论述Matlab环境下的过程控制模拟实验

2012-08-15王晓燕

赤峰学院学报·自然科学版 2012年3期

关键词：工具箱模拟实验调用

王晓燕

（集宁师范学院计算机系，内蒙古乌兰察布 012000）

论述Matlab环境下的过程控制模拟实验

王晓燕

（集宁师范学院计算机系，内蒙古乌兰察布 012000）

本文基于教学实践，解释了Matlab和过程控制实验的定义，分析了Matlab软件的优点，并着重介绍了Matlab软件在过程控制模拟实验中能够为过程控制模拟实验提供一个超强的数值运算环境，拥有强大的数据可视化功能，能够帮助更好的分析实验数据以及携带丰富的工具箱，给实验的进行带来了更多的方便等具体的应用.希望有关人员加以借鉴和参考，探讨出更多在Matlab环境下进行过程控制模拟实验的有效方法，促进现代工业控制实验的发展.

Matlab环境；过程控制模拟实验；具体应用

过程控制实验在现在工业控制实验中有着非常重要的地位.在国内的很多自动化专业都开设了过程控制模拟实验这一研究课题.在实验过程中，Matlab软件的应用起到了很重要的作用.基于Matlab环境下的过程控制模拟实验能够在一个十分便捷的平台上面进行流畅和便捷的操作.在过程控制模拟实验进程中，Matlab软件起到的作用不可替代.因此，对于Matlab环境下的过程控制模拟实验的研究能够提高学生学习过程控制实验和熟练操作Matlab软件的能力.

1 Matlab和过程控制实验的定义

Matlab的中文全称是矩阵实验室，是美国Math Works公司推出的一款用于数据分析、数据可视化、算法开发和数值计算的数学软件.它能够为相关的实验提供一个高级技术计算语言和交互式环境.其中这种软件的具体应用领域主要在信号处理与通讯、信号检测、图像处理、数学建模、控制设计以及工程计算等.其中在过程控制实验中主要进行数值分析和控制系统的设计与仿真方向上面.由于它所具有的数据可视化特点和强大的数值计算功能，在一些建模实验中得到了广泛的运用.正是它这种能够为科学研究领域提供全面的解决方案的能力，成为了国内外很多高校和一些研究部门的重要的科学软件.过程控制实验是很多高校自动化专业的一门实验课程.它与“过程控制系统”进行了紧密的结合，从而形成的了一门具备完整性和独立性的实验课程.主要是基于Matlab环境进行展开的一系列实验课时，通过这门实验课程的开设从而提高自动化专业学生的动手能力和他们分析问题解决问题的能力.而过程控制模拟实验就是在Matlab环境下，进行相关的建模，然后通过数据分析和数据处理，以此对过程控制实验的内部结构以及变化过程形成一定的动态模型，从而帮助学生对其进行深入的了解、提高他们在过程控制模拟实验中的操作能力以及对Matlab软件的熟练运用能力.

2 Matlab环境的优点

Matlab软件之所以得到了国内外学习和科研机构的大力亲睐，主要是因为它所具有的优点对一些科学课题和实验项目的研究提供了一个良好的操作运行平台，在研究人员全面解决相关数据分析和数学建模问题上起到了很大的作用.Matlab的主要优点有：

2.1 友好的工作界面和编程环境

Matlab因为它与笔算式十分贴近的语言规则，以及拥有和普通的数学表达式类似的命令表达方式，让这个操作流程都显得没有那么生涩.其简单的编程语言系统和编程环境，能够使用户更加轻松的进行使用.另外，由于它的许多工具是采用的图形界面，让用户能够清晰地产生强列人机交互感，使得工作界面显得格外友好.此外，Matlab在编程过程中的工作主要是以解释的方式在进行，对输入的算式不需要进行相关的编译就能够立即得出结果，同时，若输入错误，软件也会立即给予相应的提示，便于用户进行改正.

2.2 出色的数值计算能力

Matlab包含了大量的算法，，它所拥有的数学函数几乎深入到了每一个科学研究领域，因此能够给用户进行相应的计算提供更多的方便.它的数值元素不再是单个的数据，取而代之的是矩阵，其中的每个元素都可以看作是一个复数，它的运算方式除了常见的加减乘除以外，还包括了一些工程中常用的函数运算，比如说，三角函数的运算、傅里叶变换运算等.此外，Matlab能够同步更新工程和科研计算中的最前沿的研究成果，这样的升级和更新处理为Matlab提供了出色的数值计算能力，成为了它广泛运用的原因之一.

2.3 强大的图像处理功能

为了能够对强大的数值计算能力作出更加直观的结果分析，Matlab因此也具有了强大的图形处理功能.对于一些复杂的工程计算，它能够使其可视化，从而让工程计算中的数据之间的关系更加清晰地呈现给用户.其次，它所携带的多种坐标体系，能够对再复杂的模型都进行数据可视化.此外它还具有图像色彩调节和光照处理等其他数学软件所不具备的功能.无论是二维坐标还是三维坐标，在Matlab环境下都能进行曲线和曲面的绘制，并且还能对其中的重要因素进行标注，使得数据结果分析过程更加简洁和直观.

2.4 丰富的工具箱

Matlab针对许多专业的建模或科研领域的相关实验操作，创建了丰富的工具箱.工具箱中收录了许多最新最前沿的模块集，用户可以直接通过使用工具箱来进行一些数据的处理，并对相关知识的学习、评估以及应用都有很好的促进效果.通过工具箱，用户可以不用自己写具体的代码程序，而是直接调用工具箱中的相关成果，这样也就为实验进程节省了大量的时间.此外，Matlab将工具箱的应用领域扩展到了概率统计、偏微方程求解、模型预测、金融分析等很多的行业研究中.因为Matlab具有的丰富工具箱，使其在应用领域得到了更多的关注和运用.

