基于LabVIEW的自動控制理論實驗系統的設計與研究

【摘要】基于綜合提升學生的自主實驗能力，以實驗資源文檔、仿真實驗、模擬型實物實驗和遠程實驗的方式構建了基于LabVIEW的自動控制理論實驗平臺。通過資源學習、任務驅動與探索學習等模式要求，為學生的思維與動手能力的培養提供教學思路與參考。

【關鍵詞】自動控制理論;LabVIEW;實驗系統

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)08—0139—04

一 引言

高等教育的質量與國家現代化建設密切相關，其中良好的教學實驗設計對于人才的培養有著直接的影響。《自動控制理論》課程作為電氣、自動化專業的一門重要的專業基礎課，是聯系前期基礎課和后續專業課的橋梁。如何借助于實驗課的輔助教學，生動、形象地幫助學生理解基本概念、建立理論與實際相結合的觀點、培養大學生的初步工程實踐能力，符合高校培養具有創新實踐能力的高素質人才的需要。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司推出的一種使用基于圖形化編程方式的虛擬儀器軟件開發環境。具有直觀易學、編程效率高，與Internet方便鏈接等特點。通過改變、增減系統的功能、可方便地擴充系統的復雜性，能為各層次學生提供廣闊的實驗與實踐空間。為此，建立基于LabVIEW的自動控制理論實驗平臺，開展設計性、綜合性較強的系統實驗設計，不僅有利于通過直觀形象的實驗圖形與結果激發學生的學習興趣，而且對于全面提升學生動手構建物理系統和軟硬件調試的綜合能力具有重要意義[1-2]。

二 實驗系統設計

近年來基于計算機技術的實驗系統，作為一種工程、教學輔助工具，在簡化問題、節約成本、縮短調試周期等方面特點突出，有利于發展學生借助計算機解決問題的能力。傳統實物模擬實驗，由于外部條件變化對實驗結果及信息的影響不同[3]，則對于學生發現問題、通過理論聯系實際綜合解決問題能力的培養具有不可替代的作用。目前，遠程實驗的開展也逐步獲得關注重視。基于以上分析，所設計的LabVIEW自動控制理論綜合實驗平臺，其系統結構如圖1所示，可以融合以上三種實驗模式的優點，力圖通過交替互補，以不同的實驗要求，通過設立資源學習、任務驅動與探索學習這三類學習模式，全方位提升學生的實驗理論與技能。

1 仿真實驗

LabVIEW在數據采集、工業控制等應用領域提供了一個功能強大、方便靈活的虛擬儀器的集成開發環境。降低了環境干擾和系統誤差對測量結果的影響，改善了以往費時、費力的實驗過程，便于學生集中精力對結果進行分析。

以非線性系統的描述函數法為例，圖2為非線性系統框圖，其中線性部分的頻率特性函數為 ，非線性部分的算子以 表示。如何求取非線性系統的描述函數并進行分析，由于其獨特的復雜性與抽象性，一直是自動控制理論教學的難點，理論計算繁瑣，實驗研究費時。

為此，采用基于圖形化的計算機仿真的方法通過對非線性、線性環節的類型、參數進行選擇，而后設定分析的頻率范圍、初值、步長、循環次數等，可有效避免繁復的頻率調整、計數、描點等工作，迅速獲取系統的幅相特性曲線。友好的仿真實驗界面如圖3所示。

設定線性區寬度 ，飽和特性信號限幅 后，輸入到實驗室開發的如圖3所示的仿真實驗系統界面，運行后，即可獲取如圖4所示的對應的幅相特性曲線圖。

這樣，利用仿真實驗，學生可以靈活設定仿真條件，方便、省時地實現對各種非線性環節描述函數的求取與直觀分析，達到了對抽象的非線性理論概念進行直觀理解的目的。這部分內容，設定了2學時由教師講解LabVIEW的基礎知識，安排4學時課后時間用于相關資源學習。

2 模擬型實物實驗

NI公司提供的ELVIS實驗平臺將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個定制靈活的教學實驗平臺。通過DAQ捕獲實際系統中真實的物理信號，并輸入到計算機中，而后利用LabVIEW編制相應的應用軟件實現數據的監測、記錄、顯示及分析，可以簡化實驗數據獲取及后續數據處理等過程。

目前本實驗平臺針對實物模擬實驗設立了演示實驗[4]和學生設計實驗兩部分。演示實驗包括RC電路暫態電壓變化實驗、數據采集及濾波處理實驗以及直流電機轉速測控實驗。通過演示實驗的展示與講解，以幫助學生逐步掌握NI ELVIS實驗平臺的使用與開發流程、技巧，為后續進行獨立實驗設計與研究奠定基礎。而后，結合基于LabVIEW編程后提供的內置函數發生器和示波器等檢測分析儀表，配合ELVIS提供的實驗面包板，要求學生獨立在實驗板上通過模擬運放電路的搭建，完成二階系統時域響應、典型環節頻率特性、系統串聯校正等實物模擬實驗，并與理論分析值進行比較、分析。此處設定為任務驅動型學習方式，課內保留4學時用于提問、測試、成績評定。

