虛擬儀器在機(jī)電控制系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用與研究

摘要: 本文分析了原有機(jī)電控制系統(tǒng)課程在實(shí)踐教學(xué)中存在的弊端，提出了將理論課程教學(xué)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合的方法，從而提高學(xué)生實(shí)際動手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索精神，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用零距離的實(shí)踐教學(xué)新方案。

關(guān)鍵詞: 機(jī)電控制系統(tǒng)課程教學(xué) 虛擬儀器 應(yīng)用實(shí)例

1.原有機(jī)電控制系統(tǒng)課程在實(shí)踐教學(xué)中存在的弊端

機(jī)電控制系統(tǒng)是以控制理論為基礎(chǔ)，密切結(jié)合工程實(shí)際的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是電氣自動化、機(jī)電一體化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它是將電機(jī)學(xué)、機(jī)電傳動、控制電機(jī)等課程有機(jī)結(jié)合而成的一門課程。對高職類學(xué)生的主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生首先掌握各類工業(yè)常用傳感器的選用及具體應(yīng)用方法，從而在此基礎(chǔ)上學(xué)會對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和分析。它以《電子技術(shù)》、《可編程序控制器》、《單片機(jī)技術(shù)》為基礎(chǔ)，教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生掌握電機(jī)的控制方法，并從理論逐步過渡到實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)，真正解決實(shí)際系統(tǒng)的中的有關(guān)問題。由于本課程應(yīng)用性極強(qiáng)，單靠書本太抽象，學(xué)生聽起來枯燥乏味，因此實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)顯得尤為重要。然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的落后使得實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)只有兩種選擇:要么借助一些專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備做一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，了解一些簡單傳感器的工作原理;要么買一些工業(yè)用傳感器來示教。

這兩種方法都存在著一定的弊端，前者的缺點(diǎn)是學(xué)生在專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備上接觸到的只能是一些與工業(yè)實(shí)際傳感器差別較大的簡單傳感器，通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能對傳感器的原理加深理解，在實(shí)際應(yīng)用方面用處不大;而后者則因?yàn)楦黝惞I(yè)傳感器的應(yīng)用往往是在工業(yè)控制過程或某種特定測控對象中，傳感器的輸出又需要相應(yīng)的信號處理與顯示，如果要在實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)再現(xiàn)各類傳感器的工業(yè)應(yīng)用，不僅需要大量儀器、設(shè)備與資金的投入，而且其教學(xué)效果并沒有想象中的好。

2.虛擬儀器在機(jī)電控制系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

NI公司的LabVIEW是一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言，是一個(gè)開放型的開發(fā)環(huán)境，它使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其它應(yīng)用程序通信的VI庫。作為目前國際上主流的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它可以把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用簡單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員也可以按照測試要求和任務(wù)快速設(shè)計(jì)出自己的程序和儀器面板，大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量。

虛擬儀器作為目前測控領(lǐng)域的最新技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。所謂虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)平臺上，用戶根據(jù)自己的需求來定義和設(shè)計(jì)儀器的測量功能。其具有各類標(biāo)準(zhǔn)的信號輸入輸出接口和各類使用靈活方便的信號處理及儀器模塊，恰好為傳感器提供了各類信號處理與顯示的方案。學(xué)生通過虛擬儀器不僅可以將傳感器產(chǎn)生的信號采集進(jìn)來，還可以進(jìn)一步做二次信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示等，并可以根據(jù)檢測分析的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的輸出控制信號，且在計(jì)算機(jī)上編寫用戶交互界面，顯示相關(guān)信息。

3.液壓控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為NI公司M系列的PCT6221多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路單端輸入通道或8路差分輸入通道，采集速度最高為250k/s，分辨率為16位，兩路模擬輸出通道，最高轉(zhuǎn)換速率為833k/s，分辨率為16位。此外還有兩個(gè)32位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，24路數(shù)字量輸入輸出通道，滿足系統(tǒng)的控制要求。

利用超聲傳感器把液位信號變?yōu)?—10v的電壓信號，經(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道采集到計(jì)算機(jī)，由LabVIEW編寫的控制器根據(jù)實(shí)測信號和設(shè)定值發(fā)出控制信號，經(jīng)NI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道輸出0—10v的信號控制泵的驅(qū)動器，從而改變泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制液位的目的。該系統(tǒng)的主要功能有:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示，實(shí)時(shí)PID及其它算法控制和數(shù)據(jù)存儲。

4.其他應(yīng)用實(shí)例分析

溫度傳感器是傳感器中的一個(gè)重要章節(jié)，由于溫度傳感器種類較多，目前工業(yè)常用的有:熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。選用目前工業(yè)應(yīng)用較廣的半導(dǎo)體溫度傳感器為藍(lán)本，設(shè)計(jì)虛擬儀器測量顯示程序。我們可通過在接線面板上的簡單連接，將傳感器產(chǎn)生的信號輸入到虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡的模擬通道。由于傳感器的輸出電壓隨溫度的變化規(guī)律是:溫度每變化1℃，其輸出電壓改變0.01V，故在程序中只需將數(shù)據(jù)采集卡采集得到的電壓值乘以100即得到溫度值，其數(shù)據(jù)經(jīng)溫度單位選擇開關(guān)送溫度顯示，通過程序的循環(huán)執(zhí)行將當(dāng)前溫度實(shí)時(shí)地顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。

執(zhí)行本程序不僅可在計(jì)算機(jī)屏幕上看到當(dāng)前溫度的動態(tài)采樣值和圖形顯示，而且可在按下停止鍵后顯示出采樣的點(diǎn)數(shù)和采樣時(shí)間段內(nèi)的最高溫度、最低溫度、平均溫度，同時(shí)可將采樣數(shù)據(jù)都保存到用戶指定文件中。程序執(zhí)行后在計(jì)算機(jī)屏幕上將見到用戶界面及對話框，在對話框中學(xué)生可輸入指定文件名及路徑，過后學(xué)生可到該文件中查看所有溫度采樣數(shù)據(jù)。

通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以真實(shí)體會溫度傳感器在溫度測量中的應(yīng)用，而且可加深對動態(tài)測量和數(shù)據(jù)處理的認(rèn)識。另外學(xué)生只要更換傳感器后在程序中稍做修改，就可以做其他溫度傳感器的測量實(shí)驗(yàn)。同時(shí)教師可啟發(fā)學(xué)過虛擬儀器的學(xué)生設(shè)計(jì)程序完成其他功能的編程，如畫出動態(tài)溫度分布曲線、增加傳感器選擇功能等。

5.結(jié)語

虛擬儀器系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，經(jīng)過實(shí)際測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制響應(yīng)速度快，曲線變化平穩(wěn)，完全滿足了實(shí)際和教學(xué)方面的需要，也充分體現(xiàn)了虛擬儀器的特點(diǎn)。特別是其擴(kuò)展性很好，可以隨時(shí)添加更加先進(jìn)的控制算法，而且開發(fā)周期很短。綜合看來，虛擬儀器在機(jī)電控制系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中具有推廣使用價(jià)值，值得進(jìn)一步探討和研究。

參考文獻(xiàn):

[1]周求湛，錢志鴻，劉萍萍等編著.虛擬儀器與LabVIEW 7 Express程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]雷振山編著.LabVIEW 7 Express實(shí)用技術(shù)教程.中國鐵道出版社，2005.

[3]張紅梅，徐啟豐，徐貴水，白振興.虛擬儀器在航空儀器檢測中的應(yīng)用.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003.4，(2).

[4]李晴，朱敏.《虛擬儀器技術(shù)》課程建設(shè)思路與實(shí)踐.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007.3，(6).