基于LabVIEW和MatLab物理模型的自動(dòng)控制原理課程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建

王慶鳳 謝田雨

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 吉林長春 130012

自動(dòng)控制原理是一門培養(yǎng)電氣工程類專業(yè)學(xué)生將經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于實(shí)際工程中的理論與實(shí)踐課程[1,2]。在自動(dòng)控制原理課程中，實(shí)驗(yàn)是一種重要的教學(xué)手段，學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)，可以加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高動(dòng)手能力，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[3]。但目前我國很多高校的非自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地?cái)?shù)量有限，而實(shí)驗(yàn)對(duì)于非自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生也非常重要(比如有利于學(xué)生日后參加電子設(shè)計(jì)競賽等)，它可以發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。

MatLab仿真軟件為學(xué)生提供了良好的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但其在循環(huán)處理、圖形界面開發(fā)、信號(hào)測量、網(wǎng)絡(luò)通信、硬件控制等方面也無法滿足實(shí)驗(yàn)的需要。LabVIEW是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化虛擬儀器軟件開發(fā)集成環(huán)境之一。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]將MatLab仿真應(yīng)用到自動(dòng)控制原理的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用MatLab語言編寫m文件或在Simulink環(huán)境中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和性能分析與設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]研究了LabVIEW與MatLab/Simulink的混合編程及其在自動(dòng)控制原理中的應(yīng)用。以上文獻(xiàn)都是基于普通Simulink中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，不能像真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)那樣連接和測試， 其仿真環(huán)境和過程與實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程有一定的差距。

本文搭建了基于LabVIEW和MatLab/Simscape物理模型的自動(dòng)控制原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。Simscape[8]中提供的元件庫和虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器能直接建立控制系統(tǒng)，逼真再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。利用LabVIEW軟件編寫用戶界面、讀取外界數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測仿真模型運(yùn)行、在線修改模型控制參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)等功能。以直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)為例驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行的有效性。

1 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制原理課程中的典型示例，直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖1所示，其內(nèi)部通電的線圈在磁場中由于受到力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，只要電流存在，它的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)一直進(jìn)行下去。通電的線圈在磁場中相反的邊流過的電流方向是不一致的，所以不同邊受到力的方向相反，從而會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)。

為推導(dǎo)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，定義模型參數(shù)如下：vm為電樞電壓，Rm為電樞電阻，im為電樞電流，Kt為電機(jī)扭矩常數(shù)，Km為電機(jī)反向感應(yīng)常數(shù)，ωm為電機(jī)軸角速度，Mm為電磁轉(zhuǎn)矩，Jeq為電機(jī)軸和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Mc為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，fm為電動(dòng)機(jī)軸上的粘性摩擦系數(shù)。

圖1 電樞控制直流電機(jī)工作原理

電樞回路電壓平衡方程為：

電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

由于電樞電路電感La較小，通常忽略不計(jì)，綜上得：

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制，也是經(jīng)典控制理論教學(xué)中的重要校正方法，搭建PID控制器對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性能夠進(jìn)行很好的控制。給定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，就可以設(shè)計(jì)PID控制器的3個(gè)參數(shù)。

2 基于MatLab/Simscape的虛擬仿真模型建立

根據(jù)PID控制原理，在MatLab/Simulink中進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，其直流電動(dòng)機(jī)采用單純的數(shù)學(xué)模型—傳遞函數(shù)表示，雖然能表示各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，但不能像真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)那樣連接和測試。

在MatLab/Simscape中進(jìn)行虛擬仿真，其系統(tǒng)整體如圖2所示，其中的DC Machine為直流電機(jī)模型，是與實(shí)際物理系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的物理模型，其與真實(shí)的電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，因此更接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。

SimulinkSimscape是本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建主要用到的模塊，它包含SimPowerSystem，SimElectronics，SimMechanics等模塊。建立模型的過程為：建立一個(gè)Simulink文件；在SimPowerSystem工具中選擇需要的元器件，包括直流電動(dòng)機(jī)、三相整流橋、同步六脈沖觸發(fā)器、平波電抗器、交流加壓源等，將其拖拽到Simulink model中； 按照電路圖將各個(gè)元器件引腳連接起來；雙擊相應(yīng)的模塊打開該模塊的參數(shù)輸入對(duì)話窗，輸入或修改該模塊描述的元件的參數(shù)。如打開直流電動(dòng)機(jī)(DC Machine)模塊的參數(shù)輸入對(duì)話窗可以輸入電樞回路電阻、電感、反電動(dòng)勢系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、黏性摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息；最后在Simulation菜單中設(shè)置Model Config-uration Parameters，運(yùn)行搭建的Simulink物理仿真模型可以通過示波器實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。

圖2

對(duì)電路原理進(jìn)行幾點(diǎn)說明，如下：

(1)為了與真實(shí)的直流電機(jī)模型匹配，選擇3個(gè)交流電壓模塊形成三相對(duì)稱交流電源，設(shè)置合理的參數(shù)：峰值電壓為220 V，頻率為50 Hz，電壓源A，B和C的初相位分別為0o，240o和120o。此整流橋具有輸出電壓高且脈動(dòng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)。

