《计算机控制技术》课程中控制算法仿真平台设计

【摘 要】本文基于MATLAB建立了《计算机控制技术》课程控制算法仿真平台，通过友好的人机交互界面，实现控制算法的选择、参数的设置、动态仿真以及算法改进前后的控制效果对比等。将抽象的理论知识变成直观的感性认识，使学生能更直观、高效地理解和掌握所学内容，培养学习兴趣和能力，取得了良好的教学效果。

【关键词】控制；算法；仿真

0 引言

《计算机控制技术》是工业电气自动化、自动控制、计算机应用等专业的主要专业课程之一[1]。具有实践性和综合性强、课程抽象、学习难度大等特点。尤其是其中的控制算法，既是计算机控制系统的核心，也是整个计算机控制系统设计中的难点，并且由于控制算法数量多，理论性强，采用常规的讲授方法，学生不易理解，教学效果不是很理想。基于此，本文以MATLAB为工具，通过编写M文件、构建SIMULINK框图对主要算法进行仿真实现，并通过 GUI （图形用户界面 ）设计友好的人机交互界面，实现控制算法的选择、参数的设置、动态仿真以及不同算法的控制效果对比等。在建模仿真的过程中将抽象的理论知识变成直观的感性认识，使学生可以更直观、高效地理解和掌握所学知识，培养学生的学习兴趣和能力，提高教学质量。

1 仿真平台规划

MATLAB是目前应用最广泛的科学工程运算软件，内嵌的SIMULINK是MATLAB的重要组件之一，无需大量的程序代码，只需建立仿真框图即可实现对复杂系统的交互式动态建模、仿真以及综合分析，令繁琐的仿真实现过程变得清晰可见。MATLAB的M文件工作方式，可以将MATLAB的语言代码全部写在一个文本文件――M文件中运行，用户还可以根据需要自编一些函数，方便程序的修改与维护，提高代码的可重用性。MATLAB GUI是MATLAB的图形用户界面开发环境[2]，使用它，用户无需了解图形实现的细节内容，便可以绘制复杂的图形以及设计出美观、方便的菜单化和控件式的人机交互界面。本文使用SIMULINK、M文件以及GUI实现《计算机控制技术》课程中的控制算法仿真平台设计。

2 控制算法的M文件仿真

《计算机控制技术》课程中的控制算法主要有数字PID的各类控制算法、Smith补偿算法、最少拍控制器的设计方法、大林算法以及滞后过程的预估控制算法等。数字PID控制算法有常规算法和改进算法两大类，常规算法分为位置型和增量型，改进算法主要有积分分离PID算法、抗积分饱和PID算法、变速积分PID算法等，这部分使用M文件进行仿真。M文件仿真时，首先新建一个空M文件，之后依据算法表达式在空M文件中输入MATLAB程序并以.m后缀保存，最后在命令窗口键入保存的文件名即可以运行该文件。之后通过 GUI开发环境设计友好的人机交互界面，实现控制算法的选择、算法参数的设置、系统的动态仿真以及不同算法效果对比等。

仿真平台中的人机交互界面之一如图1所示。在该界面中点击相应按钮可以选择不同的PID算法，算法改进前后的效果对比也可以直观地得以呈现。此外，通过修改算法的参数，可以让学生高效地理解不同参数对系统性能的影响。图1的曲线是积分分离PID控制算法的仿真结果，被控对象为，采样时间为1ms，rin（k）=1.0。

3 控制算法的SIMULINK仿真

《计算机控制技术》课程中的Smith补偿算法、最少拍数字控制器、大林算法以及滞后过程的预估控制算法等使用SIMULINK进行仿真。之后在 GUI开发环境中设计友好的人机交互界面，实现控制算法的选择、参数的设置以及系统的动态仿真等，如图2所示。图中的曲线是未消除振铃的Dahlin算法的仿真结果，被控对象，采样周期T=0.08s。

4 编译GUI生成应用程序

为了能够在没有安装MATLAB的计算机上使用该仿真平台，需要将以上设计文件编译成可以独立执行的应用程序。该过程分三个步骤：安装Lcc编译器（MATLAB自带），配置编译器，编译脚本。最后生成的后缀为.ctf和.exe的文件即为脱离MATLAB环境运行必需的文件。此后若要在未安装MATLAB的机器上运行该可执行程序，只需将MATLAB安装目录下的＼toolbox＼compiler＼deploy＼win32中的MCRinstaller.exe安装到该计算机后，点击执行编译生成的.exe文件即可。

5 结论

本文针对《计算机控制技术》课程中控制算法数量多，理论性强，采用常规的讲授方法，学生不易理解、教学效果不理想的问题，设计了该课程的控制算法仿真平台，让抽象的理论得以直观、生动的呈现，使学生深入、高效地理解和掌握所学内容，在教学中取得了良好的教学效果。

【参考文献】

[1]赖寿宏，主编.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]赵景波，主编.MATLAB控制系统仿真与设计[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3].基于Simulink的电力系统仿真研究[J].科技视界，2013（11）：160，166.

[4]陈光，等.精通MATLAB GUI设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

基金项目：西安邮电大学教改项目《计算机控制技术实践教学体系改革》（JGC201139）的研究成果。

作者简介：魏秋月（1972―），女，汉族，陕西武功人，硕士，西安邮电大学，副教授，主要从事自动控制的科研和教学。