王曉燕

（集寧師范學(xué)院 計算機(jī)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

論述Matlab環(huán)境下的過程控制模擬實驗

王曉燕

（集寧師范學(xué)院 計算機(jī)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

本文基于教學(xué)實踐，解釋了Matlab和過程控制實驗的定義，分析了Matlab軟件的優(yōu)點，并著重介紹了Matlab軟件在過程控制模擬實驗中能夠為過程控制模擬實驗提供一個超強(qiáng)的數(shù)值運算環(huán)境，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，能夠幫助更好的分析實驗數(shù)據(jù)以及攜帶豐富的工具箱，給實驗的進(jìn)行帶來了更多的方便等具體的應(yīng)用.希望有關(guān)人員加以借鑒和參考，探討出更多在Matlab環(huán)境下進(jìn)行過程控制模擬實驗的有效方法，促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)控制實驗的發(fā)展.

Matlab環(huán)境；過程控制模擬實驗；具體應(yīng)用

過程控制實驗在現(xiàn)在工業(yè)控制實驗中有著非常重要的地位.在國內(nèi)的很多自動化專業(yè)都開設(shè)了過程控制模擬實驗這一研究課題.在實驗過程中，Matlab軟件的應(yīng)用起到了很重要的作用.基于Matlab環(huán)境下的過程控制模擬實驗?zāi)軌蛟谝粋€十分便捷的平臺上面進(jìn)行流暢和便捷的操作.在過程控制模擬實驗進(jìn)程中，Matlab軟件起到的作用不可替代.因此，對于Matlab環(huán)境下的過程控制模擬實驗的研究能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程控制實驗和熟練操作Matlab軟件的能力.

1 Matlab和過程控制實驗的定義

Matlab的中文全稱是矩陣實驗室，是美國Math Works公司推出的一款用于數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、算法開發(fā)和數(shù)值計算的數(shù)學(xué)軟件.它能夠為相關(guān)的實驗提供一個高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境.其中這種軟件的具體應(yīng)用領(lǐng)域主要在信號處理與通訊、信號檢測、圖像處理、數(shù)學(xué)建模、控制設(shè)計以及工程計算等.其中在過程控制實驗中主要進(jìn)行數(shù)值分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真方向上面.由于它所具有的數(shù)據(jù)可視化特點和強(qiáng)大的數(shù)值計算功能，在一些建模實驗中得到了廣泛的運用.正是它這種能夠為科學(xué)研究領(lǐng)域提供全面的解決方案的能力，成為了國內(nèi)外很多高校和一些研究部門的重要的科學(xué)軟件.過程控制實驗是很多高校自動化專業(yè)的一門實驗課程.它與“過程控制系統(tǒng)”進(jìn)行了緊密的結(jié)合，從而形成的了一門具備完整性和獨立性的實驗課程.主要是基于Matlab環(huán)境進(jìn)行展開的一系列實驗課時，通過這門實驗課程的開設(shè)從而提高自動化專業(yè)學(xué)生的動手能力和他們分析問題解決問題的能力.而過程控制模擬實驗就是在Matlab環(huán)境下，進(jìn)行相關(guān)的建模，然后通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理，以此對過程控制實驗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及變化過程形成一定的動態(tài)模型，從而幫助學(xué)生對其進(jìn)行深入的了解、提高他們在過程控制模擬實驗中的操作能力以及對Matlab軟件的熟練運用能力.

