虛擬儀器在機械控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用

陳光輝

摘要：本文主要介紹了虛擬儀器的概念和特點，并且分析了虛擬儀器在機械控制基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用，從課堂教學(xué)和實驗教學(xué)兩個方面分析介紹了Matlab虛擬儀器的應(yīng)用。實踐表明虛擬儀器的應(yīng)用能夠有效提高機械控制工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果，具有較高的推廣價值。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;控制工程基礎(chǔ);教學(xué)應(yīng)用

1.虛擬儀器的概念和特點

虛擬儀器是在計算機上，利用計算機的硬件和軟件設(shè)備，由用戶完成設(shè)計的一個軟件系統(tǒng)，它具有跟真實儀器一樣的操作面板，而且能夠像真實儀器以往完成相關(guān)測試功能。虛擬儀器在使用過程中呈現(xiàn)給用戶的面板是虛擬的，其能夠完成的測量功能是靠軟件程序來驅(qū)動的。將具有不同功能的軟件模塊組合到一塊能夠完成不同類型的測試功能，它是計算機技術(shù)和測試技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果。虛擬儀器一般由硬件和軟件兩個部分組成，其中硬件部分包括了計算機和I/O接口部分，其中I/O接口負責(zé)完成對信號的采集、放大和轉(zhuǎn)換等。軟件則包括了各種應(yīng)用程序和接口驅(qū)動程序。虛擬儀器的硬件配置完成后，由軟件程序驅(qū)動其實現(xiàn)預(yù)定的功能。

虛擬儀器是計算機軟件系統(tǒng)的一種，能夠完整一般測試儀器能夠完成的功能，但是跟傳統(tǒng)意義上的測試儀器相比，它具有以下幾個方面的特點：

1.1成本低，用戶只需在計算機上安裝相應(yīng)的軟件應(yīng)用程序即可，省去了購買儀器和設(shè)備所需要的成本。

1.2功能靈活，能夠根據(jù)計算機技術(shù)的發(fā)展，不斷更新其功能，且具有較強的可重配置性，能夠?qū)崿F(xiàn)多次復(fù)用。

1.3更新和維護成本低，如果虛擬儀器需要進行性能改進或者功能擴展，只需要對其軟件進行更新即可，且虛擬儀器不需要專門的人員對其進行維護和維修。

2.虛擬儀器在機械控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用

為了能夠讓學(xué)生能夠直觀的看到各種控制效果，我們采用Labview和matlab相結(jié)合進行控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中的開發(fā)。Labview屬于一種圖形化的編程軟件，能夠在計算機界面上完成圖形的動態(tài)顯示，但是在控制工程中采用的算法計算中受到了很大的限制。而Matlab軟件中集成了大量的圖形和數(shù)值信息，能夠為復(fù)雜計算提供可視化操作，但是它的界面開發(fā)功能較差。鑒于二者的優(yōu)缺點，本文通過ActiveX技術(shù)將二者嵌套在一起進行開發(fā)，完成對機械控制工程基礎(chǔ)相關(guān)課程的講解。利用他們強大的算法處理功能和圖形界面功能進行虛擬操作平臺的開發(fā)，進行機械控制工程基礎(chǔ)課程中的大量公式的計算、圖形的繪制和人機界面的顯示，下面我們通過對單容水箱的實例對虛擬儀器在控制工程基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用進行闡述。

2.1?Labview在機械控制工程前臺用戶界面設(shè)計中的應(yīng)用

首先啟動Labview軟件，選擇創(chuàng)建一個新的文件，進入Labview的主界面。然后在Labview軟件的圖形選擇框中，選用立方形狀的水箱，并且用鼠標將其拖到軟件的顯示界面中。同樣將單容水箱實驗中需要用到的水管以及調(diào)節(jié)閥等元器件拖到界面的顯示區(qū)域，并且將各個零部件按照實驗原理連接到一起，得到一個模擬的單容水箱系統(tǒng)。從Labview的工具欄中選中示波器對水箱中水位的變化情況進行顯示。另外還要選中多個數(shù)字輸入框用來完成對單容水箱系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的輸入和顯示。

2.2?Matlab在機械控制工程后臺控制策略中的應(yīng)用

Labview軟件中采用圖形化的語言，將要完成的任務(wù)通過調(diào)用方式在軟件中以圖形方式顯示。界面顯示的所有元件都跟軟件中的程序一一對應(yīng)，用戶只需要將界面連接在一起，無需進行其相關(guān)程序的設(shè)計。但是要實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的真正控制，必須要采用Matlab來完成。而使用Matlab首先要解決兩個軟件之間數(shù)據(jù)的接口問題。

本次設(shè)計中利用Labview軟件中提供的Matlab?script接口實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)的連接，然后通過Matlab為單容水箱的被控對象參數(shù)K和T、單容水箱的水位信息以及控制參數(shù)進行設(shè)定。用戶可以通過點擊Matlab軟件的左邊框，系統(tǒng)會彈出相關(guān)對話框，然后選擇添加輸入，輸入相關(guān)參數(shù)的信息。為了便于學(xué)生對實驗結(jié)果的觀察，還需要利用Matlab中的時延控制器對實時曲線的顯示速度進行調(diào)節(jié)。用戶選擇工具箱中的時延控制器，然后調(diào)節(jié)其旋鈕位置，完成對控制系統(tǒng)中輸入和輸出的設(shè)計，最后將系統(tǒng)所需要的PID控制算法輸入到軟件的中間程序中，即完成了對單容水箱整個控制系統(tǒng)的設(shè)計。

Labview和Matlab的應(yīng)用徹底解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法中需要進行大量的計算，且繪制的曲線精度較低的問題，同時教師在教學(xué)過程中可以通過演示，讓學(xué)生直觀看到其控制效果。所以借助Labview和Matlab軟件，教師的課程教學(xué)變得非常清晰明了，學(xué)生學(xué)習(xí)起來也比較輕松，起到了事半功倍的效果。另外Matlab軟件中提供的仿真功能，能夠在學(xué)生實驗過程中有效排除外界因素對其實驗過程造成的影響，Matlab實驗教學(xué)的進行能夠彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的不足，實現(xiàn)對學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，這是素質(zhì)教育教學(xué)的最終目標，也是傳統(tǒng)實驗教學(xué)所不能比擬的優(yōu)勢。

3.結(jié)論

虛擬儀器的使用徹底改變了機械控制工程傳統(tǒng)意義上的教學(xué)觀念，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新性。同時虛擬儀器的使用打破了傳統(tǒng)設(shè)備儀器對時間器材的限制，能夠保證所學(xué)學(xué)生獨自完成相關(guān)實驗驗證內(nèi)容，并且能夠幫助學(xué)生進行各種實驗設(shè)計，為真實的實驗進行做好準備工作。采用Labview和Matlab虛擬儀器進行的機械控制工程教學(xué)實踐表明，虛擬儀器的使用能夠促進該課程的教學(xué)改革，提高機械控制工程課程的教學(xué)質(zhì)量。

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