基于LabVIEW的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

黃代政 李文 韋妙靈 林偉龍 覃茂昌

[摘 要]采用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)，不僅有利于學(xué)生通過程序設(shè)計(jì)的過程在程序框圖上更直觀地理解自動(dòng)控制理論，在程序運(yùn)行上能夠更動(dòng)態(tài)地演示參數(shù)變化對輸出結(jié)果的影響，加深學(xué)生對知識(shí)的理解，而且能夠突破教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)空間的限制，降低實(shí)驗(yàn)成本，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一種有效補(bǔ)償與提高改進(jìn)。

[關(guān)鍵詞]LabVIEW；自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）10-0086-03

一、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)存在的問題

自動(dòng)控制原理課程是我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)（醫(yī)療器械方向）的一門專業(yè)主干課程。其開設(shè)目的是通過該課程教學(xué)，讓學(xué)生掌握自動(dòng)控制原理的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)掌握經(jīng)典控制的基本理論、基本方法和控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法。該課程的主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析法、控制系統(tǒng)的常用校正方法等[1][2]。由于課程理論性強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)知識(shí)多，包含有大量的公式推導(dǎo)和運(yùn)算，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺內(nèi)容抽象，難于理解。為了讓學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí)，開設(shè)一定量的實(shí)驗(yàn)課是非常有必要的。

目前，國內(nèi)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)所開設(shè)的內(nèi)容一般包括二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、二階系統(tǒng)的頻域響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、采樣控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、控制系統(tǒng)的校正實(shí)驗(yàn)、極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制實(shí)驗(yàn)等，所使用的實(shí)驗(yàn)儀器主要是實(shí)驗(yàn)箱。這類儀器是把運(yùn)算模塊獨(dú)立地內(nèi)置在實(shí)驗(yàn)箱的電路板下面，當(dāng)需要進(jìn)行某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，直接用短路板和導(dǎo)線將需要的模塊進(jìn)行組合連接。盡管實(shí)驗(yàn)設(shè)備所帶來的是實(shí)驗(yàn)簡單方便，學(xué)生易于操作，但是學(xué)生不容易明白其工作原理，即使是沒有學(xué)過自動(dòng)控制原理的人只要按照說明進(jìn)行導(dǎo)線連接一樣能完成實(shí)驗(yàn)。而且實(shí)驗(yàn)電路比較單一，學(xué)生不能按照自己的意愿去設(shè)計(jì)更多的控制系統(tǒng)。另外一種實(shí)驗(yàn)方法是采用倒立擺，這是自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)最經(jīng)典的儀器。它具有系統(tǒng)的非線性、不確定性、耦合性、開環(huán)不穩(wěn)定性、約束限制等特點(diǎn)，而且有多種類型的倒立擺供實(shí)驗(yàn)者根據(jù)需要進(jìn)行選擇。但唯一的缺憾就是它需要的實(shí)驗(yàn)知識(shí)必須建立在電機(jī)學(xué)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生不開設(shè)這門課程。

對于理論系統(tǒng)性較強(qiáng)的自動(dòng)控制原理，開設(shè)一定量的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是必要的和必需的。通過綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新素質(zhì)的應(yīng)用型人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，由于學(xué)習(xí)時(shí)間有限制，同時(shí)實(shí)驗(yàn)材料的損耗，導(dǎo)致可完成的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不多。有限的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)限制了學(xué)生對課程的掌握深度。因此，如何在有限的學(xué)時(shí)和有限的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生掌握好知識(shí)，改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式成為當(dāng)務(wù)之急。

顯然，上述不管是單一知識(shí)點(diǎn)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)，還是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，如果采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，將會(huì)限制通過實(shí)驗(yàn)掌握理論的有效性開展，限制學(xué)生創(chuàng)新能力的提高，限制設(shè)計(jì)多樣性的發(fā)揮。因此，我們急需采用一種實(shí)驗(yàn)方法，這種方法既能達(dá)到學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握知識(shí)的目的，又能開拓學(xué)生思維、增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)簡介