2 Matlab環(huán)境的優(yōu)點

Matlab軟件之所以得到了國內(nèi)外學(xué)習(xí)和科研機(jī)構(gòu)的大力親睞，主要是因為它所具有的優(yōu)點對一些科學(xué)課題和實驗項目的研究提供了一個良好的操作運行平臺，在研究人員全面解決相關(guān)數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模問題上起到了很大的作用.Matlab的主要優(yōu)點有：

2.1 友好的工作界面和編程環(huán)境

Matlab因為它與筆算式十分貼近的語言規(guī)則，以及擁有和普通的數(shù)學(xué)表達(dá)式類似的命令表達(dá)方式，讓這個操作流程都顯得沒有那么生澀.其簡單的編程語言系統(tǒng)和編程環(huán)境，能夠使用戶更加輕松的進(jìn)行使用.另外，由于它的許多工具是采用的圖形界面，讓用戶能夠清晰地產(chǎn)生強(qiáng)列人機(jī)交互感，使得工作界面顯得格外友好.此外，Matlab在編程過程中的工作主要是以解釋的方式在進(jìn)行，對輸入的算式不需要進(jìn)行相關(guān)的編譯就能夠立即得出結(jié)果，同時，若輸入錯誤，軟件也會立即給予相應(yīng)的提示，便于用戶進(jìn)行改正.

2.2 出色的數(shù)值計算能力

Matlab包含了大量的算法，，它所擁有的數(shù)學(xué)函數(shù)幾乎深入到了每一個科學(xué)研究領(lǐng)域，因此能夠給用戶進(jìn)行相應(yīng)的計算提供更多的方便.它的數(shù)值元素不再是單個的數(shù)據(jù)，取而代之的是矩陣，其中的每個元素都可以看作是一個復(fù)數(shù)，它的運算方式除了常見的加減乘除以外，還包括了一些工程中常用的函數(shù)運算，比如說，三角函數(shù)的運算、傅里葉變換運算等.此外，Matlab能夠同步更新工程和科研計算中的最前沿的研究成果，這樣的升級和更新處理為Matlab提供了出色的數(shù)值計算能力，成為了它廣泛運用的原因之一.

2.3 強(qiáng)大的圖像處理功能

為了能夠?qū)?qiáng)大的數(shù)值計算能力作出更加直觀的結(jié)果分析，Matlab因此也具有了強(qiáng)大的圖形處理功能.對于一些復(fù)雜的工程計算，它能夠使其可視化，從而讓工程計算中的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系更加清晰地呈現(xiàn)給用戶.其次，它所攜帶的多種坐標(biāo)體系，能夠?qū)υ購?fù)雜的模型都進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化.此外它還具有圖像色彩調(diào)節(jié)和光照處理等其他數(shù)學(xué)軟件所不具備的功能.無論是二維坐標(biāo)還是三維坐標(biāo)，在Matlab環(huán)境下都能進(jìn)行曲線和曲面的繪制，并且還能對其中的重要因素進(jìn)行標(biāo)注，使得數(shù)據(jù)結(jié)果分析過程更加簡潔和直觀.

2.4 豐富的工具箱

Matlab針對許多專業(yè)的建?；蚩蒲蓄I(lǐng)域的相關(guān)實驗操作，創(chuàng)建了豐富的工具箱.工具箱中收錄了許多最新最前沿的模塊集，用戶可以直接通過使用工具箱來進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的處理，并對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)、評估以及應(yīng)用都有很好的促進(jìn)效果.通過工具箱，用戶可以不用自己寫具體的代碼程序，而是直接調(diào)用工具箱中的相關(guān)成果，這樣也就為實驗進(jìn)程節(jié)省了大量的時間.此外，Matlab將工具箱的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了概率統(tǒng)計、偏微方程求解、模型預(yù)測、金融分析等很多的行業(yè)研究中.因為Matlab具有的豐富工具箱，使其在應(yīng)用領(lǐng)域得到了更多的關(guān)注和運用.

2.5 實用的發(fā)布平臺和程序接口

由于Matlab軟件所具有的網(wǎng)頁服務(wù)這個特點，使得基于Matlab環(huán)境下的實驗研究成果能夠及時更新和發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，從而方便其他的研究人員能夠使用自己的相關(guān)數(shù)學(xué)程序和研究模型，這種實用的發(fā)布平臺對于行業(yè)內(nèi)部研究人員之間的交流和探討有很積極的意義.同時，Matlab所具有的程序接口，能夠在Matlab的編譯器的轉(zhuǎn)換下將C++程序或其他軟件的數(shù)學(xué)模型編譯成Matlab環(huán)境下的C程序或數(shù)學(xué)模型，這樣用戶可以更加方便的在Matlab環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)的研究和運用.

