基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

呂恩勝

摘 要：自動控制原理實驗是電氣、控制和機械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)自動控制原理課程的一個重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的虛擬自動控制原理實驗系統(tǒng)，利用LabVIEW流程圖編程語言，搭建了課程中常見的虛擬實驗平臺，該實驗平臺為自動控制原理課程提供了一種新的輔助教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;自動控制;虛擬實驗系統(tǒng)

中圖分類號：TP132文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0016-03

Abstract： The experiment of automatic control principle is an important link for students majoring in electrical， control and machinery to learn the course of Automatic Control Principle. This paper designed an experiment system of virtual automatic control principle based on LabVIEW. By using LabVIEW flow chart programming language， a virtual experiment platform for common experiments in the course was built. The experimental platform provided a new assistant teaching means for the course of Automatic Control Principle.

Keywords： LabVIEW;automatic control;virtual experiment system

“自動控制原理”課程是電氣、控制和機械等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要是培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的能力和方法，為工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試奠定堅實的基礎(chǔ)[1]。在“自動控制原理”課程中，實驗是驗證理論知識的一個重要手段，通過實驗，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題，可以加強學(xué)生對理論知識的理解，并得到充實與提高。但在“自動控制原理實驗”課程教學(xué)也存在一些問題，如實驗時間限制、設(shè)備缺失或老化、實驗場地限制、指導(dǎo)教師缺乏等。因此，本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的虛擬自動控制原理實驗系統(tǒng)，可以不受時空限制，不用擔(dān)心設(shè)備損壞，學(xué)生能自由發(fā)揮，教師可以遠(yuǎn)程指導(dǎo)，有利于提高學(xué)生解決問題的能力，提高教學(xué)效果。

1 自動控制原理實驗平臺設(shè)計的基本原則

自動控制原理虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，要能完成教學(xué)目標(biāo)，適合電氣、控制和機械類專業(yè)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知水平，解決課堂教學(xué)只顧公式推導(dǎo)，不能演示其原理等問題，通過虛擬實驗平臺幫助學(xué)生理解、消化“自動控制原理”課程所學(xué)復(fù)雜的理論知識[2-4]。在PC機上，教師、學(xué)生很容易進(jìn)入、運行、暫停和退出實驗系統(tǒng)，軟件用戶界面友好，仿真參數(shù)的輸入、輸出接口設(shè)置合理，有命令提示，操作方便、簡單、易于掌握，整個系統(tǒng)風(fēng)格一致。

2 LabVIEW虛擬實驗系統(tǒng)子實驗的實現(xiàn)

2.1 基于LabVIEW自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)

本文設(shè)計的基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)界面簡單，輸入?yún)?shù)方便，點擊按鈕即可操作。自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計了課程中常見的8個實驗。具體LabVIEW虛擬實驗系統(tǒng)包括以下子實驗。實驗一：一階系統(tǒng)時域分析;實驗二：二階系統(tǒng)時域分析;實驗三：線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;實驗四：線性系統(tǒng)的頻率分析;實驗五：線性系統(tǒng)的根軌跡;實驗六：二階系統(tǒng)的PID校正;實驗七：非線性系統(tǒng)虛擬實驗;實驗八：離散系統(tǒng)的分析與校正。具體見圖1。

本文以“自動控制原理”課程中典型二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析為例，闡述實驗平臺的設(shè)計思想和使用方法。在控制系統(tǒng)中，機械系統(tǒng)的質(zhì)量-彈簧-阻尼器，電氣系統(tǒng)的電阻-電感-電容等，控制的類型和元件在物理結(jié)構(gòu)上千差萬別，但在微分方程上都是二階微分系統(tǒng)，即使是高階系統(tǒng)，在一定條件下也可以降階為二階系統(tǒng)，足見二階系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中的重要性。接下來以二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析實驗子系統(tǒng)。

2.2 基于LabVIEW二階系統(tǒng)時域分析實驗系統(tǒng)

在“自動控制原理”課程中，輸入信號為[Rs]，輸出信號[Cs]，典型二階系統(tǒng)，拉普拉斯逆變換得到時域響應(yīng)結(jié)果均具有如式（1）[1]所示的形式：

2.3 欠阻尼二階系統(tǒng)的動態(tài)過程分析

在式（3）欠阻尼二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)中，令

2.4 實驗系統(tǒng)的操作面板設(shè)計

根據(jù)式（1）至式（10），對實驗系統(tǒng)的面板進(jìn)行設(shè)計，利用LabVIEW的Control Design and Simulation Module模塊，設(shè)計如圖2所示的操作面板。

在設(shè)計的虛擬自動控制原理實驗系統(tǒng)中，每個子實驗界面主要由4部分組成[2]，分別為：傳遞函數(shù)的設(shè)置、極點與參數(shù)、動態(tài)性能和單位階躍響應(yīng)曲線。傳遞函數(shù)的設(shè)置部分：在實驗界面的左上側(cè)輸入實驗系統(tǒng)的分子、分母，可以設(shè)計所需要的傳遞函數(shù);極點與參數(shù)部分：實驗系統(tǒng)計算得到所設(shè)計傳遞函數(shù)的極點、自然頻率[ξ]、阻尼比[ωn]的具體數(shù)值;動態(tài)性能部分：傳遞函數(shù)在單位階躍信號的輸入驅(qū)動下，實驗系統(tǒng)計算得到上升時間[tr]、峰值時間[tp]、超調(diào)量[σ%]、調(diào)節(jié)時間[ts]和穩(wěn)態(tài)裕度等動態(tài)性能指標(biāo);單位階躍響應(yīng)曲線部分：在網(wǎng)格背景下以曲線形式顯示實驗瞬態(tài)結(jié)果，自動控制原理二階系統(tǒng)時域分析虛擬實驗系統(tǒng)。對照實驗系統(tǒng)所示操作面板，后面板程序圖如圖3所示。

在學(xué)生自主實驗過程中，利用基于LabVIEW軟件設(shè)計好的系統(tǒng)，設(shè)置不同系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，得到不同的結(jié)果響應(yīng)，然后將實驗系統(tǒng)測量值與理論計算值進(jìn)行比較，可以更好地提高學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語

本實驗系統(tǒng)在開發(fā)過程中充分利用了LabVIEW圖形化編程語言、人機界面友好、操作方便的特點，也充分利用了LabVIEW軟件可以代替儀器功能的特點。設(shè)計的虛擬實驗系統(tǒng)，應(yīng)用于自動控制原理的輔助實驗教學(xué)中，采用虛擬實驗的方式，學(xué)生可以更好地理解控制理論的精髓，在教學(xué)中，大大提高學(xué)生的自主性和積極性，保證了學(xué)習(xí)效果，也提高了教師的教學(xué)效果，節(jié)約了實驗所需要的場地和設(shè)備經(jīng)費等。

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