《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高（2012）4號(hào)）精神指出：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱搶?shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。顯然，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)非常適合采用虛擬仿真來解決。

在虛擬實(shí)驗(yàn)中，由于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件的優(yōu)勢，采用其開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)得到了廣泛的應(yīng)用。

LabVIEW是美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。是一種圖形化的編程語言，又稱為“G”語言，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣[3][4]。由于它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際儀器，同時(shí)LabVIEW程序容易改變其設(shè)置和功能，因此其特別適用于實(shí)驗(yàn)室、多品種小批量的生產(chǎn)線等經(jīng)常改變設(shè)備參數(shù)和功能的場合。LabVIEW的程序稱為“VI”，每一個(gè)VI都有三個(gè)主要組成部分：前面板，框圖和圖標(biāo)。1.前面板（front panel）：是VI的交互式用戶界面，它包括旋鈕，按鈕，圖形及其他控件（用于用戶輸入）和指示器（用于程序輸出）；2.框圖（block diagram） ：是VI的源代碼，由LabVIEW的圖形化編程語言即G語言構(gòu)成，框圖是實(shí)際可執(zhí)行程序； 3.選項(xiàng)板（palette）：提供了創(chuàng)建、編輯用戶VIs的前面板、框圖時(shí)所需要的一些選項(xiàng)，包括工具選項(xiàng)板、控件選項(xiàng)板和函數(shù)選項(xiàng)板[5]。

相對于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器來說，由于LabVIEW是基于軟件的，所以具有更大的靈活性。通過LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器是由用戶而不是儀器生產(chǎn)商定義儀器功能的。一臺(tái)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采板卡和LabVIEW的結(jié)合就能夠變成一個(gè)可配置的虛擬儀器，并能完成用戶設(shè)定的任務(wù)。通過LabVIEW就可以用傳統(tǒng)儀器幾分之一的價(jià)格創(chuàng)建一個(gè)用戶所需要的虛擬儀器。當(dāng)需要改變這個(gè)虛擬儀器的時(shí)候，只需幾分鐘的時(shí)間通過LabVIEW修改就可以了。通過將LabVIEW 軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以將抽象的概念轉(zhuǎn)變成形象、生動(dòng)、直觀的圖形和實(shí)例。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以把課程中晦澀難懂的理論知識(shí)變得易于理解，更易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程知識(shí)的興趣，加深對抽象概念的理解，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[6]。

三、LabVIEW 在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

根據(jù)自動(dòng)控制原理的課程安排，同時(shí)為了讓學(xué)生由淺入深學(xué)習(xí)LabVIEW，達(dá)到掌握自動(dòng)控制原理知識(shí)的目的，設(shè)計(jì)了5個(gè)基本實(shí)驗(yàn)和5個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)?；緦?shí)驗(yàn)具體為：1.基于Labview的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)給二階系統(tǒng)輸入單位階躍信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)[ξ]和[ω]分別輸入不同值時(shí)，可以求出該二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts，并且可以輸出該二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。2.基于Labview實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)根軌跡圖繪制實(shí)驗(yàn)。3.基于Labview系統(tǒng)頻率特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)針對不同的傳遞函數(shù)，進(jìn)行幅值、相位和頻率的測量，并可以畫出幅頻特性和相頻特性曲線。4.基于Labview的Nyquist圖的繪制及穩(wěn)定性判斷。5.基于Labview實(shí)現(xiàn)PID控制功能。

限于篇幅，下文僅以“基于Labview實(shí)現(xiàn)PID控制功能”實(shí)驗(yàn)為例，對LabVIEW 在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用作說明。

PID控制是從比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。

根據(jù)給定值[r（t）]與實(shí)際輸出值[c（t）]構(gòu)成控制偏差：

對偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）計(jì)算后通過線性組合構(gòu)成控制量，作用于被控對象，其控制規(guī)律為：

