VB和MATLAB在自動控制原理教學(xué)上的應(yīng)用

【摘要】結(jié)合VB界面友好、編程簡單的特點及MATLAB強大的計算、圖形表達功能，利用ActiveX技術(shù)，以及將Matlab作為服務(wù)器、VB應(yīng)用程序作為控制端的方式，實現(xiàn)了從VB調(diào)用Matlab的功能。運用這種功能設(shè)計開發(fā)了“自動控制原理”的計算機輔助教學(xué)軟件。該軟件包含數(shù)學(xué)計算、傳遞函數(shù)、穩(wěn)定性分析、頻率響應(yīng)分析、根軌跡分析等5個主要模塊，操作簡便，界面友好、靈活，對“自動控制原理”的學(xué)習(xí)與教學(xué)具有一定的實用性。

【關(guān)鍵詞】MATLAB；VB；ActiveX技術(shù)；自動控制原理

1.引言

在自動控制原理教學(xué)中[1，2]，經(jīng)常要對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，通過頻域變化、z變換、s變換等來解決時域問題，從而改變和判斷系統(tǒng)的收斂情況。各種方法雖是可以達到結(jié)果，但繁瑣，計算起來較慢，且學(xué)生和老師需在計算機房花費大量時間來驗證、編程，對教學(xué)的及時性、串聯(lián)性，學(xué)生的感官性認識都有所影響[3]。

Visual Basic[4]是一種可視化的程序設(shè)計語言，在其編程環(huán)境中采用了面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計工具、事件驅(qū)動的編程機制、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動等先進的軟件開發(fā)技術(shù)，為用戶提供了一種所見即所得的可視化程序設(shè)計方法。但是它的數(shù)值計算能力不是很強，而由美國MathWorks公司推向市場的MATLAB軟件恰好彌補了這一缺陷。該軟件是一種面向科學(xué)和工程計算的解釋性語言，具有強大的數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示能力，為用戶提供了一個強有力的科學(xué)及工程問題分析計算及程序設(shè)計的工具，可根據(jù)不同處理對象的需要，通過簡單的編程，方便地完成相應(yīng)的功能[5]。

基于VB和MATLAB的上述特點，本文利用VB來設(shè)計界面作為主程序，調(diào)用由MATLAB編寫的子程序，從而實現(xiàn)對自動控制系統(tǒng)中系統(tǒng)的穩(wěn)定性的分析，還可以畫出相應(yīng)的Frequency圖、Nichols圖、Nyquist圖、Bode圖，進行自動控制系統(tǒng)的性能分析。有效地提高了自動控制原理課程的教學(xué)計劃，也提高的學(xué)生的感性認識和積極性，提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.軟件工具

2.1 借助Active X部件

Active X部件是一些遵循Active X規(guī)范編寫的可執(zhí)行代碼，比如一個.exe、.dll或.ocx文件。它允許應(yīng)用程序或組件控制另一個應(yīng)用程序或組件的運行，它包括自動化服務(wù)器和自動化控制器。在程序中加入Active X部件后，它將成為開發(fā)和運行環(huán)境的一部分，并為應(yīng)用程序提供新的功能。Active X部件保留了一些普通VB控制的屬性、事件和方法，它特有的方法和屬性大大地增強了程序設(shè)計者的能力和靈活性。Active X實際上是在調(diào)用一種部件，而無需要求該部件對應(yīng)的程序正在運行，這會使得其功能更加強大。在VB中創(chuàng)建MATLAB的Active X對象后，就可以使用這個對象所包含的各種方法，實現(xiàn)對MATLAB的調(diào)用[6-8]。

在VB中創(chuàng)建MATLAB Active X的方法如下：

Dim Matlab As Object

Set Matlab=CreatObject（“Matlab.Application”）

在創(chuàng)建Matlab Active X對象后。就可以利用該對象所包含的各種方法實現(xiàn)對MATLAB的調(diào)用。

2.2 基于MATLAB的自動控制系統(tǒng)性能分析

一個控制系統(tǒng)的全部性質(zhì)都取決于其閉環(huán)傳遞函數(shù)，如穩(wěn)定性取決于其極點，穩(wěn)定精度取決于其比例系數(shù)，動態(tài)性能既取決于其極點，又與零點有關(guān)。閉環(huán)傳遞函數(shù)的零點和開環(huán)傳遞函數(shù)的零點相同，比例系數(shù)之間也有簡單的關(guān)系，都不難確定[9，10]。唯有閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點，即閉環(huán)特征方程的根，計算比較困難。控制系統(tǒng)的這些基本性能在經(jīng)典控制理論中主要通過時域響應(yīng)曲線分析法、根軌跡法與頻率響應(yīng)法等對系統(tǒng)進行設(shè)計、分析，為此我們借助Matlab強大的專業(yè)繪圖功能（如響應(yīng)曲線、Bode圖、Nyquist圖、Frequency圖、Nichols圖等），對系統(tǒng)的各種性能進行分析。控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型：

（1）

在MATLAB中，直接用分子/分母的系數(shù)表示，即：

num=[b1，b2，b3，…，bm]

den=[a1，a2，a3，…，am]

