基于虛擬儀器和Simulink的運(yùn)動控制系統(tǒng)虛擬實驗平臺設(shè)計

邢雪寧， 張厚升， 季 畫

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

基于虛擬儀器和Simulink的運(yùn)動控制系統(tǒng)虛擬實驗平臺設(shè)計

邢雪寧， 張厚升， 季 畫

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

開發(fā)了一套運(yùn)動控制系統(tǒng)的虛擬實驗平臺。該實驗平臺用LabVIEW SIT工具包實現(xiàn)和Simulink的通信，結(jié)合LabVIEW圖形顯示和Simulink數(shù)據(jù)處理，能方便、直觀地將實驗結(jié)果呈現(xiàn)出來，降低了實驗成本，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

運(yùn)動控制系統(tǒng)； 虛擬實驗； Simulink； LabVIEW； SIT

實驗教學(xué)在“電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中的作用至關(guān)重要。良好的實驗環(huán)境不但能夠直觀、形象地顯示實驗結(jié)果，而且能很好地幫助學(xué)生理解實驗內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力。但是，由于學(xué)校的實驗設(shè)備比較陳舊，只能做一些簡單的演示性實驗；因為實驗設(shè)備較少，以指導(dǎo)教師操作為主，不能在實驗中使學(xué)生都得到動手實踐的機(jī)會。同時，由于設(shè)備自身的局限性，在電動機(jī)起動和運(yùn)行過程中，電流及轉(zhuǎn)速的變化情況不易觀察到，因而不利于學(xué)生對各類控制系統(tǒng)性能的理解，在該課程實驗教學(xué)方面往往不能取得滿意的效果。筆者將LabVIEW圖形顯示和Simulink的數(shù)據(jù)處理結(jié)合在一起[1-3]，研發(fā)了一套虛擬實驗平臺，從而較好地解決了以上問題。

對于將LabVIEW以及Simulink進(jìn)行混合編程，必須保證這兩個軟件數(shù)據(jù)類型的一致，以保證兩者之間的傳輸數(shù)據(jù)。本文利用虛擬儀器工具包SIT與Simulink進(jìn)行通信，然后調(diào)用Simulink的方法[4]。系統(tǒng)生成了可執(zhí)行程序，并打包LabVIEW2011、MATLAB7.0和SIT2011運(yùn)行引擎生成可安裝程序，可以在電腦上安裝運(yùn)行。

1 主要設(shè)計內(nèi)容

本實驗系統(tǒng)設(shè)計了電力拖動自動控制系統(tǒng)課程中的全部實驗，這些實驗分為直流拖動控制系統(tǒng)實驗和交流拖動控制系統(tǒng)實驗兩部分[5-6]。

直流拖動控制系統(tǒng)實驗主要有:(1)單閉環(huán)有靜差、無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；(2)單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋—變電壓、定負(fù)載調(diào)速系統(tǒng)；(3)單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；(4)單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；(5)單閉環(huán)電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)；(6)單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；(7)三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；(8)α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)；(9)雙閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)。

交流拖動控制系統(tǒng)實驗包括:(1)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)；(2)SPWM內(nèi)置波調(diào)速系統(tǒng)；(3)SPWM外置波調(diào)速系統(tǒng)；(4)電流滯環(huán)跟蹤控制調(diào)速系統(tǒng)；(5)電壓空間矢量調(diào)速系統(tǒng)；(6)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比交流調(diào)速系統(tǒng)；(7)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)等。直流拖動系統(tǒng)實驗選擇界面如圖1所示。

圖1 直流拖動實驗選擇主界面

本文以直流拖動控制系統(tǒng)α=β配合控制調(diào)速系統(tǒng)實驗的設(shè)計為例，說明虛擬實驗平臺的設(shè)計問題。

2 α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

2.1 基本原理

因為α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)采用ACR和ASR雙閉環(huán)控制，雙向輸出限幅，所以可以在其允許的最大電流限制內(nèi)進(jìn)行起動和制動過程。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 運(yùn)行狀態(tài)分析

2.3 仿真環(huán)境設(shè)置

SIT(simulationinterfacetoolkit)是NI虛擬儀器特定的仿真接口工具包，它為LabVIEW直接控制Simulink仿真的mdl文件提供了方便的工具[9-10]。用戶可以運(yùn)用虛擬儀器所具有的豐富的界面來作為Simulink仿真的輸入和輸出，而且還能夠使用虛擬儀器來搜集已經(jīng)編好的程序，并將其連接到Simulink，實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真。

