基于LabVIEW的《自動控制原理》教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

聶春燕，吉淑嬌

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

基于LabVIEW的《自動控制原理》教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

聶春燕，吉淑嬌

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

《自動控制原理》是工科類自動化以及電信類專業(yè)比較重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性較強(qiáng)，計算和分析的數(shù)學(xué)要求高，過程比較煩瑣。本設(shè)計以LabVIEW為平臺，利用控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真工具包中的部分模塊開發(fā)《自動控制原理》仿真平臺，平臺基本涵蓋了《自動控制原理》課程的全部主要內(nèi)容，包括自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡分析以及頻域分析。本平臺操作靈活，易于擴(kuò)展，用于《自動控制原理》的課堂教學(xué)，使教學(xué)更加形象直觀，也能夠加深學(xué)生學(xué)習(xí)的感性認(rèn)識和興趣。

自動控制原理;教學(xué)平臺;時域分析;根軌跡

0 引言

如今，在大多數(shù)高等院校的教學(xué)中，傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足日益更新的教學(xué)內(nèi)容，尤其是在工程類專業(yè)學(xué)科方面。單一的文字、圖片教學(xué)只能對課程內(nèi)容進(jìn)行字面上的解釋，而不能對課程的內(nèi)涵進(jìn)行很好的詮釋，因此我們迫切需要一種新的多媒體方式，并使其能夠在教學(xué)中大量應(yīng)用［1］。美國NI公司開發(fā)的LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，它被廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受。LabVIEW提供的控制與設(shè)計與仿真工具包為開發(fā)控制應(yīng)用程序的專用工具包，為LabVIEW用于自動控制系統(tǒng)仿真提供了有力的保障。本設(shè)計以LabVIEW為平臺，結(jié)合《自動控制原理》具有模塊化的特點(diǎn)，開發(fā)了《自動控制原理》的教學(xué)仿真平臺。

1 《自動控制原理》教學(xué)平臺的組成與特點(diǎn)

《自動控制原理》是一門理論性較強(qiáng)的課程，已形成了比較完整的體系，但其計算和分析的數(shù)學(xué)要求高，過程比較煩瑣。教師課程講解如果不形象直觀，很難加深學(xué)生的感性認(rèn)識，難以引起學(xué)習(xí)興趣。本平臺基于LabVIEW 8.6版本，利用軟件提供的控制模塊進(jìn)行仿真設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容基本涵蓋了《自動控制原理》的主要模塊。

考慮到平臺用于教學(xué)，因此采用LabVIEW提供的樹形結(jié)構(gòu)和選項卡模塊，將所有子VI程序模塊參照《自動控制原理》課程的順序排列，形成二級目錄，再按照此順序?qū)⒆覸I程序與選項板控件鏈接在一起，最后通過創(chuàng)建選項板屬性節(jié)點(diǎn)，將樹形結(jié)構(gòu)和選項板綁定在一起，聯(lián)合實現(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)擊目錄即出現(xiàn)相應(yīng)內(nèi)容的功能，界面友好直觀，操作方便，易于擴(kuò)展。

2 教學(xué)平臺的設(shè)計實現(xiàn)

平臺共設(shè)計了5個大的模塊，包括線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了傳遞函數(shù)的求解和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的簡化;線性系統(tǒng)是時域分析，實現(xiàn)了一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的時域分析;系統(tǒng)的根軌跡分析，實現(xiàn)了不同系統(tǒng)根軌跡的繪制;線性系統(tǒng)的頻域分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)的對數(shù)曲線和奈奎斯特曲線圖的繪制。

