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[摘 要]MATLAB（Matrix laboratory，即“矩阵实验室”）是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言。其是一种广泛应用于自动控制系统的计算机仿真分析软件。其编程效率高，扩充能力强，语句简单、易学易用，是当今世界上最优秀的数值计算软件，也是目前工程界最广的科学计算语言。并且在科研、生产和教学等领域具有广泛的应用前景和推广价值。基于此，本文就MATLAB在计算机自动控制中的应用与实现展开探讨与分析，现将研究结果报道如下。
[关键词]计算机；自动控制；MATLAB
中图分类号：TG409 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）39-0302-01
MATLAB语言是由美国的CleverMoler博士于1980年开发的，它是一种功能强大、内容丰富的计算机辅助设计软件。它特有的矩阵处理功能，用于控制理论研究的专用工具箱和结构图程序设计的SIMULINK仿真环境，使得MATLAB语言成为控制系统计算机辅助设计的有力工具[1]。为了解决传统的控制系统时域分析法比较复杂和不能准确地求解三阶以上的高阶系统的问题，将MATLAB控制系统工具箱和函数应用到控制系统时域分析中进行求解，达到了既能快捷、准确地求出高阶系统的时间响应函数，又能求出系统的时间响应波形和时域性能指标，无需复杂的数学公式和数值计算。该方法简单直观，极大地提高了对控制系统分析的精度和工作效率。
1、MATLAB语言的特点
1.1 起点高
①每个变量代表一个矩阵，从MATLAB名字的来源可知，它以矩阵运算见长，在当前的科学计算中，几乎无处不用矩阵运算，这使它的优势得到了充分的体现。在MATLAB中，每个变量代表一个矩阵，它可以有个元素；②每个元素都看做复数，这个特点在其他语言中也是不多见的；③所有运算都对矩阵和复数有效，包括加、减、乘、除、函数运算等。
1.2 人机界面适合科技人员
①语言规则与笔算式相似。MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，易写易读，易于在科技人员之间交流；②矩阵行数列数无需定义。要输入一个矩阵，用其他语言时必须先定义矩阵的阶数，而MATLAB则不必有阶数定义语句，输入数据的行列数就决定了它的阶数。③键入算式立即得结果，无需编译。MATLAB是以解释方式工作的，即它对每条语句解释后立即执行，若有错误也立即作出反应。便于编程者马上改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。
1.3 强大而简易的做图功能
①能根据输入数据自动确定坐标绘图；②能规定多种坐标系（极坐标，对数坐标等）；③能绘制三维人材中的曲线和曲面；④可设置不同颜色、线型和视角等。如果数据齐全，通常只需要一条命令即可出图。
1.4 智能化程度高
①绘图时自动选择最佳坐标；②做数值积分时，自动按精度选择步长；③自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。
1.5 功能丰富，可扩展性强
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展两大部分。基本部分包括：矩阵的运算和各种变换；代数和超越方程的求解，数据处理和傅里叶变换，数值积分等等，可以充分满足大学理式本科的计算需要。扩展部分称为工具箱。它实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题，或实现某一类的新算法。现在已经有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络和小波分析等数十个工个箱，并且还在断续发展中。MATLAB的核心内容是它的基本部分，所有的工具箱子程序都是用它的基本语句编写的。学好这部分内容是掌握MATLAB的关键。
2、基于MATLAB在自动控制虚拟实验系统中的应用与实现
自动控制虚拟实验系统是在虚拟的条件下，利用MATLAB的图形用户界而设计技术和SIMULINK强大的仿真功能完成原来在物理设备上所要完成的自动控制理论实验，并进行相关的分析和研究。
2.1 图形用户界面设计
图形窗口的创建可以通过两种途径，利用可视化界面环境Guide实现或者编写m脚本文件实现。创建了图形窗口，还要进行菜单的制作，丰富设计的内容，把各控什模块都连接在一起。实现菜单有两种方法，菜单编辑器实现和命令方式创建菜。菜单编辑器操作简单方便、灵活，命令方式使用更直接。
2.2 虚拟实验系统
虚拟实验系统提供了典型环节模拟、典型系统瞬态响应、线性系统稳态误差研究、线性系统频率特性测量、线性系统校正、非线性系统分析、线性系统稳定性分析七个实验项目，在每个实验中，子菜单主要有实验目的、实验原理、实验步骤、实验选择等选项。