則該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)可由式（2）得出。

（2）

3.基于Visual Basic及MATLAB接口實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)

例如某控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

本例設(shè)計的是利用VB來設(shè)計界面作為主程序，借助與Active X部件調(diào)用由MATLAB編寫的子程序，畫出相應(yīng)的Frequency圖、Nichols圖、Nyquist圖、Bode圖、step圖和rlocus圖，并對自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性從頻域和時域進行了分析。

3.1 該系統(tǒng)的頻域分析

用戶界面設(shè)計如下：

在VB中編寫的頻域分析主程序如下：

Private Sub Command1_Click（）

Dim matlab As Object

Dim result As String

Set matlab = CreateObject（\"matlab.application\"）

Call matlab.minimizecommandwindow

result = matlab.execute（\"clear\"）

result = matlab.execute（\"\" Text1.Text \"\"）

result = matlab.execute（\"freqs（num， den，w）\"）

result = matlab.execute（\"print -f1 -dbitmap e：＼ freqs.bmp\"）

Picture1.Picture = LoadPicture（\"e：＼ freqs.bmp\"）

Call matlab.quit

Set matlab = Nothing

End Sub

Private Sub Command5_Click（）

Unload Me

End Sub

Private Sub Form_Load（）

Me.Left = 0

Me.Top = 0

Me.Width = Screen.Width

Me.Height = Screen.Height

End Sub

在Matlab下編寫的函數(shù)子程序如下：

num=[250]；

den=[1 20 75 0] ；

w=0：0.1：100；

[m1，p1]=bode（num，den，w）；

p1=p1-T*w'*180/pi；

subplot（211），semilogx（w，20*log10（m1））；

subplot（212），semilogx（w，p1）；

[x，y]=nyquist（num，den，w）；

clg；plot（x，y）；

[x1，y1]=freqz（num，den，sqrt（-1）*w）；

[mag，pha]=nichols（num，den，w）[7]；

3.2 該系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

3.2.1 利用Bode圖進行分析

此系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的特征根全部位于虛軸左側(cè)，即p=0。由圖中可以知道，在的頻率范圍內(nèi)，未穿越-180o線，故該系統(tǒng)閉環(huán)后是穩(wěn)定的。

3.2.2 利用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)進行分析

要判斷閉環(huán)狀態(tài)的穩(wěn)定性，必須繪制出的幅相特性圖，根據(jù)繪制幅相頻率特性圖的規(guī)則，特性曲線的起點在實軸上，終點是以-270o進入原點。系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定與否，主要取決于特性曲線與實軸的交點。

（3）

由得。將代入得：

（4）

的幅相頻率特性圖如4所示。由圖知的幅相特性繞（-1，j0）的轉(zhuǎn)角為零。所以該系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)是穩(wěn)定的[6]。

4.結(jié)論

通過對VB和Matlab的鏈接進行了總結(jié)性研究，以Active X部件為基礎(chǔ)的鏈接方法，實現(xiàn)對自動控制原理中控制系統(tǒng)進行了教學(xué)編程，可對系統(tǒng)的連續(xù)函數(shù)和離散函數(shù)進行分析，并舉例說明和分析了系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性，畫出了系統(tǒng)的Bode圖、Nyquist圖、Frequency圖、Nichols圖來驗證設(shè)計的鏈接的正確性。很好的改變了老師在教學(xué)中枯燥的現(xiàn)象，豐富了課堂的活躍性，提高了教學(xué)質(zhì)量，是可以推廣應(yīng)用的好的教學(xué)手段。

參考文獻

[1]趙仕良.用MATLAB語言輔助《自動控制原理》的教學(xué)[J].四川師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999，22（3）：341-343.

[2]周竹生，陳靈君，張賽民.VB實現(xiàn)對MATLAB程序的調(diào)用[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2004，5：21-23.

[3]湯海紅，張君.基于Active X的Matlab與VB接口技術(shù)在仿真軟件設(shè)計中的應(yīng)用[J].煤礦機械，2004，12：86-88.

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[7]吳文進.自動控制原理課程的MATLAB輔助教學(xué)[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，16（1）：114-116.

[8]柴瑞娟.MATLAB語言在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2001，23（6）：25-27.

[9]魏克新.MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997，2.

[10]張春峰，鄒新杰，余張國.用MATLAB語言開發(fā)自動控制原理的輔助教學(xué)系統(tǒng)[J].西南科技大學(xué)《高教研究》，2006，2：18-20.

作者簡介：

萬會敏（1985—），女，西華師范大學(xué)教育學(xué)院2014屆現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)教育學(xué)碩士研究生在讀，主要從事計算機教學(xué)、編程和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面的工作。

丁鋒（1984—），男，碩士，工程師，現(xiàn)供職于中石化中原石油勘探局勘察設(shè)計研究院，主要從事電子設(shè)計，信號解調(diào)，化工儀表維護和集散控制系統(tǒng)設(shè)計及油氣加工設(shè)計等方面的應(yīng)用研究。