基于Labview和myDAQ的自動控制原理實驗軟件平臺開發(fā)

韋青燕， 徐愛民

(江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室; 南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

0 引 言

我校系統(tǒng)控制與仿真實驗室原有的自動控制原理實驗平臺是基于ACL-8112PG開發(fā)的，使用時必須嵌在臺式計算機主機箱ISA插槽中，不便隨身攜帶，且已使用多年，穩(wěn)定性變差，無法保證實驗的正常開設(shè)，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)的順利進行。由于NI公司的myDAQ采樣速度高、穩(wěn)定性好、使用便捷，實驗室在學(xué)校實驗室修購基金資助下購置了20套myDAQ[1]。同時利用已有的自動控制綜合實驗儀作為被控對象，搭建了自動控制原理實驗硬件平臺[2,3]。基于圖形化編程的Labview開發(fā)工具，易于學(xué)習(xí)和使用，能縮短軟件平臺的開發(fā)周期[4,5]。因此，本文采用myDAQ+Labview的開發(fā)架構(gòu)，開發(fā)了自動控制原理時域和頻率特性測試軟件平臺，加快了新舊實驗平臺的更新，其接口開放性好，便于實驗項目和功能模塊的更新。

1 系統(tǒng)平臺及主要功能模塊

myDAQ數(shù)據(jù)采集卡體積小，通過USB與計算機連接，使用方便[1]。基于myDAQ的自動控制原理實驗硬件平臺,由主控計算機、myDAQ數(shù)據(jù)采集卡和自動控制綜合實驗儀組成，采用模擬輸入輸出通道AI和AO與自動控制綜合實驗儀中被控對象進行數(shù)據(jù)通信， AO采用單端輸出，而AI可采用單端或差分輸入。此平臺工作過程為：首先,Labview上位機軟件給出一個數(shù)字激勵信號，通過myDAQ的D/A模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號經(jīng)AO端口輸送給被控對象，同時,將被控對象的響應(yīng)輸出連接到AI端口，經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，上位機軟件實時讀取此數(shù)字量，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集。上位機軟件功能模塊框圖見圖1，主要包括被控對象激勵信號的給定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)曲線保存和查看、參數(shù)測量、多點頻率特性繪制和數(shù)據(jù)曲線打印[6-8]。

2 軟件功能模塊實現(xiàn)[4-5,9-15]

采用事件結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)軟件平臺中不同功能模塊的切換。

2.1 典型環(huán)節(jié)的時域特性測定實驗軟件設(shè)計

其主程序前面板如圖2所示。

圖2 時域特性主程序前面板

2.1.1激勵信號給定模塊

典型環(huán)節(jié)的時域特性測定實驗中需要為其提供階躍激勵信號，本上位機軟件采用Labview-2012進行開發(fā)，其信號產(chǎn)生模塊不直接提供階躍信號，必須自行設(shè)計。采用條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)激勵信號給定的前面板和程序框圖如圖2所示，包括階躍信號、正弦波信號、三角波信號、方波信號及鋸齒波信號5種信號類型，每一種信號采用一個子VI實現(xiàn)，同時將其封裝為更高一級的子VI(見圖3中激勵信號輸出模塊所示)，方便主程序調(diào)用，簡化程序結(jié)構(gòu)。

在主程序前面板首先選定激勵信號類型，設(shè)定偏置、頻率、幅值、采樣長度、采樣率等參數(shù)項，選定myDAQ采集卡的信號輸出通道，點擊“啟動”后即可在對應(yīng)的輸出通道上得到預(yù)定的激勵信號。

2.1.2數(shù)據(jù)采集模塊

圖3 激勵信號輸出及數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.3數(shù)據(jù)曲線保存模塊

為進行事后參數(shù)測量、數(shù)據(jù)打印和分析，必須將采集到的被控對象響應(yīng)數(shù)據(jù)曲線保存，其程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖4所示。點擊主程序前面板的“數(shù)據(jù)保存”按鈕，則彈出子程序?qū)υ捒蚯懊姘宀⑤斎胫付ㄎ募_定后，經(jīng)文件I/O模塊將2.1.2節(jié)移位寄存器中的數(shù)據(jù)以.dat格式保存到指定的文件夾中。

