基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台

潘建伟

（武威职业学院 甘肃省武威市 733000）

1 引言

近十几年，国内的虚拟实验室的发展也突飞猛进。结合虚拟实验技术的特点以及它在理工教学中实际应用,尤其在电气自动化、电子信息工程、医学、建筑、生物化等学科有重要作用，国内的许多高校都根据本院校的实际教学需求建立了各类虚拟实验室。高职院校的学生相对本科院校的学生，在课程的学习上存在一定难度，从而导致该课程的实验操作也困难，面对复杂的硬件电路，不知该如何下手，对控制系统的模型也不是很了解，在实验过程中接错电子元件很容易造成硬件电路的损坏，不仅没有达到实验的目的，而且导致学生对实验课程的排斥。此外传统的硬件实验扩展性较差，实验的内容逐渐脱离实际。基于此，利用MATLAB 软件的图形用户开发工具(GUITOOLS)和SIMULINK 搭建虚拟实验平台，SIMULINK 是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包，不仅支持线性和非线性系统，也支持连续和离散的混合系统，而且系统可以是多进程的。运作的工具箱和模块已覆盖航空、航天、通信、控制、信号处理、电力系统、机电系统等诸多领域，所涉及的内容专业性越来越强，使用也越来越方便。在应用数学，电工电子，自动控制以及信号处理等多个专业的教学实验中均有广泛应用。

2 虚拟实验平台的优越性

虚拟实验是一个多功能的实验平台，不仅便于各个学科的实验交叉而且便于实验功能的扩充，而且不受场地的限制、时间的限制，随时随地只需一台电脑就可以进行试验。随时查看仿真结果，随时修改仿真参数，观察数据的变化，为获取更多信息提供数据支撑。此外，以前在传统实验室只能做一些固定实验，随着仿真元件库的扩充，教学以外的实验也可以自己设计实现，还可以在应急情况下便于开展在线实验，解决线上授课实验难以保证的问题。

在应急情况下，我们的授课采用线上教学，课程相应的实验部分可能会受场地仪器的影响，实验暂时搁置。学生只能观看实验视频，无法亲自动手验证实验。理论上了解实验和实际操作存在差距，学生没有根本理解实验。

基于MATLAB 的虚拟实验平台在应急情况下就体现出了其优势，教师可以在线发布实验视频，讲解仿真系统构建过程。学生了解实验后，只要一台电脑和MATLAB 软件就可以在家自己实践，修改实验参数可以反复验证实验结果。

3 基于MATLAB的虚拟实验平台实例

因为虚拟实验不受场地设备及耗材的限制，所以能够促进学生自主学习，合作学习。让学生在仿真模型的过程中发现问题，提出问题，从而提高分析问题、解决问题的能力。此外，学生可以搭建自己设计的仿真系统，大胆地进行尝试设计不同实验模型，通过修改仿真参数，获取不同的数据，促进学生实验创新思维的发展。以自动控制原理课程为例，主要设计了课本实验、演示实验。课本内的实验专门做成一个模块，讲授那个实验点击响应的实验按钮就可以进入实验。采用MATLAB 图形工具(GUITOOLS)设计界面，保存成相应fig 图形文件，同时生成同名的M 文件，用于函数调用。课本实验首界面如图1 所示。

如图2 所示，在M 文件中对每个按钮进行callback 事件编写相应的代码，进入相应的实验，每个实验都有实验的目的、实验所用设备、实验具体的内容、实验报告样文、实验要达到的要求以及该实验的仿真模型这几项。除了实验的仿真模型可以打开模型文件，对模型文件进行编辑外，其余的按钮对应的内容都是以文本或者图片的形式呈现给学生，不可编辑，只能查看。学生在撰写实验报告时可以参考发的实验报告样文，但是具体的实验数据可以根据你的实验仿真结果来写。学生可以对仿真进行重构或者在原来的基础上对元件参数进行修改，对比实验结果数据有什么不同，从而能得出什么结论，以此来增强学生对实验的理解及实验的创新能力。

如图3 所示，在实验界面，点击仿真模型按钮会调用打开模型文件函数，查看当前实验的仿真模型。以下列出按钮5、按钮6和按钮7 对应的回调函数内容。

function pushbutton5_Callback(hObject,eventdata,handles)

[baogao3,f:pp]=uigetfile('*.txt','baogao3');

file=fullfile(PathName,FileName);

data=load(file);

axes(handles.axes1);

axes(handles.axes_src);%用axes 命令设定当前操作的坐标轴是axes_src

fpath=[pathname filename];%将文件名和目录名组合成一个完整的路径

imshow(imread(fpath));%用imread 读入图片，并用imshow 在axes_src 上显示

function pushbutton6_Callback(hObject,eventdata,handles)

% uigetfile 函数打开以fangzhenmoxing3 命名的mdl 文件

% fn 为返回的文件名

% fn=fangzhenmoxing3.mdl

fn=uigetfile('*.mdl','fangzhenmoxing3');

function pushbutton7_Callback(hObject,eventdata,handles)

exit

点击仿真模型按钮，调用打开模型对话框，进入仿真模型。如图4 所示。

学生打开仿真模型，可以编辑模型，运行模型，双击每个元件可以修改参数，反复验证结果。

图1：课本实验首界面

图2：同名M 文件

图3：实验界面

图4：仿真模型

4 结论

课程教学的目的不仅要教授学生理论知识，而且要学生将所学的理论知识能更好地运用都实际工作中。因此，实验课就显得尤为重要，是学生实际工作的练兵场，但是依靠传统实验已不能满足社会的快速发展，虚拟实验平台不仅弥补了传统实验室的许多缺陷，而且将抽象的理论具体化，实验形象直观，增强了学生的参与性。此外，随着网络的发展，线上实验也成为了一种可能。