虛擬儀器在機械控制工程基礎課程教學中的應用

陳光輝

摘要：本文主要介紹了虛擬儀器的概念和特點，并且分析了虛擬儀器在機械控制基礎課程教學中的應用，從課堂教學和實驗教學兩個方面分析介紹了Matlab虛擬儀器的應用。實踐表明虛擬儀器的應用能夠有效提高機械控制工程基礎課程的教學效果，具有較高的推廣價值。

關鍵詞：虛擬儀器;控制工程基礎;教學應用

1.虛擬儀器的概念和特點

虛擬儀器是在計算機上，利用計算機的硬件和軟件設備，由用戶完成設計的一個軟件系統，它具有跟真實儀器一樣的操作面板，而且能夠像真實儀器以往完成相關測試功能。虛擬儀器在使用過程中呈現給用戶的面板是虛擬的，其能夠完成的測量功能是靠軟件程序來驅動的。將具有不同功能的軟件模塊組合到一塊能夠完成不同類型的測試功能，它是計算機技術和測試技術共同發展的結果。虛擬儀器一般由硬件和軟件兩個部分組成，其中硬件部分包括了計算機和I/O接口部分，其中I/O接口負責完成對信號的采集、放大和轉換等。軟件則包括了各種應用程序和接口驅動程序。虛擬儀器的硬件配置完成后，由軟件程序驅動其實現預定的功能。

虛擬儀器是計算機軟件系統的一種，能夠完整一般測試儀器能夠完成的功能，但是跟傳統意義上的測試儀器相比，它具有以下幾個方面的特點：

1.1成本低，用戶只需在計算機上安裝相應的軟件應用程序即可，省去了購買儀器和設備所需要的成本。

1.2功能靈活，能夠根據計算機技術的發展，不斷更新其功能，且具有較強的可重配置性，能夠實現多次復用。

1.3更新和維護成本低，如果虛擬儀器需要進行性能改進或者功能擴展，只需要對其軟件進行更新即可，且虛擬儀器不需要專門的人員對其進行維護和維修。

2.虛擬儀器在機械控制工程基礎課程教學中的應用

為了能夠讓學生能夠直觀的看到各種控制效果，我們采用Labview和matlab相結合進行控制工程基礎課程教學中的開發。Labview屬于一種圖形化的編程軟件，能夠在計算機界面上完成圖形的動態顯示，但是在控制工程中采用的算法計算中受到了很大的限制。而Matlab軟件中集成了大量的圖形和數值信息，能夠為復雜計算提供可視化操作，但是它的界面開發功能較差。鑒于二者的優缺點，本文通過ActiveX技術將二者嵌套在一起進行開發，完成對機械控制工程基礎相關課程的講解。利用他們強大的算法處理功能和圖形界面功能進行虛擬操作平臺的開發，進行機械控制工程基礎課程中的大量公式的計算、圖形的繪制和人機界面的顯示，下面我們通過對單容水箱的實例對虛擬儀器在控制工程基礎課程中的應用進行闡述。

2.1?Labview在機械控制工程前臺用戶界面設計中的應用

首先啟動Labview軟件，選擇創建一個新的文件，進入Labview的主界面。然后在Labview軟件的圖形選擇框中，選用立方形狀的水箱，并且用鼠標將其拖到軟件的顯示界面中。同樣將單容水箱實驗中需要用到的水管以及調節閥等元器件拖到界面的顯示區域，并且將各個零部件按照實驗原理連接到一起，得到一個模擬的單容水箱系統。從Labview的工具欄中選中示波器對水箱中水位的變化情況進行顯示。另外還要選中多個數字輸入框用來完成對單容水箱系統中相關參數的輸入和顯示。

2.2?Matlab在機械控制工程后臺控制策略中的應用

Labview軟件中采用圖形化的語言，將要完成的任務通過調用方式在軟件中以圖形方式顯示。界面顯示的所有元件都跟軟件中的程序一一對應，用戶只需要將界面連接在一起，無需進行其相關程序的設計。但是要實現對控制系統的真正控制，必須要采用Matlab來完成。而使用Matlab首先要解決兩個軟件之間數據的接口問題。

本次設計中利用Labview軟件中提供的Matlab?script接口實現二者之間數據的連接，然后通過Matlab為單容水箱的被控對象參數K和T、單容水箱的水位信息以及控制參數進行設定。用戶可以通過點擊Matlab軟件的左邊框，系統會彈出相關對話框，然后選擇添加輸入，輸入相關參數的信息。為了便于學生對實驗結果的觀察，還需要利用Matlab中的時延控制器對實時曲線的顯示速度進行調節。用戶選擇工具箱中的時延控制器，然后調節其旋鈕位置，完成對控制系統中輸入和輸出的設計，最后將系統所需要的PID控制算法輸入到軟件的中間程序中，即完成了對單容水箱整個控制系統的設計。

Labview和Matlab的應用徹底解決了傳統教學方法中需要進行大量的計算，且繪制的曲線精度較低的問題，同時教師在教學過程中可以通過演示，讓學生直觀看到其控制效果。所以借助Labview和Matlab軟件，教師的課程教學變得非常清晰明了，學生學習起來也比較輕松，起到了事半功倍的效果。另外Matlab軟件中提供的仿真功能，能夠在學生實驗過程中有效排除外界因素對其實驗過程造成的影響，Matlab實驗教學的進行能夠彌補傳統實驗教學中的不足，實現對學生創造性思維的培養，這是素質教育教學的最終目標，也是傳統實驗教學所不能比擬的優勢。

3.結論

虛擬儀器的使用徹底改變了機械控制工程傳統意義上的教學觀念，能夠有效激發學生學習的興趣和創新性。同時虛擬儀器的使用打破了傳統設備儀器對時間器材的限制，能夠保證所學學生獨自完成相關實驗驗證內容，并且能夠幫助學生進行各種實驗設計，為真實的實驗進行做好準備工作。采用Labview和Matlab虛擬儀器進行的機械控制工程教學實踐表明，虛擬儀器的使用能夠促進該課程的教學改革，提高機械控制工程課程的教學質量。

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