自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

摘 要：自動(dòng)控制原理課程具有理論難度較大，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)抽象的特點(diǎn)，高職學(xué)生對(duì)于掌握本門(mén)課程具有一定的難度。因此開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于課程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的開(kāi)展，對(duì)課程學(xué)習(xí)效果的提升都具有重要的作用。提出了自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的基本方案、分析了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用以及在教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；課程；Labview；Matlab

引言

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，主要分析了控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)物理對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型的方案、控制系統(tǒng)時(shí)域、變換域求解的基本方案、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方案。對(duì)學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，為工程應(yīng)用方面的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試奠定了重要的基礎(chǔ)。為了適應(yīng)高職教學(xué)理實(shí)一體化的教學(xué)要求，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于抽象知識(shí)的理解，在課程講授過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)具有不可替代的重要作用。通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)學(xué)生能夠加深對(duì)于理論知識(shí)的理解，提升實(shí)踐技能以及分析解決問(wèn)題的方案。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地收到了一定的限制，因此采用虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)就顯得尤為重要。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用NI公司的Labview編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)出基于Labview虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合第三方公司提供的數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍加改動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)既可以在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，又能結(jié)合學(xué)校原有的硬件電路設(shè)備進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。

1 虛擬開(kāi)發(fā)工具Labview簡(jiǎn)介

虛擬儀器作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展方向，已迅速成為一種新的產(chǎn)業(yè)，尤其在發(fā)達(dá)國(guó)家中發(fā)展更快，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用已經(jīng)十分普及，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。Labview是一種基于圖形的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境的圖形化編程軟件，軟件在數(shù)據(jù)采集、儀器儀表控制以及數(shù)值分析方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，很好地實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念。

NI公司的Labview虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件具有開(kāi)放性、模塊化設(shè)計(jì)、可多次重復(fù)使用等方面的優(yōu)良特征。在自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能測(cè)試中，可以防線地進(jìn)行通用儀器模塊的添加或者新的儀表的更換，與傳統(tǒng)的實(shí)際儀表相比，使得自動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)試功能得到了有效的擴(kuò)展。軟件設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)化解釋型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，所謂解釋型指的是Labview開(kāi)發(fā)的虛擬軟件不能夠直接在Windows操作系統(tǒng)下直接完成，而是要通過(guò)相對(duì)應(yīng)的平臺(tái)支持運(yùn)行；Labview采用了順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)的三種基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)模塊化的方案構(gòu)成，形成的每一個(gè)子程序VI可以相互進(jìn)行直接調(diào)用，Labview在控制系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬平臺(tái)的開(kāi)發(fā)非常方便。

2 應(yīng)用Labview開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本步驟

在進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，首先要能夠確定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本功能，按照自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)的要求，本虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)有基于Labview的一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于Labview的非線性系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等八個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K相對(duì)獨(dú)立，并遵循如圖1所示的設(shè)計(jì)流程。

3 自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

應(yīng)用Labview進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，首先需要進(jìn)行控制面板的設(shè)計(jì)，要求實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的面板符合學(xué)生學(xué)習(xí)的要求，界面要能夠簡(jiǎn)介清晰，符合高職學(xué)生的使用習(xí)慣。

所有八個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的過(guò)程基本一致，文中以頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，分析應(yīng)用Labview進(jìn)行頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求能夠?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行能夠針對(duì)不同的傳遞函數(shù)，進(jìn)行幅值、相位和頻率的測(cè)量，并可以畫(huà)出幅頻特性和相頻特性曲線。首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)面板的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

圖2 頻率特性儀器面板

設(shè)計(jì)中分別采用了5個(gè)Array 控件進(jìn)行輸入傳遞函數(shù)分子和分母參數(shù)值，輸出幅值等參數(shù)的設(shè)置；幅頻特性以及相頻特性則借助于XY Graph 控件進(jìn)行顯示；1個(gè)OK Button 控件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的進(jìn)入以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的退出。定義變量如表1所示。

表1 輸入輸出變量定義表

根據(jù)頻率特性的原理表達(dá)式，

（1）

（2）

寫(xiě)入頻率特性的MATLAB文件到各個(gè)節(jié)點(diǎn)：

w=logspace（-1，1，100）； figure（1）

[mag，pha，w1]=bode（num，den，w）；

subplot（211）； hold on semilogx（w1，mag）；

subplot（212）； hold on semilogx（w1，pha）；

end subplot（211）； grid on

title（'Bode plot'）； xlabel（'Frequency（rad/sec）'）； ylabel（'Gain dB'）；

subplot（212）； grid on xlabel（'Frequency（rad/sec）'）；

ylabel（'fhase deg'）； hold off

程序?qū)懭胪戤厔t執(zhí)行Functions》All Functions》Array》Reshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一，完成連線并執(zhí)行仿真，頻率特性儀的仿真效果如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)自動(dòng)控制原理課程的內(nèi)容以及課程的特點(diǎn)，應(yīng)用NI公司的Labview進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，使學(xué)生能直觀的領(lǐng)會(huì)和理解自動(dòng)控制原理課程的分析方法和處理結(jié)果，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)興趣都有重要的意義。Labview開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)如二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等自動(dòng)控制原理中典型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真以及分析，對(duì)于學(xué)生能夠正確理解實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、實(shí)驗(yàn)原理以及數(shù)據(jù)分析都具有現(xiàn)實(shí)的意義，尤其是針對(duì)高職類(lèi)學(xué)生的自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)具有更為凸出的重要作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：邵宏文（1963，3-），男，碩士，上海人，講師，研究方向：電工電子類(lèi)的教學(xué)。