3 Matlab軟件在過程控制模擬實驗的具體應(yīng)用

3.1 Matlab能夠為過程控制模擬實驗提供一個超強(qiáng)的數(shù)值運算環(huán)境

Matlab的一個重要優(yōu)點就是具有超強(qiáng)的數(shù)值運算能力，在過程控制模擬實驗中，Matlab軟件能夠為該實驗提供一個超強(qiáng)的數(shù)值運算環(huán)境.過程控制實驗的分析和相關(guān)模型的建立都離不開相關(guān)函數(shù)的調(diào)用和計算.比如說，在利用Matlab進(jìn)行相應(yīng)的時域分析時，需要對線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性作出相應(yīng)的分析，此時Matlab環(huán)境下的過程控制實驗就能夠被提供與多項式有關(guān)的操作函數(shù)，從而來進(jìn)行相應(yīng)的計算.在求特征多項式的根的問題上，假設(shè)P為系統(tǒng)向量，則可調(diào)用出root(p)函數(shù)，在方程p=0的復(fù)數(shù)求解過程中進(jìn)行相應(yīng)的計算，則改接v可以表達(dá)如下：v=root(p),假設(shè)特征多項式為x^5+3x^3+2x^2+x+1,則它的特征求解根據(jù)Matlab軟件可以得出，P= [1,0,3,2,1,1];v=roots(p);結(jié)果顯示為：v=0.3202+1.7042i0.3202-1.7042i-0.70290.0402+0.6780i0.0402-0.6780i在Matlab環(huán)境下對于root()函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，對于多項式的特征求解能夠起到更加便捷的作用.由于控制模擬實驗擁有龐大的計算以及相關(guān)的建模問題，因此Matlab提供的這種超強(qiáng)的計算環(huán)境能夠幫助解決實驗中計算復(fù)雜和數(shù)據(jù)分析紊亂的問題，從而形成一個全面的解決問題方案.在過程控制實驗中，有時候要針對一些矩陣進(jìn)行特定的計算，但是矩陣中的相關(guān)元素并不僅僅只是一個簡單的有理數(shù)，這樣就導(dǎo)致了計算過程的復(fù)雜，一些矩陣計算中的復(fù)數(shù)將耗掉大量的計算時間，但是在Matlab環(huán)境下，矩陣的計算就顯得特別容易，用戶只需要在相關(guān)的計算過程中，調(diào)入相關(guān)的矩陣計算程序，輸入計算矩陣就能夠快速的得到計算結(jié)果.此外，除了進(jìn)行簡單的加減乘除計算外，復(fù)雜函數(shù)的計算也大量存在著，Matlab環(huán)境下的過程控制實驗?zāi)軌蚋虞p松更加準(zhǔn)確得到計算結(jié)果.

