基于LabVIEW的《自動控制原理》教學平臺設計與實現

聶春燕，吉淑嬌

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

基于LabVIEW的《自動控制原理》教學平臺設計與實現

聶春燕，吉淑嬌

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

《自動控制原理》是工科類自動化以及電信類專業比較重要的一門專業基礎課，理論性較強，計算和分析的數學要求高，過程比較煩瑣。本設計以LabVIEW為平臺，利用控制系統設計與仿真工具包中的部分模塊開發《自動控制原理》仿真平臺，平臺基本涵蓋了《自動控制原理》課程的全部主要內容，包括自動控制系統的數學模型的建立、控制系統的時域分析、根軌跡分析以及頻域分析。本平臺操作靈活，易于擴展，用于《自動控制原理》的課堂教學，使教學更加形象直觀，也能夠加深學生學習的感性認識和興趣。

自動控制原理;教學平臺;時域分析;根軌跡

0 引言

如今，在大多數高等院校的教學中，傳統的多媒體教學方式已經不能滿足日益更新的教學內容，尤其是在工程類專業學科方面。單一的文字、圖片教學只能對課程內容進行字面上的解釋，而不能對課程的內涵進行很好的詮釋，因此我們迫切需要一種新的多媒體方式，并使其能夠在教學中大量應用［1］。美國NI公司開發的LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發環境，它被廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受。LabVIEW提供的控制與設計與仿真工具包為開發控制應用程序的專用工具包，為LabVIEW用于自動控制系統仿真提供了有力的保障。本設計以LabVIEW為平臺，結合《自動控制原理》具有模塊化的特點，開發了《自動控制原理》的教學仿真平臺。

1 《自動控制原理》教學平臺的組成與特點

《自動控制原理》是一門理論性較強的課程，已形成了比較完整的體系，但其計算和分析的數學要求高，過程比較煩瑣。教師課程講解如果不形象直觀，很難加深學生的感性認識，難以引起學習興趣。本平臺基于LabVIEW 8.6版本，利用軟件提供的控制模塊進行仿真設計，設計內容基本涵蓋了《自動控制原理》的主要模塊。

考慮到平臺用于教學，因此采用LabVIEW提供的樹形結構和選項卡模塊，將所有子VI程序模塊參照《自動控制原理》課程的順序排列，形成二級目錄，再按照此順序將子VI程序與選項板控件鏈接在一起，最后通過創建選項板屬性節點，將樹形結構和選項板綁定在一起，聯合實現鼠標點擊目錄即出現相應內容的功能，界面友好直觀，操作方便，易于擴展。

2 教學平臺的設計實現

平臺共設計了5個大的模塊，包括線性系統的數學模型，實現了傳遞函數的求解和系統結構圖的簡化;線性系統是時域分析，實現了一階系統和二階系統的時域分析;系統的根軌跡分析，實現了不同系統根軌跡的繪制;線性系統的頻域分析，實現了系統的對數曲線和奈奎斯特曲線圖的繪制。

2.1 系統時域分析

在控制工程中，二階系統比較常見。典型二階系統結構系統閉環傳遞函數為

式中ε稱為阻尼系數或阻尼比，ωn為無阻尼自然頻率，二者為二階系統的兩個特征參數。例如我們想對系統進行時域分析。按照路徑在“控制設計與仿真”\“Control Design”\“Time Response”子選項板中選擇“CD Step Response.vi”、“CD Impulse Response.vi”、“CD Initial Response.vi”、“CD Linear Simulation.vi”，分別連接“CD Construct Transfer Function Model.vi”。前面板 分別放置 4 個圖形顯示控件，用來顯示各種響應曲線，并放置數組，顯示相應曲線的最大值，峰值等各數值。圖1所示為二階系統時域分析圖，輸入是w和zeta的值分別為5和0.2，顯示各響應曲線及系統參數。通過改變輸入值大小，就可以觀察其它系統的響應曲線。

圖1 二階系統的時域響應前面板界面

2.2 系統根軌跡圖

根軌跡法是一種簡便的圖解方法，它的基本思想是當開環系統的一個或者多個參數發生變化時，根據系統的開環零極點，借助若干條繪制準則，繪制出閉環特征根變化的軌跡。

通常系統開環傳遞函數為零極點形式，例如想繪制的開環傳遞函數表達式為閉環系統根軌跡，首先采用LabVIEW中“控制設計與仿真模塊”提供CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi模塊，輸入該傳函零極點的實部和虛部以及開環增益，然后連接CD Root Locus.vi就能繪制出該系統根軌跡，再由示波器Root Locus Graph圖進行顯示，設計同時連接模塊CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi，給出了系統開環傳遞函數的表達式，設計詳見圖2所示。由所繪制的閉環系統根軌跡可以看出，有一部分根在S平面的右半部分，這樣的系統是不穩定的。若想使系統的根全部落在S平面左半部分，必須增加開環零點，根據計算該零點的取值范圍應在(－5，0)之間滿足條件，程序只把輸入處添加一個實部在此范圍的零點即可實現不同系統根軌跡的繪制，圖2顯示系統在有零點－5時的臨界穩定閉環根軌跡圖。這種可視化和動態效果能使學生更好地理解零極點對系統的影響，可以大大激發學生學習、設計和創造的激情，也使理論教學不再枯燥乏味。