2.1 系統(tǒng)時域分析

在控制工程中，二階系統(tǒng)比較常見。典型二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中ε稱為阻尼系數(shù)或阻尼比，ωn為無阻尼自然頻率，二者為二階系統(tǒng)的兩個特征參數(shù)。例如我們想對系統(tǒng)進(jìn)行時域分析。按照路徑在“控制設(shè)計與仿真”\“Control Design”\“Time Response”子選項板中選擇“CD Step Response.vi”、“CD Impulse Response.vi”、“CD Initial Response.vi”、“CD Linear Simulation.vi”，分別連接“CD Construct Transfer Function Model.vi”。前面板 分別放置 4 個圖形顯示控件，用來顯示各種響應(yīng)曲線，并放置數(shù)組，顯示相應(yīng)曲線的最大值，峰值等各數(shù)值。圖1所示為二階系統(tǒng)時域分析圖，輸入是w和zeta的值分別為5和0.2，顯示各響應(yīng)曲線及系統(tǒng)參數(shù)。通過改變輸入值大小，就可以觀察其它系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。

圖1 二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)前面板界面

2.2 系統(tǒng)根軌跡圖

根軌跡法是一種簡便的圖解方法，它的基本思想是當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)的一個或者多個參數(shù)發(fā)生變化時，根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)零極點(diǎn)，借助若干條繪制準(zhǔn)則，繪制出閉環(huán)特征根變化的軌跡。

通常系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為零極點(diǎn)形式，例如想繪制的開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡，首先采用LabVIEW中“控制設(shè)計與仿真模塊”提供CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi模塊，輸入該傳函零極點(diǎn)的實部和虛部以及開環(huán)增益，然后連接CD Root Locus.vi就能繪制出該系統(tǒng)根軌跡，再由示波器Root Locus Graph圖進(jìn)行顯示，設(shè)計同時連接模塊CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi，給出了系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式，設(shè)計詳見圖2所示。由所繪制的閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡可以看出，有一部分根在S平面的右半部分，這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。若想使系統(tǒng)的根全部落在S平面左半部分，必須增加開環(huán)零點(diǎn)，根據(jù)計算該零點(diǎn)的取值范圍應(yīng)在(－5，0)之間滿足條件，程序只把輸入處添加一個實部在此范圍的零點(diǎn)即可實現(xiàn)不同系統(tǒng)根軌跡的繪制，圖2顯示系統(tǒng)在有零點(diǎn)－5時的臨界穩(wěn)定閉環(huán)根軌跡圖。這種可視化和動態(tài)效果能使學(xué)生更好地理解零極點(diǎn)對系統(tǒng)的影響，可以大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、設(shè)計和創(chuàng)造的激情，也使理論教學(xué)不再枯燥乏味。

圖2 系統(tǒng)根軌跡圖

2.3 線性系統(tǒng)的頻域分析

控制系統(tǒng)的頻域分析是以系統(tǒng)的頻域特性作為數(shù)學(xué)模型，不必求解系統(tǒng)的微分方程，便可直接根據(jù)頻率特性曲線分析系統(tǒng)性能。本設(shè)計分別呈現(xiàn)出在不同輸入下不同系統(tǒng)的伯德圖(又稱對數(shù)曲線，包括對數(shù)幅頻特性曲線和對數(shù)相頻特性曲線)和奈奎斯特曲線圖。當(dāng)輸入開環(huán)系統(tǒng)的零極點(diǎn)以及系統(tǒng)的增益，界面右側(cè)分別顯示出對數(shù)幅頻特性曲線和對數(shù)相頻特性曲線［2，4］。例如想分析系統(tǒng)特性。系統(tǒng)按照路徑在“控制設(shè)計與仿真”\“Control Design”\“Frequency Response”子選項板中選擇“CD Nyquist.vi”和“CD Bode.vi”模塊，并與“CD Convert to Transfer Function Model.vi”模塊連接。圖 3 所示為系統(tǒng)的頻域分析圖，當(dāng)更改系統(tǒng)零極點(diǎn)時，可快捷、方便地看到其它系統(tǒng)的頻率特性，曲線也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