3.2 Matlab擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，能夠幫助更好的分析實驗數(shù)據(jù)

過程控制模擬實驗過程中，數(shù)據(jù)分析和顯示是對實驗進(jìn)程進(jìn)行反映和詳細(xì)表述的重要環(huán)節(jié).由于過程控制模擬實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜，使得很多的實驗數(shù)據(jù)分析過程并沒有得到更加直觀的研究.但是在Matlab環(huán)境下，由于該軟件能夠?qū)⒕唧w的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行圖形處理作用，使其在過程控制模擬實驗研究中備受親睞.比如說，Matlab軟件中所攜帶的Simulink模型，能夠模擬所有的線性或者非線性以及一些離散型或者混合型的動態(tài)系統(tǒng).在單容水箱的液位控制系統(tǒng)的模擬實驗研究過程中，通過調(diào)用一系列函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的計算就能夠得到具體的實驗數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些實驗數(shù)據(jù)就能夠得到反應(yīng)曲線的坐標(biāo)圖形，同時對于坐標(biāo)中的重要參數(shù)也進(jìn)行了特定的標(biāo)注，這樣促進(jìn)整個實驗的數(shù)據(jù)通過圖形展示出來，進(jìn)而得到單容水箱的傳遞函數(shù)，為實驗結(jié)果很大程度上提有了更加準(zhǔn)確的操作環(huán)境保障.由此看來，Matlab所擁有的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，能夠幫助過程控制模擬實驗更好的分析實驗數(shù)據(jù)，然后呈現(xiàn)出相應(yīng)的圖形，以此來直觀的幫助實驗人員更好的解讀相關(guān)的實驗進(jìn)程.此外，在實驗控制過程中，Matlab還能對于具體的數(shù)據(jù)作出三維的曲線或曲面動態(tài)圖形，這樣的模型能夠更加簡潔的展現(xiàn)實驗進(jìn)程中一些變量的變化和具體的規(guī)律.

3.3 Matlab攜帶豐富的工具箱，給實驗的進(jìn)行帶來了更多的方便

Matlab由于其攜帶的豐富的工具箱，給控制模擬實驗帶來了很多的操作方便.眾所周知，過程模擬實驗在自動化學(xué)習(xí)過程中有著舉重輕重的地位，但是由于其復(fù)雜的建模操作和復(fù)雜的計算強(qiáng)度，一直是讓實驗人員頭疼的地方.但是Matlab所攜帶的工具箱中有豐富的工具模塊集和大量便捷的計算工具，在過程控制模擬實驗的進(jìn)程中，針對一些復(fù)雜的函數(shù)和一些最新的函數(shù)的調(diào)用，實驗人員都可以在Matlab軟件的工具箱中找到相應(yīng)的計算工具和調(diào)用模塊.由于Matlab擁有強(qiáng)大的同步更新能力，能夠及時的對于過程控制模擬實驗最新取得的實驗結(jié)果進(jìn)行一定的收錄，在以后的相關(guān)實驗，實驗人員就可以直接對之前的實驗結(jié)論進(jìn)行調(diào)用.工具箱里擁有很多Matlab語言編寫出來的基本的子程序模塊集，在過程控制模擬實驗中，可以提供相應(yīng)的解決過程控制問題的最新算法.由于Matlab所提供的專業(yè)工具箱和通用工具箱的完美結(jié)合，在過程控制模擬實驗中能夠給實驗帶來極大的方便.實驗人員可以不用再為工具箱實驗過程中的應(yīng)用、學(xué)習(xí)和評估而自己下手去寫相關(guān)的編程代碼，這種直接調(diào)用信息模塊集的作用，對實驗的高效進(jìn)行起到了積極的推動作用.

4 結(jié)語

總而言之，過程控制模擬實驗是自動化的學(xué)習(xí)進(jìn)程中實驗操作的重要組成部分.對于Matlab軟件的掌握，能夠幫助實驗人員在實驗過程中提高實驗操作效率和準(zhǔn)確度.基于Matlab環(huán)境下的過程控制模擬實驗的應(yīng)用應(yīng)該得到控制領(lǐng)域的學(xué)者的更多的研究，從而推進(jìn)過程控制的建設(shè)工作進(jìn)程.

〔1〕張赟寧.MATLAB環(huán)境下控制系統(tǒng)綜合實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].重慶大學(xué)，2006.

〔2〕李興瑋,葉磊,黃柯棣.基于 MATLAB/xPCTarget構(gòu)建實時仿真系統(tǒng)[J].計算機(jī)仿真，2003（8）.

〔3〕梁輝.MATLAB制作圖形界面的應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003（4）.

TP273

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1673-260X（2012）02-0041-02