圖2 系統根軌跡圖

2.3 線性系統的頻域分析

控制系統的頻域分析是以系統的頻域特性作為數學模型，不必求解系統的微分方程，便可直接根據頻率特性曲線分析系統性能。本設計分別呈現出在不同輸入下不同系統的伯德圖(又稱對數曲線，包括對數幅頻特性曲線和對數相頻特性曲線)和奈奎斯特曲線圖。當輸入開環系統的零極點以及系統的增益，界面右側分別顯示出對數幅頻特性曲線和對數相頻特性曲線［2，4］。例如想分析系統特性。系統按照路徑在“控制設計與仿真”\“Control Design”\“Frequency Response”子選項板中選擇“CD Nyquist.vi”和“CD Bode.vi”模塊，并與“CD Convert to Transfer Function Model.vi”模塊連接。圖 3 所示為系統的頻域分析圖，當更改系統零極點時，可快捷、方便地看到其它系統的頻率特性，曲線也產生相應的變化。

圖3 系統頻域分析圖

3 主界面的設計與集成

3.1 主界面的整合

為給使用者方便、完整的教學平臺，必須把所有的模塊放在一起。通過菜單的方式把所有的自接口模塊整合起來。通過設計，用7個子VI設計成5個大模塊。首先，新建一個VI命名為“主程序.vi”，在前面板設置“樹結構”和“標簽卡”。然后建立一個列表按照的需要盡可能多編輯“樹結構”程序［5－6］。接下來把前面板的每個子VI一個接一個的放在“標簽卡”中，與此同時，它們的所有功能面板應該一個接一個的放在“主程序.vi”的功能面板后。最后，通過“時間結構”的屬性節點將它們連接起來。為了使VI一直運行，直到點擊“停止”按鈕，在功能面板上加上一個“while循環”。圖4展示“主程序.vi”的功能面板。

圖4 主程序.vi的功能面板

3.2 調用接口

調用接口:雙擊鼠標(單擊或雙擊取決于“事件結構”的集)將會完成。例如，當想知道如何繪制某一系統的伯德圖，首先，運行程序，然后雙擊“樹結構”中的“串聯校正”，接下來，輸入各子系統的零極點，界面的圖形顯示器便顯示校正前后的結果。圖5是系統校正的調用窗口，界面設計同時給出校正系統前后的各參數變化值。

圖5 系統校正的調用窗口

4 結語

文中利用LabVIEW進行了《自動控制原理》教學平臺的開發，仿真及實驗結果表明了LabVIEW在控制領域具有較強的應用性并且具有較好的擴展性。在課堂教學應用中，基于LabVIEW的課件生動形象，更能吸引學生的注意力，增強學生對所學知識的感性認識，提高對所學內容的理解能力。本設計僅實現的是《自動控制原理》課程中連續系統的分析，由于LabVIEW具有開放性的特點，可根據不同層次實驗者的要求設計出更多的虛擬自動控制系統，比如，添加多種校正系統以及實現離散系統的各種分析等。

［1］ 吳濤，魏翀，鐘嘉健，等.虛擬儀器在控制工程實驗中的研究與實踐［J］，實驗室研究與探索，2010，11(29)，263－266.

［2］ 王煥然，徐穎秦.自動控制原理虛擬實驗平臺的設計［J］，電力系統及其自動化學報，2010(4):157－160.

［3］ 程雪敏，仲蓁蓁.基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學系統的設計［J］.廣西輕工業，2010(10):90－91.

［4］ 丁紅，李學軍.自動控制原理［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［5］ 侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［6］ 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設計與應用［M］.2版.北京:電子工業出版社，2009.

Design and Implementation of Teaching Platform about Automatic Control Principle Based on LabVIEW

NIE Chun-yan，JI Shu-jiao

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

Automatic Control Principle with strong theoretical property is an important specialized fundamental course for automation and telecommunication major，in which the mathematical requirement of calculation and analysis is high and the process is more complicated.Based on LabVIEW，automatic control simulation platform is developed by some modules in automatic control system design and simulation toolkit，covering the main content of automatic control principle and including the establishment of a mathematical model of automatic control system，time domain analysis，root locus analysis and frequency domain analysis of control system.This platform is flexible to operate and easy to extend.It is proved that the application of this teaching platform to Automatic Control Principle can make teaching more intuitive and vivid，what’s more，it is also able to enhance students’perceptual knowledge and interests.

automatic control principle;teaching platform;time domain analysis;root locus

TN911.7

A

1009－3907(2012)08－0923－03

2012-06-20

聶春燕(1966-)，女，吉林長春人，教授，博士，主要從事信號分析與虛擬儀器等方面研究。

責任編輯:吳旭云