圖3 系統(tǒng)頻域分析圖

3 主界面的設(shè)計與集成

3.1 主界面的整合

為給使用者方便、完整的教學(xué)平臺，必須把所有的模塊放在一起。通過菜單的方式把所有的自接口模塊整合起來。通過設(shè)計，用7個子VI設(shè)計成5個大模塊。首先，新建一個VI命名為“主程序.vi”，在前面板設(shè)置“樹結(jié)構(gòu)”和“標(biāo)簽卡”。然后建立一個列表按照的需要盡可能多編輯“樹結(jié)構(gòu)”程序［5－6］。接下來把前面板的每個子VI一個接一個的放在“標(biāo)簽卡”中，與此同時，它們的所有功能面板應(yīng)該一個接一個的放在“主程序.vi”的功能面板后。最后，通過“時間結(jié)構(gòu)”的屬性節(jié)點(diǎn)將它們連接起來。為了使VI一直運(yùn)行，直到點(diǎn)擊“停止”按鈕，在功能面板上加上一個“while循環(huán)”。圖4展示“主程序.vi”的功能面板。

圖4 主程序.vi的功能面板

3.2 調(diào)用接口

調(diào)用接口:雙擊鼠標(biāo)(單擊或雙擊取決于“事件結(jié)構(gòu)”的集)將會完成。例如，當(dāng)想知道如何繪制某一系統(tǒng)的伯德圖，首先，運(yùn)行程序，然后雙擊“樹結(jié)構(gòu)”中的“串聯(lián)校正”，接下來，輸入各子系統(tǒng)的零極點(diǎn)，界面的圖形顯示器便顯示校正前后的結(jié)果。圖5是系統(tǒng)校正的調(diào)用窗口，界面設(shè)計同時給出校正系統(tǒng)前后的各參數(shù)變化值。

圖5 系統(tǒng)校正的調(diào)用窗口

4 結(jié)語

文中利用LabVIEW進(jìn)行了《自動控制原理》教學(xué)平臺的開發(fā)，仿真及實驗結(jié)果表明了LabVIEW在控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用性并且具有較好的擴(kuò)展性。在課堂教學(xué)應(yīng)用中，基于LabVIEW的課件生動形象，更能吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)知識的感性認(rèn)識，提高對所學(xué)內(nèi)容的理解能力。本設(shè)計僅實現(xiàn)的是《自動控制原理》課程中連續(xù)系統(tǒng)的分析，由于LabVIEW具有開放性的特點(diǎn)，可根據(jù)不同層次實驗者的要求設(shè)計出更多的虛擬自動控制系統(tǒng)，比如，添加多種校正系統(tǒng)以及實現(xiàn)離散系統(tǒng)的各種分析等。

［1］ 吳濤，魏翀，鐘嘉健，等.虛擬儀器在控制工程實驗中的研究與實踐［J］，實驗室研究與探索，2010，11(29)，263－266.

［2］ 王煥然，徐穎秦.自動控制原理虛擬實驗平臺的設(shè)計［J］，電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010(4):157－160.

［3］ 程雪敏，仲蓁蓁.基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.廣西輕工業(yè)，2010(10):90－91.

［4］ 丁紅，李學(xué)軍.自動控制原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］ 侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［6］ 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

Design and Implementation of Teaching Platform about Automatic Control Principle Based on LabVIEW

NIE Chun-yan，JI Shu-jiao

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

Automatic Control Principle with strong theoretical property is an important specialized fundamental course for automation and telecommunication major，in which the mathematical requirement of calculation and analysis is high and the process is more complicated.Based on LabVIEW，automatic control simulation platform is developed by some modules in automatic control system design and simulation toolkit，covering the main content of automatic control principle and including the establishment of a mathematical model of automatic control system，time domain analysis，root locus analysis and frequency domain analysis of control system.This platform is flexible to operate and easy to extend.It is proved that the application of this teaching platform to Automatic Control Principle can make teaching more intuitive and vivid，what’s more，it is also able to enhance students’perceptual knowledge and interests.

automatic control principle;teaching platform;time domain analysis;root locus

TN911.7

A

1009－3907(2012)08－0923－03

2012-06-20

聶春燕(1966-)，女，吉林長春人，教授，博士，主要從事信號分析與虛擬儀器等方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云