基于MATLAB的《計算機控制技術》實驗系統研究

摘 要：基于MATLAB強大的數據處理能力和良好的人機界面編程工具，設計了基于MATLAB的《計算機控制技術》實驗系統，不僅滿足了實驗教學要求，而且克服了教學內容的局限性，為學生提供了一個開放的實驗平臺。

關鍵詞：MATLAB；計算機控制；實驗系統

引言

“計算機控制技術”是自動化專業極其重要的專業必修課，在整個自動化專業的課程體系中占有非常重要的地位。該課程綜合了計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感技術等方面的知識，具有很強的實踐性和應用性，因此實驗教學是該課程的重要環節。為滿足實驗教學的要求，需要提供一套較實用的實驗平臺，包括儀器儀表的實驗裝置、算法研究的控制策略軟件系統以及控制機。然而實驗裝置和工控機價格普遍昂貴，在學校經費有限的情況下很難大批量地購置，因此文章研究了基于MATLAB的計算機控制實驗平臺，利用現有實驗裝置對象，結合MATLAB強大的數據處理與圖形顯示功能，不僅彌補了現有實驗設備數量的不足，同時也克服了實驗教學內容的局限性，為學生獨立完成系統的設計分析計算以及算法編制提供了環境，這有助于激發學生學習的興趣、提高學生的主動性，拓展學生的思維，培養學生的創新與綜合能力，從而真正全面提高“計算機控制技術”課程的教學質量。

1 MATLAB軟件簡介

MATLAB 是美國Mathworks公司推出的集成計算和開發環境，不僅具備完善的矩陣和科學計算功能，而且能勝任眾多專業領域的仿真和設計任務，甚至能自動生成直接與硬件關聯的代碼，其便利程度和強大的功能受到廣大科研和工程技術人員的青睞，在自動控制、系統仿真、數字圖像處理、數字信號處理領域有著廣泛的應用，并且MATLAB語言是一種面向科學與工程計算的高級語言，允許用數學形式的語言來編寫程序，比Basic、Fortan、C等高級語言更加接近我們書寫計算公式的思維方式，用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題一樣。它編寫簡單、編程效率高并且通俗易懂。隨著面向對象技術的興起，圖形用戶界面（Graphical User Interface， GUI）設計成為了一種趨勢。它不僅可以加快程序的設計工作，還可以減輕設計工作者的負擔，MATLAB恰恰為用戶設計圖形界面提供了一個高效、方便的集成環境。在MATLAB中，基本的圖形對象主要包括坐標軸對象（Axes）、空間對象（Uicontrol）、下拉菜單對象（Uimenu）和內容式菜單對象（Uicontexmenu）。

用戶可以利用這些對象，根據自己的實際設計需求來設計界面友好，功能強大，操作簡單的圖形用戶界面。

2 實驗系統的硬件組成

《計算機控制技術》實驗系統的硬件是由實驗裝置、數據采集卡和上位機組成。

實驗裝置：采用了浙江天煌公司的THJ-3型，該裝置包括了工業常用參數溫度、液位、流量的檢測與控制，其工藝流程如圖1所示。

數據采集卡：采用了NI PCI-6024E數據采集卡，通過184749c電纜把實驗裝置輸入輸出信號與主機連接，實現數據的實時傳輸。采集卡提供了16路12位分辨率的模擬量輸入通道、2路模擬量輸出通道、8路數字量輸入、8路數字量輸出通道。

上位機：采用普通PC機，安裝MATLAB軟件和PCI-6024ED的采集卡驅動程序，開發與運行實驗系統軟件。

3 實驗系統的軟件實現

3.1 采集卡接口通信

要實現上位機對實驗裝置的實時控制，首先要實現基于MAT LAB的數據采集卡與上位機的接口通信。采集卡插入到主機的PCI插槽后，完成生產商提供的硬件驅動程序安裝，并對各輸入輸出通道的功能進行測試，以確保數據采集卡能夠正常使用。因為采集卡硬件驅動中都含有可以對I/O進行直接操作的動態鏈接，可以直接通過MATLAB調用。

利用MATLAB的數據采集工具箱進行接口通信編程，步驟如下：（1）使用函數“daqregister（adaptoror）”為數據采集卡進行注冊識別。（2）使用函數“analoginput（adaptoror，ID）”為數據采集卡建立模擬輸入對象，第一個參數為適配器名稱，第二個參數為獲取的ID編號。（3）使用函數“addchannel（AIObject，ChannelNumber）”配置有用通道，第一個參數為通道對象，第二個參數為通道編號。（4）使用函數 “set（AIObject，type，value）”對輸入通道對象的屬性進行設置，如采樣率、輸入類型、測量范圍等等。

MATLAB接口程序如下：

3.2 界面設計

本實驗系統的人機界面采用MATLAB的圖形用戶界面工具創建。首先利用MATLAB圖形用戶界面設計了該系統的靜態界面，當靜態界面設計完成之后，GUI將自動生成.FIG和.M文件。其中.FIG文件保存了關于靜態窗口界面的所有對象的屬性值，.M文件包括 GUI設計、控制函數以及為子函數的用戶控件回調函數，主要用于控制GUI展開時的各種特征。這個.M文件可以分為GUI 初始化和回調函數兩個部分，用戶控件的回調函數根據用戶與GUI的具體交互方式分別調用。本實驗系統界面包括實驗系統主界面如圖2，每一個實驗項目的仿真界面如圖3，以及每一個實驗項目的在線實驗界面如圖4。該實驗系統設計了16個實驗項目的仿真與實驗，可以對多種控制策略方法進行研究，還可以自行設計擴展其他控制功能。

4 結束語

本實驗系統不僅操作簡便、可視性好，可靠性強，而且具有很好的開放性與可移植性，有效促進學生拓展思維、創新研發，從而真正調動了學生的學習主動性和創新積極性，在教學實踐中取得了顯著的良好教學效果。

參考文獻

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[2]陳矗光，毛濤濤，王正林，等.精通MATLAB GUI設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

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[4]于海生.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

作者簡介：陽武嬌（1979-），女，南華大學電氣工程學院，實驗師，主要研究方向：實驗平臺研究及系統建模仿真。