確定。平臺的層次內(nèi)容如圖1所示。根據(jù)圖中所列內(nèi)容可以看出課程間的關(guān)聯(lián)性。例如控制工程基礎(chǔ)中的典型二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)是時域分析法的重點。它是利用單位階躍信號對二階系統(tǒng)進行激勵，通過系統(tǒng)輸出的時域指標來分析阻尼系數(shù)和固有頻率對系統(tǒng)的影響，有助于加深理解實際高階系統(tǒng)的時域響應(yīng)特點。另一方面，如果用復(fù)雜周期信號、掃頻信號代替階躍信號激勵二階系統(tǒng)，通過頻譜分析可以驗證線性系統(tǒng)輸入輸出的頻率保持性，并根據(jù)二階系統(tǒng)的頻率特性來理解信號各頻域段的輸出響應(yīng)特點。如果進一步利用周期方波、三角波作為系統(tǒng)的激勵信號，不僅可以了解信號的諧波疊加性而且系統(tǒng)對信號中高次諧波的過濾作用和抗干擾性會有更深入的認識。這一部分知識恰恰是測試及信號處理課程中有關(guān)信號合成、傅里葉級數(shù)、頻譜分析的難點和重點。因此利用Matlab的通用仿真平臺，把以上課程間的知識點歸納，并以仿真實例的形式進行聯(lián)系，將會促進課程間的融會貫通，突破因?qū)W期時間安排所引起的局限性。

圖1 實驗平臺的基本內(nèi)容

2 快速仿真目標實現(xiàn)

2.1 快速仿真目標(RSIM)

平臺的許多實驗內(nèi)容需要通過不斷調(diào)整各類參數(shù)來觀察仿真結(jié)果。如果通過Matlab GUI界面中每次輸入?yún)?shù)后，再利用Matlab的sim函數(shù)調(diào)用后臺的Simulink模型進行仿真，不僅參數(shù)輸入麻煩而且仿真等待時間較長，尤其對于工程實例中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算量較大的Simulink模型尤為明顯。為此，筆者采用文獻[3]所述，利用Simulink的實時仿真RTW提供的快速仿真RSIM功能，把Simulink模型編譯為獨立的C代碼可執(zhí)行程序來加快仿真速度。同時它支持批量參數(shù)調(diào)整，并從Matlab的標準Mat文件中下載新的參數(shù)值或信號數(shù)據(jù)而無須對Simulink模型重新編譯。以圖2所示的二階系統(tǒng)動態(tài)階躍響應(yīng)為例，Simulink模型命名為“control_base.mdl”。為了實現(xiàn)圖形界面的快速仿真，利用Simulink仿真界面中的RTW參數(shù)設(shè)置選項，制定系統(tǒng)目標文件和模板聯(lián)編文件，再單擊Build按鈕后，RTW將自動生成名為control_base.exe的C程序代碼文件。此文件將在GUI平臺控件的回調(diào)函數(shù)中以“!control_base–p filename.mat–tf stoptime”的調(diào)用形式代替Simulink模型進行仿真，其中filename.mat是由Matlab函數(shù)“rsimgetrtp”所獲得的control_base模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)文件，它可以快速替換整個參數(shù)向量來研究參數(shù)變化對仿真的影響?；赗SIM功能的二階系統(tǒng)動態(tài)階躍響應(yīng)的GUI界面設(shè)計如圖3所示。當快速仿真選項中的ωn固定單選按鈕被選中，并設(shè)定調(diào)整次數(shù)和調(diào)整步長，點擊“運行”按鈕后，仿真結(jié)果會快速顯示出系統(tǒng)隨阻尼系數(shù)ξ變化的10次階躍響應(yīng)結(jié)果。

圖2 二階系統(tǒng)激勵響應(yīng)的Simulink模型

圖3 基于RSIM的二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

2.2 快速仿真目標的程序?qū)崿F(xiàn)

點擊圖3“運行”按鈕，其控件的回調(diào)函數(shù)將讀取GUI界面設(shè)定的各項參數(shù)值，通過調(diào)入轉(zhuǎn)化成獨立C代碼后的二階系統(tǒng)，實現(xiàn)階躍響應(yīng)的快速仿真。主要程序如下：

3 關(guān)聯(lián)性仿真實驗設(shè)計示例

通用快速仿真平臺的內(nèi)容不是相互孤立的，在每個GUI仿真項目中既可以通過點擊“知識點超鏈接”的設(shè)置菜單項將各課程間的相關(guān)內(nèi)容鏈接起來，也可以設(shè)計專門的仿真實驗來體現(xiàn)課程間的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)各實驗內(nèi)容上相輔相成的效果。圖3正是在基于上節(jié)的快速仿真目標實現(xiàn)和第二節(jié)課程關(guān)聯(lián)性討論基礎(chǔ)之上，以測試技術(shù)及信號處理中有關(guān)信號合成、頻譜分析等難點內(nèi)容與自動控制理論的系統(tǒng)頻率特性的知識點結(jié)合為例而考慮設(shè)計的GUI仿真流程圖。