（1）典型环节的模拟。
典型环节主要包括比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节和惯性环节等。传统实验方法实验不仅操作复杂而且准确率不高，比例积分、比例微分、比例积分微分和惯性环节这些实验环节在传统实验时要考虑的因素较多，例如积分饱和等，而在虚拟实验系统中则无需做此考虑，Simulink模块本身就会对此作出处理，此外利用SIMULINK构建各种典型环节的模型也十分方便。
（2）典型系统的瞬态响应。
虚拟实验系统主要是为了掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法，同时研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。在虚拟实验系统中提供了两种不同的实验方法，實验者可以选择使用MATLAB图形用户界面仿真，也可以选择使用Simulink框图结构的仿真。
（3）线性系统稳态误差分析。
线性系统稳态误差的研究目的就在于减小稳态误差或者使稳态误差小于某一容许值。虚拟实验系统提供的界面非常方便修改参数，给出了单位阶跃信号、单位斜坡信号、单位加速度信号三种输入信号，实验者可以根据自己的需要，设定不同的系统参数，选择不同的输入信号，系统会根据自动控制的理论计算方式得到稳态误差。
（4）非线性系统分析。
非线性控制系统常用的分析方法是相平面法和描述函数法。以某闭环二阶非线性控制系统实验为例，其中的非线性环节有四个选择，可任意选择。该部分仿真可实现对选定的环节进行相平面分析。使用时可以同时看到系统框图、非线性特性曲线图、非线性部分部分的输入输出函数关系、和绘制相轨迹图和时域响应曲线，并可根据这两个曲线进行系统稳定性分析。分析时，可以对系统分别设置仿真应的模型时间和系统初始状态，然后再根据图形进行分析，这样使用更为方便。
3、结语
本文以基于MATLAB的虚拟自动控制系统为例介绍了MATLAB的重要应用。利用MATLAB提供的模块及简单命令可方便、快速地对自动控制系统的设计对象进行各种参数计算，及真控制系统的响应曲线，并针对自动控制理论进行模拟实验。由于MATLAB适用范围广泛，目前已经成为自动控制系统计算机辅助分析、设计及仿真研究的主要软件工具。
参考文献
[1]杨素林，等.一种基于NS2、Visual C++和Matlab的网络化控制仿真软件的实现[J].计算机与数字工程，2005，33（12）：121～124.
[2]周小微，金宁，胡建荣.信号处理课程群教学改革的实践与探索[J].中国电力教育，2011（1）：86–87.
[3]程佩青.数字信号处理教程[M].4版.北京：清华大学出版社，2013.
[关键词]计算机；自动控制；MATLAB
中图分类号：TG409 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）39-0302-01
MATLAB语言是由美国的CleverMoler博士于1980年开发的，它是一种功能强大、内容丰富的计算机辅助设计软件。它特有的矩阵处理功能，用于控制理论研究的专用工具箱和结构图程序设计的SIMULINK仿真环境，使得MATLAB语言成为控制系统计算机辅助设计的有力工具[1]。为了解决传统的控制系统时域分析法比较复杂和不能准确地求解三阶以上的高阶系统的问题，将MATLAB控制系统工具箱和函数应用到控制系统时域分析中进行求解，达到了既能快捷、准确地求出高阶系统的时间响应函数，又能求出系统的时间响应波形和时域性能指标，无需复杂的数学公式和数值计算。该方法简单直观，极大地提高了对控制系统分析的精度和工作效率。
1、MATLAB语言的特点
1.1 起点高
①每个变量代表一个矩阵，从MATLAB名字的来源可知，它以矩阵运算见长，在当前的科学计算中，几乎无处不用矩阵运算，这使它的优势得到了充分的体现。在MATLAB中，每个变量代表一个矩阵，它可以有个元素；②每个元素都看做复数，这个特点在其他语言中也是不多见的；③所有运算都对矩阵和复数有效，包括加、减、乘、除、函数运算等。
1.2 人机界面适合科技人员
①语言规则与笔算式相似。MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，易写易读，易于在科技人员之间交流；②矩阵行数列数无需定义。要输入一个矩阵，用其他语言时必须先定义矩阵的阶数，而MATLAB则不必有阶数定义语句，输入数据的行列数就决定了它的阶数。③键入算式立即得结果，无需编译。MATLAB是以解释方式工作的，即它对每条语句解释后立即执行，若有错误也立即作出反应。便于编程者马上改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。
1.3 强大而简易的做图功能
