陳森森 任 明 宋圣強(qiáng) 林疆哈

溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 浙江溫州 325000

通用快速仿真平臺(tái)在機(jī)電自控專業(yè)中的應(yīng)用

陳森森 任 明 宋圣強(qiáng) 林疆哈

溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 浙江溫州 325000

機(jī)電自控專業(yè)的大多數(shù)核心課程概念多、理論性強(qiáng)，特別是課程間知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密。為了便于學(xué)生理解和自學(xué)，尤其加深對(duì)機(jī)電自控專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)，基于Matlab的GUI圖形界面和Simulink的RSIM快速仿真功能，介紹了面向課程群的通用快速仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)及有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的示例演示。該平臺(tái)的仿真內(nèi)容充分考慮了機(jī)電自控專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性，盡可能地體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。

通用快速仿真平臺(tái)；Matlab-GUI；Simulink-RSIM

機(jī)電自控專業(yè)(以下簡(jiǎn)稱自控專業(yè))的大多數(shù)核心課程概念多、理論性強(qiáng)，特別是課程間知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密，學(xué)生應(yīng)該具有電工電子、測(cè)試及信號(hào)處理、自動(dòng)化控制理論、計(jì)算機(jī)控制等專業(yè)理論知識(shí)，還必須有較深厚的數(shù)學(xué)和代碼編程功底。另一方面，隨著課程種類的增多，學(xué)時(shí)卻趨于減少。因此，對(duì)于理論抽象、實(shí)際驗(yàn)證機(jī)會(huì)少的自控專業(yè)課程來(lái)說(shuō)，如何吸引學(xué)生的興趣，達(dá)到理論問(wèn)題當(dāng)堂理解、當(dāng)堂驗(yàn)證、當(dāng)堂記憶是一個(gè)重要的教改課題。目前具有圖形界面的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為課程教學(xué)的有力工具，在考慮自控專業(yè)課程間學(xué)期跨度大、知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密、容易遺忘等特點(diǎn)的同時(shí)，基于Matlab-GUI設(shè)計(jì)了自控專業(yè)課程群的通用仿真平臺(tái)，并利用Simulink的實(shí)時(shí)仿真RTW的快速仿真目標(biāo)功能RSIM提高了平臺(tái)的性能。實(shí)踐證明該仿真平臺(tái)操作便利，各知識(shí)點(diǎn)相輔相成、聯(lián)系緊密，不僅能滿足專業(yè)理論實(shí)時(shí)驗(yàn)證的要求，更有助于采用關(guān)聯(lián)教學(xué)法加深學(xué)生對(duì)自控專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)。

1 快速仿真平臺(tái)的內(nèi)容選擇

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)容是以機(jī)電自控專業(yè)核心課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，并以工程實(shí)例為輔，按照課程間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行選擇確定。平臺(tái)的層次內(nèi)容如圖1所示。根據(jù)圖中所列內(nèi)容可以看出課程間的關(guān)聯(lián)性。例如控制工程基礎(chǔ)中的典型二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)域分析法的重點(diǎn)。它是利用單位階躍信號(hào)對(duì)二階系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)系統(tǒng)輸出的時(shí)域指標(biāo)來(lái)分析阻尼系數(shù)和固有頻率對(duì)系統(tǒng)的影響，有助于加深理解實(shí)際高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特點(diǎn)。另一方面，如果用復(fù)雜周期信號(hào)、掃頻信號(hào)代替階躍信號(hào)激勵(lì)二階系統(tǒng)，通過(guò)頻譜分析可以驗(yàn)證線性系統(tǒng)輸入輸出的頻率保持性，并根據(jù)二階系統(tǒng)的頻率特性來(lái)理解信號(hào)各頻域段的輸出響應(yīng)特點(diǎn)。如果進(jìn)一步利用周期方波、三角波作為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)，不僅可以了解信號(hào)的諧波疊加性而且系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中高次諧波的過(guò)濾作用和抗干擾性會(huì)有更深入的認(rèn)識(shí)。這一部分知識(shí)恰恰是測(cè)試及信號(hào)處理課程中有關(guān)信號(hào)合成、傅里葉級(jí)數(shù)、頻譜分析的難點(diǎn)和重點(diǎn)。因此利用Matlab的通用仿真平臺(tái)，把以上課程間的知識(shí)點(diǎn)歸納，并以仿真實(shí)例的形式進(jìn)行聯(lián)系，將會(huì)促進(jìn)課程間的融會(huì)貫通，突破因?qū)W期時(shí)間安排所引起的局限性。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本內(nèi)容

2 快速仿真目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

2.1 快速仿真目標(biāo)(RSIM)