圖4是為了實現(xiàn)圖3仿真功能所設(shè)計的GUI界面。界面中除了設(shè)置3個正弦波以實現(xiàn)波形的自由疊加，還設(shè)置了“特殊信號選項”，包括了掃頻信號、周期方波、三角波在內(nèi)的復(fù)雜信號以驗證二階系統(tǒng)的頻率特性。當特殊信號選中后，正弦波選項的所有參數(shù)設(shè)定將自動屏蔽為零，防止輸入信號間的相互干擾。圖中所示結(jié)果是利用掃頻信號作為系統(tǒng)激勵，其中Fig.A是時域圖，它是幅值保持不變，頻率呈線性增加的信號。Fig.B中的頻譜圖顯示了信號在0～50Hz的上、下限進行掃頻，與所設(shè)定的初頻和終頻的參數(shù)值一致(如圖5所示)。另外，二階系統(tǒng)的參數(shù)可以任意設(shè)置，這里為了采用與前節(jié)相同的系統(tǒng)，阻尼系數(shù)和固有頻率分別設(shè)定為0.1和10Hz，其系統(tǒng)的伯德圖由Fig.C所示，由理論可知，此時掃頻信號中10Hz的成分將會引起系統(tǒng)的諧振，使其附近的輸出振幅遠遠大于掃頻信號，并且在趨向高頻時，振幅逐漸衰減至零。Fig.D的輸出時域圖驗證了1秒附近輸出達到了最大振幅，此時所對應(yīng)的頻率成分恰為10Hz，同時其頻域圖Fig.E驗證了輸出信號中20Hz以后的成分已經(jīng)基本消失。另一方面，在教學中發(fā)現(xiàn)學生對信號的傅里葉級數(shù)及其頻譜分析較難理解，為此也設(shè)置了方波、鋸齒波、半波等作為激勵輸入，它們均可由傅里葉級數(shù)所表達的基頻整數(shù)倍的無數(shù)個正弦波所構(gòu)成。圖6展示了復(fù)雜周期信號的傅里葉級數(shù)展開及其頻譜。圖6(b)是基頻為2Hz，諧波數(shù)設(shè)定為4的方波的傅里葉級數(shù)展開。通過諧波數(shù)的設(shè)定可以形象地驗證正弦波是如何隨著諧波數(shù)的增加變化到方波。圖6(c)驗證了周期信號頻譜具有諧波性、衰減性、離散型的特點。

圖4 信號激勵響應(yīng)設(shè)計流程圖

圖5 系統(tǒng)掃頻分析

圖6 方波的傅里葉級數(shù)展開

圖7是方波作為系統(tǒng)激勵信號，并且設(shè)定系統(tǒng)的衰減系數(shù)和固有頻率為0.5Hz和30Hz時的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。通過圖中Fig.B與Fig.E比較可知方波激勵系統(tǒng)后，由于此時的系統(tǒng)頻率特性，50Hz以后的諧波成分已經(jīng)被過濾掉，同時可以驗證除了基頻的振幅最大外，在頻率為30Hz附近因諧振的緣故幅值譜增大。Fig.D中的輸出響應(yīng)的波形不再保持方波而是基頻為2Hz的復(fù)雜周期信號。

圖7 方波的系統(tǒng)激勵分析

4 結(jié)束語

在考慮了機電自控專業(yè)課程間交叉關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，利用Matlab的GUI和快速仿真目標RSIM功能，設(shè)計了面向課程群的通用快速仿真實驗平臺，它具有專業(yè)內(nèi)容涉及面廣，課程間知識點聯(lián)系緊密，擴充性好、運行速度快的優(yōu)點，對課堂教學起到了有效的輔助作用，同時促進了學生對課程間關(guān)系的了解，有利于加深對自控專業(yè)的整體認識。

[1] 李京秀.基于Matlab圖形用戶界面GUI的電路仿真實驗的制作[J].電氣電子教學學報，2004，26(4)：99～101

[2] 陳瑞峰，左曙光，郭偉.基于Matlab GUI的信號分析系統(tǒng)[J].佳木斯大學學報，2009，27(5)：645～647

[3] 楊滌，李立濤，楊旭，等.系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2002

Application of versatile rapid simulation platform for electromechanical automation

Chen Sensen, Ren Ming, Song Shengqiang, Lin Jiangha
Wenzhou university, Wenzhou, 325000, China

Most core courses of electromechanical automation have the characteristics of more concepts, stronger theory and especially close correlation between the knowledge points. In order to help students comprehend and self-learning, in particular, improve the overall understanding of electromechanical automation, a versatile rapid simulation platform design for course group and relevant demonstration samples are introduced based on Matlab-GUI and Simulink-Rsim. The correlation between courses of electromechanical automation is fully considered in the simulation contents of the platform.

versatile rapid simulation platform; Matlab-GUI; Simulink-RSIM

2011-02-28 稿件編號：1102093

陳森森，在讀本科生。通訊作者：任明，博士，講師。

浙江省大學生科研創(chuàng)新團隊(新苗計劃)資助項目(編號：2009R424034)；溫州大學校教改資助項目(編號：10jg50B)；溫州市科技計劃資助項目(編號：G20100053)。