Simulink與Multisim在“自動控制原理”課程中的應用

江凱華，陳 銘

（湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北 襄陽 441053）

經典控制理論中，常用的分析方法有時域法、根軌跡法和頻域法3種；非線性系統有相平面法和描述函數法。其本質是圖解和分析，在這里我們討論線性系統。

首先可以設計典型環節的模擬電路，將它們描繪在Multisim環境中，可以改變各個部分的參數，用模擬示波器觀察各個節點的波形來觀察結果，之后從模擬的電路中計算出各個環節的傳遞函數，再用Simulink繪制整個控制系統模型，通過Simulink計算出控制系統的輸出與波形圖和電路仿真的結果進行對比，找出差異，分析原因。同時在實驗課程中搭建相應的模型，觀察其結果與波形，然后將三者的數據進行對比，分析其中的差異原因，進而加深理解[1-2]。

1 仿真工具

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。

2 實驗過程（以典型二階系統例）

本系統閉環傳遞函數如下式：

式中，T=RC，K=R2/R1。將本式與典型二階系統的閉環傳遞函數

進行對比，可得：wn=1/T=1/RC，z=K/2=R2/2R1

改變R2/R1，可以改變二階系統的阻尼比z。改變RC值可以改變無阻尼自然頻率wn。然后得到整個系統的動態性能指標，峰值時間、調節時間、延遲時間、超調量等性能指標。

超調量σ＝[tp—t（∞）]／t（∞）×100%

用Multisim軟件仿真使用的都是理想元器件，無論是速率還是效率上都比實際元器件要強，使用Multisim元器件可以根據電路實際情況來修改元件參數，例如，我們可以改變電容C的值來改變自然頻率wn或者改變阻尼比ξ得到3種不同的阻尼情況進而觀察整個波形的變換；同時在用Multisim進行仿真時需要思考改變其他參數對電路的整體影響。

Simulink是對系統進行建模并仿真，Multisim電路仿真如圖1所示。因此，需要根據系統的傳遞函數構建結構模型并輸入對應參數。Simulink模型仿真波形如圖2所示，由此結構圖在Simulink中畫出相應的模型。

我們可以改變該系統的非單位負反饋環節的參數來得到不同的阻尼比ξ，或者改變前向通道環節的參數，進而得到該系統的動態性能指標，如超調量σ，峰值時間tp，調節時間ts等。

用Simulink進行控制系統仿真比用其他軟件進行控制系統仿真更加便捷、簡單、高效，但是Simulink應用于理論上，比較抽象，所以用Multisim進行電路仿真，更加切實、可感。Simulink和Multisim同時對控制系統進行多次仿真實驗，加深對課堂知識的記憶，也促使我們思考在仿真過程中出現的一些問題，比如如何用Simulink畫出更加簡潔、有效的模型，控制系統的動態性能指標隨各個參數的變化而如何變化等。實驗室通過實驗箱撘出實際電路得出的波形如圖3所示。

可以看出，相同的電路模型，用3種不同方式得出的結論大致上相同。同一個系統，學會用不同的角度和方式來求解，這樣，既培育了發散型思維能力又促進了同學們對自動控制原理課程的理解，也使得同學們接觸這些常用的軟件，為以后的工作或者深造培養基礎。

圖1 Multisim電路仿真

圖2 Simulink模型仿真波形

圖3 實驗箱實驗波形

3 結語

“自動控制原理”是自動化專業最為重要的一門課程，我們可以運用Multisim與Simulink等軟件或者模塊進行仿真，彌補同學們在學習過程中對實際電路操作不足的缺憾，使理論知識在實踐中得以運用，也培養了學生的學習興趣、提高課堂效率。同時學會使用這些軟件或者模塊也拓寬我們的知識視野，豐富學生的課外生活，這些軟件或者模塊同樣也可以運用到其他的專業課程或者實際應用中去。

[參考文獻]

[1]胡壽松.自動控制原理[M].6版.北京：科學出版社，2013.

[2]王正，林王琪.Matlab/Simulink與控制系統仿真[M].3版.北京：電子工業出版社，2013.