平臺(tái)的許多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要通過(guò)不斷調(diào)整各類參數(shù)來(lái)觀察仿真結(jié)果。如果通過(guò)Matlab GUI界面中每次輸入?yún)?shù)后，再利用Matlab的sim函數(shù)調(diào)用后臺(tái)的Simulink模型進(jìn)行仿真，不僅參數(shù)輸入麻煩而且仿真等待時(shí)間較長(zhǎng)，尤其對(duì)于工程實(shí)例中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量較大的Simulink模型尤為明顯。為此，筆者采用文獻(xiàn)[3]所述，利用Simulink的實(shí)時(shí)仿真RTW提供的快速仿真RSIM功能，把Simulink模型編譯為獨(dú)立的C代碼可執(zhí)行程序來(lái)加快仿真速度。同時(shí)它支持批量參數(shù)調(diào)整，并從Matlab的標(biāo)準(zhǔn)Mat文件中下載新的參數(shù)值或信號(hào)數(shù)據(jù)而無(wú)須對(duì)Simulink模型重新編譯。以圖2所示的二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)為例，Simulink模型命名為“control_base.mdl”。為了實(shí)現(xiàn)圖形界面的快速仿真，利用Simulink仿真界面中的RTW參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，制定系統(tǒng)目標(biāo)文件和模板聯(lián)編文件，再單擊Build按鈕后，RTW將自動(dòng)生成名為control_base.exe的C程序代碼文件。此文件將在GUI平臺(tái)控件的回調(diào)函數(shù)中以“!control_base–p filename.mat–tf stoptime”的調(diào)用形式代替Simulink模型進(jìn)行仿真，其中filename.mat是由Matlab函數(shù)“rsimgetrtp”所獲得的control_base模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)文件，它可以快速替換整個(gè)參數(shù)向量來(lái)研究參數(shù)變化對(duì)仿真的影響?；赗SIM功能的二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)的GUI界面設(shè)計(jì)如圖3所示。當(dāng)快速仿真選項(xiàng)中的ωn固定單選按鈕被選中，并設(shè)定調(diào)整次數(shù)和調(diào)整步長(zhǎng)，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕后，仿真結(jié)果會(huì)快速顯示出系統(tǒng)隨阻尼系數(shù)ξ變化的10次階躍響應(yīng)結(jié)果。

圖2 二階系統(tǒng)激勵(lì)響應(yīng)的Simulink模型

圖3 基于RSIM的二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

2.2 快速仿真目標(biāo)的程序?qū)崿F(xiàn)

點(diǎn)擊圖3“運(yùn)行”按鈕，其控件的回調(diào)函數(shù)將讀取GUI界面設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)值，通過(guò)調(diào)入轉(zhuǎn)化成獨(dú)立C代碼后的二階系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)的快速仿真。主要程序如下：

3 關(guān)聯(lián)性仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示例

通用快速仿真平臺(tái)的內(nèi)容不是相互孤立的，在每個(gè)GUI仿真項(xiàng)目中既可以通過(guò)點(diǎn)擊“知識(shí)點(diǎn)超鏈接”的設(shè)置菜單項(xiàng)將各課程間的相關(guān)內(nèi)容鏈接起來(lái)，也可以設(shè)計(jì)專門的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)課程間的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上相輔相成的效果。圖3正是在基于上節(jié)的快速仿真目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和第二節(jié)課程關(guān)聯(lián)性討論基礎(chǔ)之上，以測(cè)試技術(shù)及信號(hào)處理中有關(guān)信號(hào)合成、頻譜分析等難點(diǎn)內(nèi)容與自動(dòng)控制理論的系統(tǒng)頻率特性的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合為例而考慮設(shè)計(jì)的GUI仿真流程圖。

