李靖平，汪 嵐

(1. 黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000;2. 黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院)

《自動(dòng)控制原理》是電子信息、自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)等專業(yè)的必修課程，主要研究自動(dòng)控制的基本原理、常用基本控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法.它以《工程數(shù)學(xué)》等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)《過程控制技術(shù)》、《先進(jìn)控制技術(shù)》等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的重要作用.但是該課程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，理論分析往往來源于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和推導(dǎo)，這將導(dǎo)致學(xué)生把大量時(shí)間用于手工數(shù)學(xué)運(yùn)算，過度關(guān)注信號(hào)與系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)過程，而忽視分析結(jié)果在控制工程中的實(shí)際應(yīng)用，并且高職高專的電類學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)又都較為薄弱，因此一味采用傳統(tǒng)式教學(xué)，純粹依靠做習(xí)題來鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，并不利于教學(xué)質(zhì)量的提高.

基于此，本文利用混合編程技術(shù)[1～3]，開發(fā)出一套《自動(dòng)控制原理》課程的輔助教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)軟件，利用該平臺(tái)，用戶無需掌握編程技術(shù)，只需在人機(jī)界面上輸入相關(guān)參數(shù)，即可在后臺(tái)自動(dòng)完成復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，并通過界面將結(jié)果或圖形表達(dá)出來，教師就能結(jié)合圖形來輔助教學(xué).任課教師可以有更多的時(shí)間和精力把教學(xué)重點(diǎn)放在對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用上，不僅能使上課效率有所提高，而且能讓學(xué)生在理論夠用的基礎(chǔ)上，看到更為直觀易懂的可視化計(jì)算結(jié)果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，從而有效的提高教學(xué)質(zhì)量.

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

Matlab[4]是美國(guó)MathWorks公司開發(fā)的一款用于數(shù)學(xué)的軟件，專用于數(shù)值計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)可視化和算法優(yōu)化的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括Matlab和Simulink兩大部分.基于這款軟件，用戶可免于繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析、可輕松完成各種圖形的繪制和編輯，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果仿真，非常利于用戶學(xué)習(xí)和掌握.

Matlab軟件內(nèi)部自帶有控制系統(tǒng)工具箱，且具有很好的數(shù)值運(yùn)算能力，已成為《自動(dòng)控制原理》及其工程應(yīng)用領(lǐng)域有效的計(jì)算和仿真工具，但Matlab存在保密性低、界面開發(fā)功能較弱等缺點(diǎn).而Visual Basic是一種非常有利于界面開發(fā)的應(yīng)用軟件，若能將二者混合編程，便可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).因此，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于VB6.0和MATLAB7.0混合編程方法，開發(fā)出能提高數(shù)值計(jì)算能力和圖形處理效率，利于《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)的應(yīng)用系統(tǒng).因自控這門課程主要利用Matlab的編程與框圖建模來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的分析與仿真，所以軟件設(shè)計(jì)過程中所用的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1.1 VB和Matlab混合編程技術(shù)

Matlab與VB混合編程的方法可根據(jù)編程時(shí)是否需要Matlab運(yùn)行環(huán)境分為兩大類：Matlab在后臺(tái)運(yùn)行和可脫離Matlab環(huán)境運(yùn)行.具體方法有：①M(fèi)atrixVB技術(shù).②利用ActiveX自動(dòng)化服務(wù)技術(shù).③利用DDE技術(shù).④利用可執(zhí)行M文件技術(shù).⑤利用Matlab COM Builder.

鑒于本文設(shè)計(jì)的目的是開發(fā)一種能脫離Matlab運(yùn)行環(huán)境而獨(dú)立使用的應(yīng)用軟件，故采用最后一種方法.以PID整定分析為例，說明混合編程的實(shí)現(xiàn)方法如下[4～5]：

①編寫PID整定模塊對(duì)應(yīng)的m文件“PID.m”.利用Matlab COM Builder的“mypid”工程中添加“PID.m”函數(shù)并編譯，生成mypid_1_0.dll組件.

②將生產(chǎn)的COM組件打包并生產(chǎn)能自解壓執(zhí)行的程序，將其復(fù)制到將要運(yùn)行軟件的目標(biāo)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行.

③在VB界面中添加諸如“仿真”、“返回”等相關(guān)控件后，在Tool->OLE/COM Object Viewer->選中新建的組件mypid，并生成mypid_1_0.h和mypid_1_0.c文件.

④將生成的mypid_1_0.h和mypid_1_0.c文件添加到工程中并設(shè)置VB使用COM組件所對(duì)應(yīng)的頭文件路徑，添加所需的頭文件和庫文件；為軟件界面添加其余控件和相應(yīng)的代碼.

這樣，M函數(shù)文件轉(zhuǎn)變成為獨(dú)立的進(jìn)程內(nèi)COM組件，該組件作為獨(dú)立的COM對(duì)象，供VB直接調(diào)用，沒有必要進(jìn)行環(huán)境切換，因此可獲得最快的運(yùn)行速度，且編程風(fēng)格一致，可讀性較好.