其中， [Kp]為比例環(huán)節(jié)，能成比例的反映控制系統(tǒng)的誤差，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小誤差；[Ki]為積分環(huán)節(jié)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中引入積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零；[Kd]為微分環(huán)節(jié)，微分項(xiàng)的引入即能起到反映誤差信號(hào)的變化趨勢，并能在誤差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間[7][8]。因此通過設(shè)計(jì)合理的[Kp、Ki、Kd]參數(shù)得到控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)受控對象使誤差朝減小的方向變化，具有重要的意義。

基于LabVIEW 的控制是一種采樣控制，因此還需對（2）式進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化后的增量式PID 控制算法如下：

采用LabVIEW編程，得到的程序框圖根據(jù)不同的思路可以有不同的方式，但最終均會(huì)異曲同工。不同的框圖搭建，體現(xiàn)了解題思路的不同，對于學(xué)生來說，達(dá)到一題多解的目的。通過這種一題多解的形式，能夠激發(fā)學(xué)生靈活的思維，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與成就感。

對于PID控制，其中一種程序框圖如圖2所示。由圖可見，程序的設(shè)計(jì)基本就是按照自動(dòng)控制原理數(shù)學(xué)模型中框圖的形式，通過連線來實(shí)現(xiàn)。通過這種簡潔明了的框圖結(jié)構(gòu)，學(xué)生非常容易理解課本的理論知識(shí)。在做參數(shù)設(shè)置過程中也非常的簡便，只需要用鼠標(biāo)雙擊框圖，即可打開相應(yīng)的選項(xiàng)進(jìn)行修改。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中，通過學(xué)生自行編寫LabVIEW程序框圖，得到程序框圖之后，可以任意調(diào)節(jié)目標(biāo)值，初始值，取樣點(diǎn)。在固定任意兩個(gè)控制參數(shù)的情況下，調(diào)節(jié)第三個(gè)參數(shù)，觀察這一參數(shù)變化對輸出的影響情況，從而加深對PID控制參數(shù)對輸出結(jié)果的理解。設(shè)置好某一相應(yīng)參數(shù)情況下，運(yùn)行程序，界面如圖3所示。

四、自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性

采用LabVIEW進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，具有很多的優(yōu)越性：實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)的功能完全交由用戶自己決定；軟件可以非常方便地與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用進(jìn)行連接；整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分是軟件，通過調(diào)節(jié)軟件參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣的結(jié)果，但是可節(jié)省大量的調(diào)試時(shí)間；相對于硬件設(shè)備，軟件價(jià)格低廉，而且最重要的是可重復(fù)利用；技術(shù)更新快，通過軟件可及時(shí)在線更新，能夠讓實(shí)驗(yàn)室時(shí)刻緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐；基于軟件體系的結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省開發(fā)維護(hù)費(fèi)用；LabVIEW是一個(gè)跨平臺(tái)的開發(fā)工具，功能模塊可構(gòu)成多種儀器。LabVIEW虛擬儀器適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對儀器的多品種、高精度、功能強(qiáng)、 自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)性好的要求。在使用上，由于學(xué)生可以在宿舍自己電腦上安裝LabVIEW軟件，從而實(shí)驗(yàn)就具有很高靈活性，不再受傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的限制，無須固定在實(shí)驗(yàn)室，也不用在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)完成，打破了時(shí)間和空間上的局限性，有利于充分利用實(shí)驗(yàn)和科研資源；在實(shí)驗(yàn)效果上，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以使學(xué)生獲得和真實(shí)實(shí)驗(yàn)非常相似的實(shí)驗(yàn)體會(huì)，加深對實(shí)驗(yàn)的理解和認(rèn)識(shí)，更好地掌握書本上的內(nèi)容。因此，在充分挖掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源的基礎(chǔ)上，充分利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建有效的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是自動(dòng)控制原理課程實(shí)驗(yàn)發(fā)展的必由之路。

五、結(jié)束語

通過LabVIEW對自動(dòng)控制原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以讓學(xué)生多掌握一門編程語言，更重要的是通過簡潔的框圖編寫，加深學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中，還能直觀、動(dòng)態(tài)地看到參數(shù)的改變對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件有限的情況下，采用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，耗材支出，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形成有效的補(bǔ)充與提高。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：黃緊德]