基于MATLAB的自動控制原理虛擬實驗平臺

潘建偉

（武威職業(yè)學院 甘肅省武威市 733000）

1 引言

近十幾年，國內(nèi)的虛擬實驗室的發(fā)展也突飛猛進。結(jié)合虛擬實驗技術(shù)的特點以及它在理工教學中實際應(yīng)用,尤其在電氣自動化、電子信息工程、醫(yī)學、建筑、生物化等學科有重要作用，國內(nèi)的許多高校都根據(jù)本院校的實際教學需求建立了各類虛擬實驗室。高職院校的學生相對本科院校的學生，在課程的學習上存在一定難度，從而導致該課程的實驗操作也困難，面對復雜的硬件電路，不知該如何下手，對控制系統(tǒng)的模型也不是很了解，在實驗過程中接錯電子元件很容易造成硬件電路的損壞，不僅沒有達到實驗的目的，而且導致學生對實驗課程的排斥。此外傳統(tǒng)的硬件實驗擴展性較差，實驗的內(nèi)容逐漸脫離實際。基于此，利用MATLAB 軟件的圖形用戶開發(fā)工具(GUITOOLS)和SIMULINK 搭建虛擬實驗平臺，SIMULINK 是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的一個軟件包，不僅支持線性和非線性系統(tǒng)，也支持連續(xù)和離散的混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。運作的工具箱和模塊已覆蓋航空、航天、通信、控制、信號處理、電力系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉及的內(nèi)容專業(yè)性越來越強，使用也越來越方便。在應(yīng)用數(shù)學，電工電子，自動控制以及信號處理等多個專業(yè)的教學實驗中均有廣泛應(yīng)用。

2 虛擬實驗平臺的優(yōu)越性

虛擬實驗是一個多功能的實驗平臺，不僅便于各個學科的實驗交叉而且便于實驗功能的擴充，而且不受場地的限制、時間的限制，隨時隨地只需一臺電腦就可以進行試驗。隨時查看仿真結(jié)果，隨時修改仿真參數(shù)，觀察數(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)實驗室只能做一些固定實驗，隨著仿真元件庫的擴充，教學以外的實驗也可以自己設(shè)計實現(xiàn)，還可以在應(yīng)急情況下便于開展在線實驗，解決線上授課實驗難以保證的問題。

在應(yīng)急情況下，我們的授課采用線上教學，課程相應(yīng)的實驗部分可能會受場地儀器的影響，實驗暫時擱置。學生只能觀看實驗視頻，無法親自動手驗證實驗。理論上了解實驗和實際操作存在差距，學生沒有根本理解實驗。

基于MATLAB 的虛擬實驗平臺在應(yīng)急情況下就體現(xiàn)出了其優(yōu)勢，教師可以在線發(fā)布實驗視頻，講解仿真系統(tǒng)構(gòu)建過程。學生了解實驗后，只要一臺電腦和MATLAB 軟件就可以在家自己實踐，修改實驗參數(shù)可以反復驗證實驗結(jié)果。

3 基于MATLAB的虛擬實驗平臺實例

因為虛擬實驗不受場地設(shè)備及耗材的限制，所以能夠促進學生自主學習，合作學習。讓學生在仿真模型的過程中發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，從而提高分析問題、解決問題的能力。此外，學生可以搭建自己設(shè)計的仿真系統(tǒng)，大膽地進行嘗試設(shè)計不同實驗?zāi)Ｐ停ㄟ^修改仿真參數(shù)，獲取不同的數(shù)據(jù)，促進學生實驗創(chuàng)新思維的發(fā)展。以自動控制原理課程為例，主要設(shè)計了課本實驗、演示實驗。課本內(nèi)的實驗專門做成一個模塊，講授那個實驗點擊響應(yīng)的實驗按鈕就可以進入實驗。采用MATLAB 圖形工具(GUITOOLS)設(shè)計界面，保存成相應(yīng)fig 圖形文件，同時生成同名的M 文件，用于函數(shù)調(diào)用。課本實驗首界面如圖1 所示。

如圖2 所示，在M 文件中對每個按鈕進行callback 事件編寫相應(yīng)的代碼，進入相應(yīng)的實驗，每個實驗都有實驗的目的、實驗所用設(shè)備、實驗具體的內(nèi)容、實驗報告樣文、實驗要達到的要求以及該實驗的仿真模型這幾項。除了實驗的仿真模型可以打開模型文件，對模型文件進行編輯外，其余的按鈕對應(yīng)的內(nèi)容都是以文本或者圖片的形式呈現(xiàn)給學生，不可編輯，只能查看。學生在撰寫實驗報告時可以參考發(fā)的實驗報告樣文，但是具體的實驗數(shù)據(jù)可以根據(jù)你的實驗仿真結(jié)果來寫。學生可以對仿真進行重構(gòu)或者在原來的基礎(chǔ)上對元件參數(shù)進行修改，對比實驗結(jié)果數(shù)據(jù)有什么不同，從而能得出什么結(jié)論，以此來增強學生對實驗的理解及實驗的創(chuàng)新能力。

如圖3 所示，在實驗界面，點擊仿真模型按鈕會調(diào)用打開模型文件函數(shù)，查看當前實驗的仿真模型。以下列出按鈕5、按鈕6和按鈕7 對應(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)定當前操作的坐標軸是axes_src

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

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

點擊仿真模型按鈕，調(diào)用打開模型對話框，進入仿真模型。如圖4 所示。

學生打開仿真模型，可以編輯模型，運行模型，雙擊每個元件可以修改參數(shù)，反復驗證結(jié)果。

圖1：課本實驗首界面

圖2：同名M 文件

圖3：實驗界面

圖4：仿真模型

4 結(jié)論

課程教學的目的不僅要教授學生理論知識，而且要學生將所學的理論知識能更好地運用都實際工作中。因此，實驗課就顯得尤為重要，是學生實際工作的練兵場，但是依靠傳統(tǒng)實驗已不能滿足社會的快速發(fā)展，虛擬實驗平臺不僅彌補了傳統(tǒng)實驗室的許多缺陷，而且將抽象的理論具體化，實驗形象直觀，增強了學生的參與性。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，線上實驗也成為了一種可能。