LabVIEW仿真接口工具包中包括的組件有Model、HostVI、SITServer、HostComputer、ExecutionHost等。SITServer在端口6011上運(yùn)行。圖3為一個模型的工作流程。在HostVI中，如果SITServer已經(jīng)配置完成，就能進(jìn)行HostVI與SITServer之間的通信。這時，用戶就可經(jīng)過主機(jī)VI的前面板來改變相應(yīng)的參數(shù)。

圖3 模型的工作流程

一般地，仿真界面工具包配置的SimulationInterfaceToolkit在服務(wù)器啟動時，自動運(yùn)行Matlab軟件，用戶可以通過配置SITServer來啟動一個不同的端口。例如:如果安裝的Matlab文件是只讀的，仿真工具包就不會自動運(yùn)行SITServer，信號探測器模塊就不會出現(xiàn)在Matlab/Simulink的相關(guān)窗口中。若要顯示，則需將以下語句添加到matlabrc.mfile文件夾中。

Addpath(′X:SimulationInterfaceToolkitlib′);NISIT-Addpaths;NISITServer;

其中，X為安放仿真工具包的硬盤區(qū)域。如果在Matlab運(yùn)行窗口中顯示:

>StartingtheSITServeronport6011 >SITServerstarted

說明SITServer正在正常運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下:

(1) 配置SIT實現(xiàn)LabVIEW與Simulink的通信；

(2) 設(shè)計并調(diào)試Simulink模型；

(3)LabVIEW程序設(shè)計[11-12]，包括前面板，程序框圖等，前面板如圖4所示，程序框圖如圖5所示；

(4) 程序運(yùn)行及調(diào)試,包括LabVIEW對Simulink的調(diào)用，LabVIEW程序的運(yùn)行等。

圖4 系統(tǒng)前面板

圖5 系統(tǒng)程序框圖

3 實驗結(jié)果分析

虛擬實驗結(jié)果如圖6所示。在給定電壓為7V時，由于ACR的作用，圖6中下圖的電流曲線迅速接近最大值；上圖中轉(zhuǎn)速曲線上升，0.4s左右轉(zhuǎn)速即超調(diào)，這時電流開始下降，電動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線穩(wěn)定在1 000r/min左右。1.5s時給定信號反向，電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線開始下降；電流曲線下降到零以后，電動機(jī)處于制動狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速曲線為零后，電動機(jī)處于反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)。虛擬實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果是一致的。

圖6 仿真結(jié)果圖(上圖為轉(zhuǎn)速曲線，下圖為電流曲線)

4 結(jié)束語

實踐證明:基于Simulink的運(yùn)動控制系統(tǒng)虛擬實驗平臺得出的結(jié)果很清晰，實驗便于學(xué)生理解，而且可以方便地通過連續(xù)改變參數(shù),完成不同的實驗，也可以較快地確定各參數(shù)對于系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。虛擬儀器應(yīng)用于運(yùn)動控制系統(tǒng)實驗中，可以減少對硬件設(shè)備的需求，降低實驗成本。學(xué)生可以根據(jù)實驗需求和個人愛好開發(fā)自己的實驗平臺。這一平臺能更好的調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的實驗動手能力。

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Design of a virtual experimental platform for motion control system based on LabVIEW and Simulink

Xing Xuening, Zhang Housheng, Ji Hua

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

The experimental platform for the motion control system is developed. Using SIT toolkit to communicate LabVIEW and Simulink, combining the LabVIEW graphic display and Simulink data processing, the experimental results will be presented conveniently, intuitively, which can reduce the experimental cost, improve the students’ interest in learning, and can also give full play to the independent innovation ability of students.

motion control system; virtual experiment; Simulink; LabVIEW; SIT

2015- 02- 09

山東省高等學(xué)?？萍加媱澷Y助項目(J11LG25)；山東理工大學(xué)教學(xué)研究項目(12012)

邢雪寧(1978—)，男，山東淄博，碩士，副教授，主要從事自動控制技術(shù)相關(guān)的教學(xué)與科研工作.

E-mail：sdutxing@163.com

TP276；TP391.9

A

1002-4956(2015)8- 0114- 04