論述Matlab環(huán)境下的過程控制模擬實驗

王曉燕

（集寧師范學院 計算機系，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

（集寧師范學院 計算機系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

本文基于教學實踐，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的數(shù)值運算環(huán)境，擁有強大的數(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)境下進行過程控制模擬實驗的有效方法，促進現(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行流暢和便捷的操作.在過程控制模擬實驗進程中，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生學習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，從而幫助學生對其進行深入的了解、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)外學習和科研機構(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)學表達式類似的命令表達方式，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)生強列人機交互感，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行，對輸入的算式不需要進行相關(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)學函數(shù)幾乎深入到了每一個科學研究領(lǐng)域，因此能夠給用戶進行相應(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 強大的圖像處理功能

為了能夠?qū)姶蟮臄?shù)值計算能力作出更加直觀的結(jié)果分析，Matlab因此也具有了強大的圖形處理功能.對于一些復雜的工程計算，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體系，能夠?qū)υ購碗s的模型都進行數(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)學軟件所不具備的功能.無論是二維坐標還是三維坐標，在Matlab環(huán)境下都能進行曲線和曲面的繪制，并且還能對其中的重要因素進行標注，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行一些數(shù)據(jù)的處理，并對相關(guān)知識的學習、評估以及應(yīng)用都有很好的促進效果.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)域擴展到了概率統(tǒng)計、偏微方程求解、模型預測、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)學模型編譯成Matlab環(huán)境下的C程序或數(shù)學模型，這樣用戶可以更加方便的在Matlab環(huán)境下進行相應(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的數(shù)值運算環(huán)境

Matlab的一個重要優(yōu)點就是具有超強的數(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的復數(shù)求解過程中進行相應(yīng)的計算，則改接v可以表達如下：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提供的這種超強的計算環(huán)境能夠幫助解決實驗中計算復雜和數(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)，這樣就導致了計算過程的復雜，一些矩陣計算中的復數(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，除了進行簡單的加減乘除計算外，復雜函數(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松更加準確得到計算結(jié)果.

3.2 Matlab擁有強大的數(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程進行反映和詳細表述的重要環(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)曲線的坐標圖形，同時對于坐標中的重要參數(shù)也進行了特定的標注，這樣促進整個實驗的數(shù)據(jù)通過圖形展示出來，進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確的操作環(huán)境保障.由此看來，Matlab所擁有的強大的數(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習過程中有著舉重輕重的地位，但是由于其復雜的建模操作和復雜的計算強度，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程中，針對一些復雜的函數(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、學習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習進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)域的學者的更多的研究，從而推進過程控制的建設(shè)工作進程.

〔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，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].計算機仿真，2003（8）.

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

TP273

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1673-260X（2012）02-0041-02