基于MATLAB的数据采集模块在自动控制原理实验中的应用叶子健

基于MATLAB的数据采集模块在自动控制原理实验中的应用叶子健

叶子健

（南京师范大学江苏南京210000）

摘要：本文主要是根据实例来详细分析MATLAB软件与USB接口的数据采集模块的运用，把硬件控制系统和MATLAB仿真系统进行完美的融合，利用MATLAB所研发出来的实验模块，设立硬件系统当中的激励信号，然后利用信号采集系统去收集输出信号，并和软件仿真的结果采取对比措施，再对试验数据进行研究，从而给自动控制原理的实验工作创造很好的参考价值。

关键词：数据采集模块；控制系统；仿真技术

在自动化专业当中，自动控制原理是本专业的至关重点。该课程理论性强，内容抽象，计算繁琐，知识面丰富。所以作为学生要学好本课程比较困难。在这种情况下，怎样让学生能够全面的学会学懂有关知识就成为了一个重要的工作。而经过研究后发现，凭借实践课更能够取得较好的效果。

在本课程的学习过程中，过去所进行的实践课通常是运用EL教学实验箱。实验箱是利用电阻、电容等组件，组合成与之相对应的控制系统，之后使用专用电脑软件来对系统里所具有的相应曲线进行检测。采取这样的方式能提高学生的动手能力，同时还可以让学生对所学的知识有更加透彻的掌握。不过由于学生只仅仅是掌握理论方面的东西，并不了解怎样对参数进行调解，这样的话很有可能让硬件被破坏。尽管收集到了电路的响应曲线，但是却不能够将其与理论值之间进行对比。所以，最好能够研究出基于USB的数据采集模块，把实验箱中的控制系统和电脑中的MATLAB软件当中所具有的SMULNK仿真控制系统进行完美的融合，这样就可以在对实时控制系统进行设计的过程中，能够更方便修改参数。

一、MATLAB简介

MATLAB系美国所创建，是一个比较完善的科学计算软件，不但语言简便、具有较强的扩充能力，同时编程的效率比较高。如果在系统里具有很多需要计算的数值，那么就可以通过MATLAB来进行解决。另外运用MATLAB，还能让系统在阶跃函数作用下的响应、经典控制理论所涵盖的系统传送函数都能够得到实现。除此之外，运用MATLAB还能够创建用户可编程序设计的图形用户界面设计工具，从而更加丰富了学习方式。

二、基于MATLAB软件和USB接口的数据采集模块

使用数据采集模块，可以让MTLAB在运算方式和仿真效果上与实际控制系统有效的融合到一起，从而进一步提高学生对于设计的兴趣，这样一来就会将理论知识和实践完美的结合到一起。

单机片是模块的最重要的组成部分。首先，单机片能够利用A/D转换器来采取A/D转换，然后再利用USB接口把数据输送到PC机上；其次，单机片在收到PC机所输送的数字信号，然后再采取D/A转换；单机片根据在主机软件当中的控制命令，来控制模拟转换开关，把控A/D以及D/A转换器。

仪器的设备使用了USB总线供电，电源转换电路将从USB总线所创造的电源转化成仪器组件所需要的电压。由于USB总线所创造的电源功率有限，因此数据采集模块中的很多器件都用了表面贴妆的封装形式。

ATmega16芯片，完成A/D数据转换工作，将控制系统传送出的信号转化为数字信号上传PC机，提供相关工作人员进行数据分析；TLV5617芯片，完成对D/A数据的转化，同时把PC机所传送出去的数字控制信号转变为模拟信号，然后输送给外部系统，从而实现PC机与外部控制系统互相通信。PDIUSBD12微处理器能够让USB接口进行通信。利用PC机中USB驱动，进行动态连接，从而让PC机能够有效的对数据采集模块进行辨别。MATLAB采用API以后，能够很好的使用C语言程序来和外部接口所存在的数据进行连接。根据给S函数进行的编写工作，让采集模块转化为MATLAB中SMULNK内的主要模块，此模块能够在不用处理的情况下进行使用。

三、实例

3.1系统设计

利用二阶系统仿真实例，来阐明MATLAB软件与USB接口如何对数据采集模块进行有效地使用。在进行实验的时候创建二阶系统，那么该系统的传送函数用公式表示出来的话则为：

U（S）=U2（S）/U1（S）=T2/S+（KT）S+1/T2。T=RC，K=R2/R1

取电阻R=100KΩ，R1=100KΩ，R2=30KΩ，电容C=1uf，那么就能够得到二阶系统传送函数式：UA（S）=U2（S）/U1（S）=1/0.01S2+0.03S+1。

3.2仿真分析

利用SMULNK创建仿真电路，通常情况下要创建两个，分别是理论仿真电路以及外部试验箱上实时控制系统。

通过对函数的传送，来有效的调整PD控制器中所具有的参数，如果P=3，I=2，D=1，采样周期是0.01s的话，那么就能够满足控制指标。采用USB数据采集模块，可以通过SMULNK来创建完善的控制系统。

该系统具有两个闭环控制环节，其中一个为系统仿真，另一个为采集模块控制系统，它们能够和USB数据采集模块相连。仿真曲线和采集模块控制曲线之间具有一定的关联性，利用仿真技术，能掌握控制系统的良好性能。

进入LTIViewer模式下，然后选用SNULNK/Get/Linearizedmode，之后根据Edit/Plotconfigurations，来对性能进行分析，并挑选出最好的。选用阶跃响应、Nyquist图、来掌握此系统的具体情况，以及所具有的稳定性、幅相频率特性。如果在观察的过程中看中了哪个图形，那么就可以将鼠标箭头对准图形，然后按下鼠标右键，就能够获取例如上升时间、幅值等有关数据。

结束语：

通过以上内容的介绍我们能够很清楚的了解到，MATLAB具有很完善的计算功能，不但所使用的语言简便、具有较强的扩充能力，同时编程的效率还很高。如果在系统里具有很多需要计算的数值，那么都可以通过MATLAB来进行有效的解决。另外采用MATLAB，还能让系统在阶跃函数作用下的响应、经典控制理论所涵盖的系统传送函数都能够得到实现。除此之外，还能够创建用户可编程序设计的图形用户界面设计工具，从而更加丰富了教学方式。

参考文献：

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[3]张丹，李壮辉.基于SIMULINK的数据采集模块的设计与实现[J].上饶师范学院学报，2009，29（06）：97-101.

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