《控制工程基礎》虛擬實驗教學軟件的設計與開發(fā)

劉田正 李智

摘要：根據《控制工程基礎》課程實驗教學的需要，該文提出了建立基于Labview的虛擬實驗教學軟件。該軟件包含了課程教學中的基礎實驗和綜合實驗，本軟件的交互式接口和良好的界面特點可以出色地完成教學中的模擬實驗，以便更好地幫助學生理解、消化、吸收學習內容，重點解決教學和實驗過程中的一些難點問題。

關鍵詞：《控制工程基礎》;虛擬實驗平臺;教學;Labview

中圖分類號：G482 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0390-03

一、引言

《控制工程基礎》課程是原理性強、理論性高的一門課程，本課程設計多個知識方面，需要抽象的理解，是一門具有一定難度的理論課程。對于該課程來說，知識理解是一方面，最重要的是實驗動手能力。實踐是領悟真理的前提，只有大量的實驗積累才能對理論知識和原理內容有綜合性的理解[1]。

隨著我國經濟與科技的不斷進步與發(fā)展，軟件與硬件的技術也在不斷發(fā)展，儀器的虛擬化與軟件化已經成為未來科學研究的發(fā)展方向，當虛擬技術被用于實驗教學時，就不需要購進大批昂貴的實驗器材與設備，針對某一實驗，僅需擁有一套虛擬軟件再利用電腦進行教學就可獲得令人滿意的教學實驗成果。此軟件可以在課堂上進行模擬實驗，提高學生的學習興趣，并且可以顯著提高教學效果和實驗效果。

二、總體設計

本實驗系統(tǒng)基于美國NI公司生產的Labview軟件，此軟件方便、靈活、易操作，學生使用方便，能夠隨時隨地地進行軟件模擬實驗，該軟件系統(tǒng)還可提供《自動控制原理》課程中的實驗，用于學生仿真與學習，彌補傳統(tǒng)教學實驗的不足。與傳統(tǒng)實驗方法相比，此軟件可以使實驗教學環(huán)節(jié)變得更為生動、有趣，提高學生的學習質量[2]。

本實驗教學系統(tǒng)不僅具有《控制工程基礎》課程中的基礎實驗，包括時域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析和綜合與校正，而且根據學生實驗中遇到的困難和實驗教學改革的需要增加了通俗易懂的綜合實驗，其中包括飛機俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)和天線跟蹤控制系統(tǒng)，增強了學生對控制工程抽象概念的理解。實驗采用模塊化思想，各個模塊可獨立使用，且當需要時可作為一個整體使用。虛擬實驗整體平臺如圖1所示。在系統(tǒng)前面板的菜單欄選擇要進行的實驗就可以方便地進入該實驗。

三、虛擬實驗教學軟件的實現(xiàn)

以Labview為基礎設計的虛擬實驗系統(tǒng)實驗界面簡單，參數(shù)改變方便，包含了《控制工程基礎》中常見的五個虛擬實驗子系統(tǒng)以及兩個示例系統(tǒng)。在整合化的歡迎界面中，只需在菜單欄點擊不同的實驗即可進入，圖2為開始界面。

下面以《控制工程基礎》課程中的控制系統(tǒng)的綜合與校正為例具體說明實驗系統(tǒng)的使用。本實驗目的在于通過串聯(lián)校正系統(tǒng)調節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。校正是《控制工程基礎》中的重難點，實踐中常常會遇到設計出來的系統(tǒng)不能同時滿足各項性能指標要求的問題，這時必須釆取校正措施來改善系統(tǒng)的性能，以滿足性能指標的要求，但在教學中教師要做詳細的推導與描述，花大量的時間推導對比校正前與校正后的系統(tǒng)，然后再通過理論分析讓學生掌握校正概念，這樣的教學枯燥無味，學生難以理解[3]。我們使用了Labview及其控制與仿真工具包仿真了校正系統(tǒng)。在前面板中，設置校正函數(shù)G1（S）與受控對象G2（S）參數(shù)，并確定選項測量元件H（S）后可得到閉環(huán)系統(tǒng)波特圖和階躍響應。例如設系統(tǒng)校正前為不穩(wěn)定狀態(tài)，經超前校正后系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，通過圖3與圖4所示，可清晰地對比出校正前后波特圖與階躍響應的區(qū)別，使學生更加直觀地理解與學習校正的概念。圖5為校正系統(tǒng)程序框圖。

四、綜合示例的實現(xiàn)

在教學過程中，學生只通過課本上晦澀難懂的表達式以及推導過程難以理解概念，也無法對《控制工程基礎》課程有綜合性的掌握。示例實驗可使教學變得更加直觀，并且可以化抽象為具體，使控制工程基礎的教學內容具體清晰，通俗易懂。以飛機俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)為例進行講解，本示例通過建立如圖6所示的飛機尾翼輸入與俯仰姿態(tài)輸出之間的傳遞函數(shù)，設計一個串聯(lián)校正系統(tǒng)，通過調整補償裝置參數(shù)使系統(tǒng)滿足條件，使其對階躍輸入的響應時間、超調量滿足相應要求，如圖7所示。因建模的傳遞函數(shù)只通過調整比例無法滿足要求，所以必須加入校正系統(tǒng)，本示例從設置比例控制器開始到補償裝置設計再到調整超前補償，引導學生一步步地學習如何加入校正、如何設置校正函數(shù)以及校正的作用，使學生對校正有了更加深層次的理解。

五、結語

本教學軟件不僅含有《控制工程基礎》課程中的基本實驗，還具有綜合示例系統(tǒng)，增強了學生對課程的深層次理解，讓學生更好地理解控制的概念，提高了用控制系統(tǒng)解決實際問題的能力。將基于Labview的自動控制虛擬實驗系統(tǒng)應用于《控制工程基礎》教學中，充分發(fā)揮Labview編程語言的簡易性與靈活性的特點，使《控制工程基礎》課程中的分析方法和處理結果能夠被學生直觀地領會和理解，對提高學生的實驗興趣和實驗效果以及調動學生的學習積極性都有非常好的作用與效果[4-6]。

參考文獻：

[1]鐘偉紅，關宏偉，周翔.“自動控制原理”的LabVIEW輔助教學[D].北京：中國科技信息，2008.

[2]馬志明.基于LabVIEW的虛擬自動控制實驗系統(tǒng)開發(fā)[D].西安：西北大學，2013.

[3]燕濤，朱莉，翁智.“自動控制原理”實驗教學改革探索與實踐[D].上海：實驗室研究與探索，2013.

[4]陳飛，陳惠俠.基于LabVIEW和Matlab的自動控制虛擬實驗系統(tǒng)[D].成都：實驗科學與技術，2009.

[5]趙劍鋒，吳繼平.基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)[D].南京：電氣電子教學學報，2007.

[6]邵宏文.自動控制原理虛擬實驗平臺的設計開發(fā)[D].哈爾濱：科技創(chuàng)新與應用，2013.

Abstract：According to the need of experimental teaching in the course of "Control Engineering Foundation"，this paper puts forward the establishment of virtual experimental teaching software based on Labview.The software includes the basic experiment and comprehensive innovation experiment in the course of teaching.The interactive interface and good interface characteristics of the software can accomplish the simulation experiment in teaching excellently，so as to help students understand，digest and absorb the learning content better，and focus on solving some difficult problems in the course of teaching and experiment.

Key words："Control Engineering Foundation";virtual experiment platform;teaching;Labview