2.5 实用的发布平台和程序接口

由于Matlab软件所具有的网页服务这个特点，使得基于Matlab环境下的实验研究成果能够及时更新和发布到互联网上，从而方便其他的研究人员能够使用自己的相关数学程序和研究模型，这种实用的发布平台对于行业内部研究人员之间的交流和探讨有很积极的意义.同时，Matlab所具有的程序接口，能够在Matlab的编译器的转换下将C++程序或其他软件的数学模型编译成Matlab环境下的C程序或数学模型，这样用户可以更加方便的在Matlab环境下进行相应的研究和运用.

3 Matlab软件在过程控制模拟实验的具体应用

3.1 Matlab能够为过程控制模拟实验提供一个超强的数值运算环境

Matlab的一个重要优点就是具有超强的数值运算能力，在过程控制模拟实验中，Matlab软件能够为该实验提供一个超强的数值运算环境.过程控制实验的分析和相关模型的建立都离不开相关函数的调用和计算.比如说，在利用Matlab进行相应的时域分析时，需要对线性系统的稳定性作出相应的分析，此时Matlab环境下的过程控制实验就能够被提供与多项式有关的操作函数，从而来进行相应的计算.在求特征多项式的根的问题上，假设P为系统向量，则可调用出root(p)函数，在方程p=0的复数求解过程中进行相应的计算，则改接v可以表达如下：v=root(p),假设特征多项式为x^5+3x^3+2x^2+x+1,则它的特征求解根据Matlab软件可以得出，P= [1,0,3,2,1,1];v=roots(p);结果显示为：v=0.3202+1.7042i0.3202-1.7042i-0.70290.0402+0.6780i0.0402-0.6780i在Matlab环境下对于root()函数进行调用，对于多项式的特征求解能够起到更加便捷的作用.由于控制模拟实验拥有庞大的计算以及相关的建模问题，因此Matlab提供的这种超强的计算环境能够帮助解决实验中计算复杂和数据分析紊乱的问题，从而形成一个全面的解决问题方案.在过程控制实验中，有时候要针对一些矩阵进行特定的计算，但是矩阵中的相关元素并不仅仅只是一个简单的有理数，这样就导致了计算过程的复杂，一些矩阵计算中的复数将耗掉大量的计算时间，但是在Matlab环境下，矩阵的计算就显得特别容易，用户只需要在相关的计算过程中，调入相关的矩阵计算程序，输入计算矩阵就能够快速的得到计算结果.此外，除了进行简单的加减乘除计算外，复杂函数的计算也大量存在着，Matlab环境下的过程控制实验能够更加轻松更加准确得到计算结果.

3.2 Matlab拥有强大的数据可视化功能，能够帮助更好的分析实验数据

过程控制模拟实验过程中，数据分析和显示是对实验进程进行反映和详细表述的重要环节.由于过程控制模拟实验数据系统的复杂，使得很多的实验数据分析过程并没有得到更加直观的研究.但是在Matlab环境下，由于该软件能够将具体的数据结果进行图形处理作用，使其在过程控制模拟实验研究中备受亲睐.比如说，Matlab软件中所携带的Simulink模型，能够模拟所有的线性或者非线性以及一些离散型或者混合型的动态系统.在单容水箱的液位控制系统的模拟实验研究过程中，通过调用一系列函数进行相关的计算就能够得到具体的实验数据，然后根据这些实验数据就能够得到反应曲线的坐标图形，同时对于坐标中的重要参数也进行了特定的标注，这样促进整个实验的数据通过图形展示出来，进而得到单容水箱的传递函数，为实验结果很大程度上提有了更加准确的操作环境保障.由此看来，Matlab所拥有的强大的数据可视化功能，能够帮助过程控制模拟实验更好的分析实验数据，然后呈现出相应的图形，以此来直观的帮助实验人员更好的解读相关的实验进程.此外，在实验控制过程中，Matlab还能对于具体的数据作出三维的曲线或曲面动态图形，这样的模型能够更加简洁的展现实验进程中一些变量的变化和具体的规律.

3.3 Matlab携带丰富的工具箱，给实验的进行带来了更多的方便

Matlab由于其携带的丰富的工具箱，给控制模拟实验带来了很多的操作方便.众所周知，过程模拟实验在自动化学习过程中有着举重轻重的地位，但是由于其复杂的建模操作和复杂的计算强度，一直是让实验人员头疼的地方.但是Matlab所携带的工具箱中有丰富的工具模块集和大量便捷的计算工具，在过程控制模拟实验的进程中，针对一些复杂的函数和一些最新的函数的调用，实验人员都可以在Matlab软件的工具箱中找到相应的计算工具和调用模块.由于Matlab拥有强大的同步更新能力，能够及时的对于过程控制模拟实验最新取得的实验结果进行一定的收录，在以后的相关实验，实验人员就可以直接对之前的实验结论进行调用.工具箱里拥有很多Matlab语言编写出来的基本的子程序模块集，在过程控制模拟实验中，可以提供相应的解决过程控制问题的最新算法.由于Matlab所提供的专业工具箱和通用工具箱的完美结合，在过程控制模拟实验中能够给实验带来极大的方便.实验人员可以不用再为工具箱实验过程中的应用、学习和评估而自己下手去写相关的编程代码，这种直接调用信息模块集的作用，对实验的高效进行起到了积极的推动作用.