(2)Parallel RLC Branch為平波電抗器，通過參數(shù)設(shè)置為純電感元件，起濾波作用。

(3)直流電機(jī)模塊的勵(lì)磁繞組接直流電壓220 V；TL端口負(fù)載轉(zhuǎn)矩起始為50，在2 s后變?yōu)?00。直流電機(jī)的m端口有4個(gè)輸出信號(hào)，分別為角速度、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩，其中角速度和電樞電流連接到LabVIEW用戶界面進(jìn)行顯示。

(4)同步六脈沖觸發(fā)器采用電壓測量模塊和同步六脈沖觸發(fā)器共同構(gòu)成，alpha-deg端口連接的是導(dǎo)通角，通過輸入進(jìn)行調(diào)解。Block連接觸發(fā)器開關(guān)信號(hào)參數(shù)設(shè)置為0，開放觸發(fā)器。此觸發(fā)器需要三相電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此采用電壓測量模塊連接。

3 LabVIEW控制前面板的設(shè)計(jì)

LabVIEW采用圖形化的編程方式，形成的程序是框圖的形式。LabVIEW提供了旋鈕、溫度計(jì)和波形圖等控件，可以很直觀地建立前面板，調(diào)整不同的控件即可對(duì)程序進(jìn)行調(diào)整。

通過搭建的電機(jī)模型分析LabVIEW前面板應(yīng)該加入的控件，并使用裝飾盒對(duì)前面板進(jìn)行整潔化設(shè)計(jì)。LabVIEW作為一款圖形化的序言編輯軟件，非常適合用來創(chuàng)建友好的用戶界面。在LabVIEW中搭建的直流電機(jī)控制前面板至少應(yīng)包含電壓控制部分、PID控制部分、波形顯示部分和干擾控制部分，清晰地向使用者展示直流電機(jī)控制過程中的轉(zhuǎn)速變化的實(shí)時(shí)情況?？稍O(shè)置直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)虛擬仿真的控制前面板如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)前面板—DC motor建模的轉(zhuǎn)速波形

DC motor控制前面板左側(cè)為系統(tǒng)輸入部分，包括直流電機(jī)的輸入階躍電壓、擾動(dòng)信號(hào)、PID控制器的參數(shù)P，I和D；右側(cè)為系統(tǒng)的顯示部分，使用選項(xiàng)卡進(jìn)行選擇，包括轉(zhuǎn)動(dòng)速度顯示控件、波形圖的顯示控件、MatLab電機(jī)系統(tǒng)模型圖。對(duì)于不同的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)需要進(jìn)行合理的界面設(shè)置。

此外，LabVIEW還具有網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，使用LabVIEW和MatLab互聯(lián)完成直流電機(jī)建模之后，就可以使用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，將設(shè)計(jì)的內(nèi)容發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上。

4 MatLab和LabVIEW的互聯(lián)

在MatLab中建立好控制系統(tǒng)的物理模型、在LabVIEW中建立好前面板后，就可以將LabVIEW前面板和MatLab中對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)模型進(jìn)行互聯(lián)，設(shè)置對(duì)應(yīng)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)相互控制。正確的軟件安裝順序有利于軟件聯(lián)合的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該先裝MatLab，然后安裝LabVIEW，最后裝SIT工具包，安裝完后軟件會(huì)自動(dòng)聯(lián)合。打開MatLab出現(xiàn)如下3行內(nèi)容：

該內(nèi)容表示聯(lián)合成功，同時(shí)在Simulink庫里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)叫NI SIT Blocks的庫。為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)要在MatLab中加入互連通信模塊SignalProbe以及SIT out模塊(如圖2a所示)。然后打開LabVIEW，新建VI，工具→SIT Connection Manager，進(jìn)行配置之后，會(huì)在VI控制前面板出現(xiàn)如圖3左側(cè)上部分所示的圖標(biāo)，用來控制仿真過程。

5 仿真實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

點(diǎn)擊LabVIEW控制前面板的運(yùn)行按鈕之后，LabVIEW與MatLab聯(lián)合運(yùn)行仿真，用戶可以根據(jù)前面板上的仿真結(jié)果波形判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，直到系統(tǒng)處于理想狀態(tài)，轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到平穩(wěn)且對(duì)擾動(dòng)電壓有很好的抑制作用(如圖3所示)。電機(jī)可以在0.5 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，加入擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩后經(jīng)過0.2 s的調(diào)節(jié)就可以依然保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

通過仿真波形可以看到，此電機(jī)模型的參數(shù)設(shè)置合理，轉(zhuǎn)速達(dá)到要求，有很好的抗干擾能力；對(duì)比使用傳遞函數(shù)的模型，該模型更加接近真實(shí)情況。圖3中曲線符合設(shè)計(jì)要求，仿真曲線和理論分析也是相一致的。同時(shí)，DC motor模型的前面板使用選項(xiàng)卡實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速波形以及電機(jī)模型的顯示(如圖4所示)。

圖4 DC motor建模的電機(jī)模型

6 結(jié)語

本文搭建了基于LabVIEW和MatLab/Simscape物理模型的自動(dòng)控制原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該虛擬實(shí)驗(yàn)除了能再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境外，還能在線調(diào)節(jié)器件或參數(shù)，觀察對(duì)系統(tǒng)性能的影響，而無須重新設(shè)置再仿真。結(jié)果表明此實(shí)驗(yàn)方法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。