①能根据输入数据自动确定坐标绘图；②能规定多种坐标系（极坐标，对数坐标等）；③能绘制三维人材中的曲线和曲面；④可设置不同颜色、线型和视角等。如果数据齐全，通常只需要一条命令即可出图。
1.4 智能化程度高
①绘图时自动选择最佳坐标；②做数值积分时，自动按精度选择步长；③自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。
1.5 功能丰富，可扩展性强
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展两大部分。基本部分包括：矩阵的运算和各种变换；代数和超越方程的求解，数据处理和傅里叶变换，数值积分等等，可以充分满足大学理式本科的计算需要。扩展部分称为工具箱。它实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题，或实现某一类的新算法。现在已经有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络和小波分析等数十个工个箱，并且还在断续发展中。MATLAB的核心内容是它的基本部分，所有的工具箱子程序都是用它的基本语句编写的。学好这部分内容是掌握MATLAB的关键。
2、基于MATLAB在自动控制虚拟实验系统中的应用与实现
自动控制虚拟实验系统是在虚拟的条件下，利用MATLAB的图形用户界而设计技术和SIMULINK强大的仿真功能完成原来在物理设备上所要完成的自动控制理论实验，并进行相关的分析和研究。
2.1 图形用户界面设计
图形窗口的创建可以通过两种途径，利用可视化界面环境Guide实现或者编写m脚本文件实现。创建了图形窗口，还要进行菜单的制作，丰富设计的内容，把各控什模块都连接在一起。实现菜单有两种方法，菜单编辑器实现和命令方式创建菜。菜单编辑器操作简单方便、灵活，命令方式使用更直接。
2.2 虚拟实验系统
虚拟实验系统提供了典型环节模拟、典型系统瞬态响应、线性系统稳态误差研究、线性系统频率特性测量、线性系统校正、非线性系统分析、线性系统稳定性分析七个实验项目，在每个实验中，子菜单主要有实验目的、实验原理、实验步骤、实验选择等选项。
（1）典型环节的模拟。
典型环节主要包括比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节和惯性环节等。传统实验方法实验不仅操作复杂而且准确率不高，比例积分、比例微分、比例积分微分和惯性环节这些实验环节在传统实验时要考虑的因素较多，例如积分饱和等，而在虚拟实验系统中则无需做此考虑，Simulink模块本身就会对此作出处理，此外利用SIMULINK构建各种典型环节的模型也十分方便。
（2）典型系统的瞬态响应。
虚拟实验系统主要是为了掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法，同时研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。在虚拟实验系统中提供了两种不同的实验方法，實验者可以选择使用MATLAB图形用户界面仿真，也可以选择使用Simulink框图结构的仿真。
（3）线性系统稳态误差分析。
线性系统稳态误差的研究目的就在于减小稳态误差或者使稳态误差小于某一容许值。虚拟实验系统提供的界面非常方便修改参数，给出了单位阶跃信号、单位斜坡信号、单位加速度信号三种输入信号，实验者可以根据自己的需要，设定不同的系统参数，选择不同的输入信号，系统会根据自动控制的理论计算方式得到稳态误差。
（4）非线性系统分析。
非线性控制系统常用的分析方法是相平面法和描述函数法。以某闭环二阶非线性控制系统实验为例，其中的非线性环节有四个选择，可任意选择。该部分仿真可实现对选定的环节进行相平面分析。使用时可以同时看到系统框图、非线性特性曲线图、非线性部分部分的输入输出函数关系、和绘制相轨迹图和时域响应曲线，并可根据这两个曲线进行系统稳定性分析。分析时，可以对系统分别设置仿真应的模型时间和系统初始状态，然后再根据图形进行分析，这样使用更为方便。
3、结语
本文以基于MATLAB的虚拟自动控制系统为例介绍了MATLAB的重要应用。利用MATLAB提供的模块及简单命令可方便、快速地对自动控制系统的设计对象进行各种参数计算，及真控制系统的响应曲线，并针对自动控制理论进行模拟实验。由于MATLAB适用范围广泛，目前已经成为自动控制系统计算机辅助分析、设计及仿真研究的主要软件工具。
参考文献
[1]杨素林，等.一种基于NS2、Visual C++和Matlab的网络化控制仿真软件的实现[J].计算机与数字工程，2005，33（12）：121～124.
[2]周小微，金宁，胡建荣.信号处理课程群教学改革的实践与探索[J].中国电力教育，2011（1）：86–87.
[3]程佩青.数字信号处理教程[M].4版.北京：清华大学出版社，2013.