2.1.4數(shù)據(jù)曲線查看模塊

圖4 數(shù)據(jù)保存模塊

圖5 數(shù)據(jù)查看前面板

2.1.5參數(shù)測量模塊

打開圖5中“輸入輸出波形”的Graph Pallette，設(shè)定黃色和藍色2個測量坐標(biāo)點，通過圖6所示程序模塊實現(xiàn)響應(yīng)曲線的參數(shù)測量。2個測量坐標(biāo)點在橫坐標(biāo)上的投影距離為時間量，通過光標(biāo)測量模塊中“DX坐標(biāo)”顯示，而在縱坐標(biāo)上的投影距離為幅值量，通過“DY坐標(biāo)”顯示。由此可實現(xiàn)控制系統(tǒng)時域指標(biāo)σ%、ts、td、tp以及單點頻率特性測量中幅值比和相位差等參數(shù)的在線測量，便于驗證實驗過程是否正確以進行及時更正，克服了事后手動測量參數(shù)的缺點。

2.1.6數(shù)據(jù)打印模塊

在圖5 “已保存的數(shù)據(jù)文件”中選中要打印出圖的文件，“添加 ”到右邊的“要打印的數(shù)據(jù)文件”列表中，點擊“打印曲線”按鈕，就能通過圖7功能模塊的For循環(huán)實現(xiàn)多個時域特性曲線同時打印,以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。選中“要打印的數(shù)據(jù)文件”列表中某個文件，點擊“刪除”按鈕，就能取消此數(shù)據(jù)文件的打印。

圖6 參數(shù)測量模塊圖

圖7 時域特性曲線打印模塊

2.2 控制系統(tǒng)的頻率特性測定軟件設(shè)計

其主程序前面板如圖8所示。

圖8 頻域特性主程序前面板

2.2.1單點頻率測量模塊

在控制系統(tǒng)的頻率特性測定實驗中，默認激勵信號為正弦信號，在圖8中設(shè)定偏置、頻率、幅值、采樣長度、采樣率以及 myDAQ采集卡的輸入輸出通道。將要編輯的信號頻率的一個單點“添加”到“要編輯的信號頻率列表”中，點擊“單點測試”即可采樣到與激勵信號同頻率的被控對象正弦響應(yīng)曲線，并通過2.1.3實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動保存。點擊“單點查看”可顯示類似圖5的界面，通過2.1.5參數(shù)測量模塊測得輸出響應(yīng)曲線的幅值和相位，經(jīng)計算得到對應(yīng)頻率點的幅值比和相位差。重復(fù)上述過程，分別選取不同頻率點的正弦激勵信號，可以得到多個頻率點對應(yīng)的輸出輸入信號幅值比和相位差，從而可以手工繪制被控對象的幅頻特性和相頻特性曲線。由此，學(xué)生能很好地掌握頻率特性曲線繪制機理。

2.2.2多點頻率特性測量與曲線繪制模塊

在多點頻率特性測量中，在圖8中將多個要編輯的信號頻率點按從小到大順序“添加”到“要編輯的信號頻率列表”中，點擊“多點測試”后，程序會自動按頻率列表中各頻率點順序循環(huán)進行單點頻率測量，同時測量計算出各頻率點對應(yīng)的輸入輸出信號幅值比和相位差并進行數(shù)據(jù)保存。點擊“頻率特性”按鈕顯示圖9所示的界面，雙擊“已保存的數(shù)據(jù)文件”列表中的數(shù)據(jù)文件，即可顯示被控對象的幅頻和相頻特性曲線，并將各頻率點對應(yīng)的幅值比和相位差通過列表顯示，學(xué)生一目了然，方便與單點測量結(jié)果進行比較。點擊“打印曲線”通過圖10程序模塊實現(xiàn)幅頻和相頻特性曲線及幅值比相位差數(shù)據(jù)的打印，方便學(xué)生通過頻率特性曲線測量出被控對象的轉(zhuǎn)折頻率、諧振峰值、峰值頻率和帶寬頻率等頻域指標(biāo)，并與理論值進行對比分析。

圖9 多點頻率特性曲線繪制

圖10 多點頻率特性數(shù)據(jù)和曲線打印模塊

3 結(jié) 語

本文基于Labview和myDAQ構(gòu)架設(shè)計了自動控制實驗軟件平臺，涵蓋了自動控制原理課程有關(guān)時域和頻域特性的相關(guān)內(nèi)容。此實驗平臺的開發(fā)周期短、集成度高、使用方便、可維護性好，便于新舊實驗平臺的更替，為其他課程實驗的開發(fā)提供了有效參考。在后續(xù)的工作中，會將發(fā)動機控制元件和發(fā)動機控制系統(tǒng)等控制類課程實驗集成于此平臺中，以形成控制實驗系統(tǒng)，使各實驗相互關(guān)聯(lián)，更便于學(xué)生對不同實驗內(nèi)容的理解和融會貫通，提高實驗水平。

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