如圖5所示，為求取典型積分環節頻率特性而構建的模擬實驗電路。

圖5中運算放大器采用op07，輸入正弦信號 ，其幅值 及頻率 可調。當調節正弦信號幅值 過大時，系統可能進入運算放大器的飽和非線性特性工作區域，系統輸出 信號則會輸出周期畸變信號; 當調節正弦信號幅值 過小， 靜電感應電壓對系統輸出 信號的疊加影響不可忽略， 會影響輸出 信號測試的準確度(此處，可引導學生對信號處理方法進行思索、研究)。僅當調節正弦信號幅值 處于適當范圍內，輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號。針對這一現象，與1節中虛擬仿真實驗積分環節頻率特性的求取方法進行對比，提出問題1:仿真實驗與模擬型實物實驗的區別與聯系?問題2:確定一個環節是線性還是非線性的原則是什么?問題3:理論與實踐的相互作用關系在科學研究中是怎樣的?以此建立新舊知識的聯系，激發學生的自主發現與探究意識，引發其解決問題的興趣，鼓勵其進行協作交流，進而形成自己對問題的獨立見解，綜合實踐能力得到提高。

最后，考慮部分能力較強學生的實驗需求及后續課程設計的需要，選購了8套球桿(ball balancer)系統作為被控對象。采用LabVIEW編制軟件算法， 通過驅動程序控制伺服電機進行轉速與位置調節，實現對此非線性、不穩定系統的穩定運行控制。這部分實驗的設立為探索學習模式階段，通過介紹難點的方式，引導學生深入思索、學習、探索前沿的控制方法。

3 遠程虛擬實驗

基于網絡的遠程實驗室可以最大限度地實現實驗資源的共享[5]，因此本綜合實驗系統的設計也包含了這部分內容。遠程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠端獲得動態數據或將控制信號傳送到遠端，使在本地PC機上監控遠端成為可能。遠程虛擬實驗不僅提高了實驗設備的利用率，而且方便學生靈活安排實驗時間，強化了學生的主體作用，同時有利于教師進行實驗過程的管理，實現了利用網絡進行資源交互學習等目的。

利用LabVIEW軟件設計構建的網絡虛擬實驗室具有易于開發，投資少，擴充方便等特點。在LabVIEW 開發環境中，有多種方式可以方便實現遠程數據的采集和儀器控制，主要有:基于NI公司的遠程設備訪問(remote device access， RDA)技術，可通過分別配置RDA Server和RDA Client實現網絡內部的共享采集設備數據;功能強大、但開發將對較復雜的適用于較大規模網絡實驗室的DataSocket數據共享技術;簡便、易學的基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術。

考慮實驗規模不大及時間限制等因素，本實驗室選用了基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術，構建B/S模式遠程實驗系統。遠程前面板技術是把一個VI的前面板直接嵌入到Web網頁中，并具有自動更新功能。此外，通過授權，不僅可以使得客戶端能觀測到一個動態刷新的實時畫面，而且還可以對前面板進行遠程控制。

考慮到一臺實驗設備在某一確定時間段內只可以由一個用戶進行實驗控制，因此，需要設定教師管理員進行實驗預約管理。學生通過客戶端注冊登錄后，在預定時間內享有對實驗室內指定編號實驗平臺的控制權限。后續計劃針對大四學生和研究生采用大作業形式，征集優秀的實驗預約管理方案，取消人員管理，實現科學、高效的自動遠程實驗預約、監控、實驗記錄等管理功能。

三 結束語

基于LabVIEW技術開發的自動控制理論綜合實驗平臺，通過設定仿真實驗、真實模擬實驗和遠程實驗互相結合與補充，不僅提供了豐富的計算機與網絡學習資源，而且注重實驗設計的智能化與真實性的協調統一，實現了實驗設計的簡易性、綜合性和靈活性。通過關注實驗過程，改變了傳統教師講授的單一模式，不僅便于學生形象理解和掌握與課程相關的知識點，促進學生的編程能力與動手能力的提升，而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學生從理論學習向實踐研究進行跨越式轉變，為探索培養具有創造力與創新性的當代大學生教育進行經驗積累。

參考文獻

[1] 張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京:電子工業出版社，2008:2-5.

[2] 袁浩，朱暢，陳志敏.基于LabVIEW的自動控制仿真系統設計[J].實驗室研究與探索，2006，25(4):457-459.

[3] 沈亦紅.論物理虛擬實驗與真實實驗的互補作用[J].中國電化教育，2004，210(7):42-44.

[4] 楊智，袁媛，賈延江.虛擬儀器教學實驗簡明教程-基于LabVIEW的NI ELVIS [M].北京航空航天大學出版社，2008:90-108.

[5] 楊超，趙淑麗，程建剛等.構建實驗教學網絡支撐平臺[J].電化教育研究，2003(9):39-42.