1.2 SIMULINK仿真技術(shù)

Matlab7.0中自帶內(nèi)容豐富的控制系統(tǒng)工具箱Simulink具有非常強(qiáng)大的功能，可非常方便的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模、仿真和動(dòng)態(tài)分析.實(shí)現(xiàn)方法是：首先，用戶在VB環(huán)境中輸入的相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)，并傳輸給Simulink仿真環(huán)境下動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，獲得輸出響應(yīng).其次，在系統(tǒng)模型增加一個(gè)輸出模塊，可將仿真數(shù)據(jù)輸出值Matlab中的Workspace.最后，在VB中利用Image控件，將Matlab的仿真曲線在VB環(huán)境中顯示出來.

1.3 仿真曲線、文本和圖形顯示

Matlab擁有強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖能力，可在Simulink環(huán)境中利用示波器scope觀察控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輸出圖形和曲線.但是，scope生成的相關(guān)圖形卻無法在VB環(huán)境下輸出.為了在VB中觀察對(duì)應(yīng)的輸出曲線，可先將Matlab軟件生成的圖形保存為BMP格式文件，然后嵌入VB中的picturebox控件中，這樣仿真曲線就可在VB的環(huán)境中顯示出來.

同樣，Matlab仿真過程中的文本和圖片則可利用VB中的richtext控件來實(shí)現(xiàn).先在word中輸入要顯示的文本內(nèi)容，將其保存為rtf類型的文件，然后將其嵌入VB中的richtext控件中，即可顯示對(duì)應(yīng)的文本內(nèi)容.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括三大模塊：Matlab計(jì)算及仿真模塊，即在Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)6個(gè)部分的計(jì)算與分析，分別為典型環(huán)節(jié)性能分析、二階系統(tǒng)時(shí)域分析、二階系統(tǒng)頻域分析、線性系統(tǒng)根軌跡分析、系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)幫助.其中，系統(tǒng)幫助模塊則是介紹系統(tǒng)使用說明.數(shù)據(jù)庫模塊，即基于COM組件技術(shù)，通過ADO接口訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫，獲取各部分計(jì)算的數(shù)據(jù)，仿真的曲線等信息.VB系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)模塊，即負(fù)責(zé)人機(jī)界面及其相應(yīng)的操作.具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

基于上述所選的VB和Matlab混合編程技術(shù)，完成軟件的開發(fā)，分別以二階系統(tǒng)時(shí)域分析和PID調(diào)節(jié)分析來介紹系統(tǒng)的應(yīng)用.二階系統(tǒng)時(shí)域分析中的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析界面如圖2所示.

圖2 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析界面

在圖2中，選擇二級(jí)時(shí)域分析下拉菜單選擇動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，則系統(tǒng)切換到動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析界面.界面分為左右兩部分，其中右邊有輸入和輸出功能.首先，在參數(shù)設(shè)定框中輸入傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的分子分母系數(shù)，在傳遞函數(shù)框就會(huì)顯示與之對(duì)應(yīng)的表達(dá)式，點(diǎn)擊“仿真”按鈕，則在左邊圖形框內(nèi)顯示傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)仿真曲線，且在右邊的仿真結(jié)果框中顯示包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等4個(gè)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)數(shù)值.

系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)界面如圖3和圖4所示.

圖3 PID模型界面

圖4 PID參數(shù)整定界面

圖3的左邊是要分析的系統(tǒng)Simulink模型，在右邊的參數(shù)設(shè)定中，輸入預(yù)整定的PID參數(shù)，如比例系數(shù)、采樣時(shí)間和采樣個(gè)數(shù)等參數(shù).點(diǎn)擊“仿真”按鈕，則系統(tǒng)界面切換到圖4，在圖4的左邊顯示對(duì)應(yīng)系統(tǒng)模型的響應(yīng)曲線.在圖4中，也可直接在右邊輸入?yún)?shù)，再次獲得曲線，無需切換回圖3進(jìn)行參數(shù)切換.

對(duì)于《自動(dòng)控制原理》課程而言，教學(xué)內(nèi)容中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型相對(duì)比較固定，主要教學(xué)重點(diǎn)是固定模型中不同參數(shù)對(duì)于各自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能影響.通過上述兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)界面簡(jiǎn)單易操作，而應(yīng)用該輔助教學(xué)軟件，學(xué)生無需了解具體的Matlab編程及代碼函數(shù)、無需進(jìn)行繁雜的計(jì)算，即可通過形象直觀的仿真曲線或數(shù)值來分析系統(tǒng)的性能好壞，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

4 結(jié)論

本文基于混合編程技術(shù)及COM組件，將Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能和VB完美的人機(jī)界面開發(fā)能力結(jié)合起來，開發(fā)出了《自動(dòng)控制原理》輔助教學(xué)系統(tǒng).應(yīng)用該系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程的改革，使課程內(nèi)容更具有實(shí)際意義，教學(xué)效果得到明顯的提高.而且，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、圖形顯示和數(shù)值讀取清晰明了，學(xué)生能很直觀的理解自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的分析方法和相關(guān)理論知識(shí)，大大的提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.

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