圖4是為了實(shí)現(xiàn)圖3仿真功能所設(shè)計(jì)的GUI界面。界面中除了設(shè)置3個(gè)正弦波以實(shí)現(xiàn)波形的自由疊加，還設(shè)置了“特殊信號(hào)選項(xiàng)”，包括了掃頻信號(hào)、周期方波、三角波在內(nèi)的復(fù)雜信號(hào)以驗(yàn)證二階系統(tǒng)的頻率特性。當(dāng)特殊信號(hào)選中后，正弦波選項(xiàng)的所有參數(shù)設(shè)定將自動(dòng)屏蔽為零，防止輸入信號(hào)間的相互干擾。圖中所示結(jié)果是利用掃頻信號(hào)作為系統(tǒng)激勵(lì)，其中Fig.A是時(shí)域圖，它是幅值保持不變，頻率呈線性增加的信號(hào)。Fig.B中的頻譜圖顯示了信號(hào)在0～50Hz的上、下限進(jìn)行掃頻，與所設(shè)定的初頻和終頻的參數(shù)值一致(如圖5所示)。另外，二階系統(tǒng)的參數(shù)可以任意設(shè)置，這里為了采用與前節(jié)相同的系統(tǒng)，阻尼系數(shù)和固有頻率分別設(shè)定為0.1和10Hz，其系統(tǒng)的伯德圖由Fig.C所示，由理論可知，此時(shí)掃頻信號(hào)中10Hz的成分將會(huì)引起系統(tǒng)的諧振，使其附近的輸出振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掃頻信號(hào)，并且在趨向高頻時(shí)，振幅逐漸衰減至零。Fig.D的輸出時(shí)域圖驗(yàn)證了1秒附近輸出達(dá)到了最大振幅，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率成分恰為10Hz，同時(shí)其頻域圖Fig.E驗(yàn)證了輸出信號(hào)中20Hz以后的成分已經(jīng)基本消失。另一方面，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)及其頻譜分析較難理解，為此也設(shè)置了方波、鋸齒波、半波等作為激勵(lì)輸入，它們均可由傅里葉級(jí)數(shù)所表達(dá)的基頻整數(shù)倍的無(wú)數(shù)個(gè)正弦波所構(gòu)成。圖6展示了復(fù)雜周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開及其頻譜。圖6(b)是基頻為2Hz，諧波數(shù)設(shè)定為4的方波的傅里葉級(jí)數(shù)展開。通過(guò)諧波數(shù)的設(shè)定可以形象地驗(yàn)證正弦波是如何隨著諧波數(shù)的增加變化到方波。圖6(c)驗(yàn)證了周期信號(hào)頻譜具有諧波性、衰減性、離散型的特點(diǎn)。

圖4 信號(hào)激勵(lì)響應(yīng)設(shè)計(jì)流程圖

圖5 系統(tǒng)掃頻分析

圖6 方波的傅里葉級(jí)數(shù)展開

圖7是方波作為系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)，并且設(shè)定系統(tǒng)的衰減系數(shù)和固有頻率為0.5Hz和30Hz時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果。通過(guò)圖中Fig.B與Fig.E比較可知方波激勵(lì)系統(tǒng)后，由于此時(shí)的系統(tǒng)頻率特性，50Hz以后的諧波成分已經(jīng)被過(guò)濾掉，同時(shí)可以驗(yàn)證除了基頻的振幅最大外，在頻率為30Hz附近因諧振的緣故幅值譜增大。Fig.D中的輸出響應(yīng)的波形不再保持方波而是基頻為2Hz的復(fù)雜周期信號(hào)。

圖7 方波的系統(tǒng)激勵(lì)分析

4 結(jié)束語(yǔ)

在考慮了機(jī)電自控專業(yè)課程間交叉關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，利用Matlab的GUI和快速仿真目標(biāo)RSIM功能，設(shè)計(jì)了面向課程群的通用快速仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它具有專業(yè)內(nèi)容涉及面廣，課程間知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密，擴(kuò)充性好、運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)課堂教學(xué)起到了有效的輔助作用，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程間關(guān)系的了解，有利于加深對(duì)自控專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)。

[1] 李京秀.基于Matlab圖形用戶界面GUI的電路仿真實(shí)驗(yàn)的制作[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(4)：99～101

[2] 陳瑞峰，左曙光，郭偉.基于Matlab GUI的信號(hào)分析系統(tǒng)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(5)：645～647

[3] 楊滌，李立濤，楊旭，等.系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002

Application of versatile rapid simulation platform for electromechanical automation

Chen Sensen, Ren Ming, Song Shengqiang, Lin Jiangha
Wenzhou university, Wenzhou, 325000, China

Most core courses of electromechanical automation have the characteristics of more concepts, stronger theory and especially close correlation between the knowledge points. In order to help students comprehend and self-learning, in particular, improve the overall understanding of electromechanical automation, a versatile rapid simulation platform design for course group and relevant demonstration samples are introduced based on Matlab-GUI and Simulink-Rsim. The correlation between courses of electromechanical automation is fully considered in the simulation contents of the platform.

versatile rapid simulation platform; Matlab-GUI; Simulink-RSIM

2011-02-28 稿件編號(hào)：1102093

陳森森，在讀本科生。通訊作者：任明，博士，講師。

浙江省大學(xué)生科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(新苗計(jì)劃)資助項(xiàng)目(編號(hào)：2009R424034)；溫州大學(xué)校教改資助項(xiàng)目(編號(hào)：10jg50B)；溫州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào)：G20100053)。