基于虛擬儀器和Simulink的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

邢雪寧， 張厚升， 季 畫

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

基于虛擬儀器和Simulink的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

邢雪寧， 張厚升， 季 畫

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

開發(fā)了一套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用LabVIEW SIT工具包實(shí)現(xiàn)和Simulink的通信，結(jié)合LabVIEW圖形顯示和Simulink數(shù)據(jù)處理，能方便、直觀地將實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)，降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)； 虛擬實(shí)驗(yàn)； Simulink； LabVIEW； SIT

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中的作用至關(guān)重要。良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不但能夠直觀、形象地顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且能很好地幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力。但是，由于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較陳舊，只能做一些簡(jiǎn)單的演示性實(shí)驗(yàn)；因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備較少，以指導(dǎo)教師操作為主，不能在實(shí)驗(yàn)中使學(xué)生都得到動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。同時(shí)，由于設(shè)備自身的局限性，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，電流及轉(zhuǎn)速的變化情況不易觀察到，因而不利于學(xué)生對(duì)各類控制系統(tǒng)性能的理解，在該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面往往不能取得滿意的效果。筆者將LabVIEW圖形顯示和Simulink的數(shù)據(jù)處理結(jié)合在一起[1-3]，研發(fā)了一套虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而較好地解決了以上問題。

對(duì)于將LabVIEW以及Simulink進(jìn)行混合編程，必須保證這兩個(gè)軟件數(shù)據(jù)類型的一致，以保證兩者之間的傳輸數(shù)據(jù)。本文利用虛擬儀器工具包SIT與Simulink進(jìn)行通信，然后調(diào)用Simulink的方法[4]。系統(tǒng)生成了可執(zhí)行程序，并打包LabVIEW2011、MATLAB7.0和SIT2011運(yùn)行引擎生成可安裝程序，可以在電腦上安裝運(yùn)行。

1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程中的全部實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)分為直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)兩部分[5-6]。

直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要有:(1)單閉環(huán)有靜差、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；(2)單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋—變電壓、定負(fù)載調(diào)速系統(tǒng)；(3)單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；(4)單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；(5)單閉環(huán)電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)；(6)單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；(7)三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)；(8)α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)；(9)雙閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)。

交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括:(1)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)；(2)SPWM內(nèi)置波調(diào)速系統(tǒng)；(3)SPWM外置波調(diào)速系統(tǒng)；(4)電流滯環(huán)跟蹤控制調(diào)速系統(tǒng)；(5)電壓空間矢量調(diào)速系統(tǒng)；(6)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比交流調(diào)速系統(tǒng)；(7)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)等。直流拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)選擇界面如圖1所示。

圖1 直流拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)選擇主界面

本文以直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)α=β配合控制調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)問題。

2 α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

2.1 基本原理

因?yàn)棣?β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)采用ACR和ASR雙閉環(huán)控制，雙向輸出限幅，所以可以在其允許的最大電流限制內(nèi)進(jìn)行起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 α=β配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 運(yùn)行狀態(tài)分析

2.3 仿真環(huán)境設(shè)置

SIT(simulationinterfacetoolkit)是NI虛擬儀器特定的仿真接口工具包，它為L(zhǎng)abVIEW直接控制Simulink仿真的mdl文件提供了方便的工具[9-10]。用戶可以運(yùn)用虛擬儀器所具有的豐富的界面來(lái)作為Simulink仿真的輸入和輸出，而且還能夠使用虛擬儀器來(lái)搜集已經(jīng)編好的程序，并將其連接到Simulink，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真。

LabVIEW仿真接口工具包中包括的組件有Model、HostVI、SITServer、HostComputer、ExecutionHost等。SITServer在端口6011上運(yùn)行。圖3為一個(gè)模型的工作流程。在HostVI中，如果SITServer已經(jīng)配置完成，就能進(jìn)行HostVI與SITServer之間的通信。這時(shí)，用戶就可經(jīng)過(guò)主機(jī)VI的前面板來(lái)改變相應(yīng)的參數(shù)。

圖3 模型的工作流程

一般地，仿真界面工具包配置的SimulationInterfaceToolkit在服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行Matlab軟件，用戶可以通過(guò)配置SITServer來(lái)啟動(dòng)一個(gè)不同的端口。例如:如果安裝的Matlab文件是只讀的，仿真工具包就不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行SITServer，信號(hào)探測(cè)器模塊就不會(huì)出現(xiàn)在Matlab/Simulink的相關(guān)窗口中。若要顯示，則需將以下語(yǔ)句添加到matlabrc.mfile文件夾中。

Addpath(′X:SimulationInterfaceToolkitlib′);NISIT-Addpaths;NISITServer;

其中，X為安放仿真工具包的硬盤區(qū)域。如果在Matlab運(yùn)行窗口中顯示:

>StartingtheSITServeronport6011 >SITServerstarted

說(shuō)明SITServer正在正常運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下:

(1) 配置SIT實(shí)現(xiàn)LabVIEW與Simulink的通信；

(2) 設(shè)計(jì)并調(diào)試Simulink模型；

(3)LabVIEW程序設(shè)計(jì)[11-12]，包括前面板，程序框圖等，前面板如圖4所示，程序框圖如圖5所示；

(4) 程序運(yùn)行及調(diào)試,包括LabVIEW對(duì)Simulink的調(diào)用，LabVIEW程序的運(yùn)行等。

圖4 系統(tǒng)前面板

圖5 系統(tǒng)程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在給定電壓為7V時(shí)，由于ACR的作用，圖6中下圖的電流曲線迅速接近最大值；上圖中轉(zhuǎn)速曲線上升，0.4s左右轉(zhuǎn)速即超調(diào)，這時(shí)電流開始下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線穩(wěn)定在1 000r/min左右。1.5s時(shí)給定信號(hào)反向，電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線開始下降；電流曲線下降到零以后，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速曲線為零后，電動(dòng)機(jī)處于反向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果是一致的。

圖6 仿真結(jié)果圖(上圖為轉(zhuǎn)速曲線，下圖為電流曲線)

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明:基于Simulink的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得出的結(jié)果很清晰，實(shí)驗(yàn)便于學(xué)生理解，而且可以方便地通過(guò)連續(xù)改變參數(shù),完成不同的實(shí)驗(yàn)，也可以較快地確定各參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。虛擬儀器應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，可以減少對(duì)硬件設(shè)備的需求，降低實(shí)驗(yàn)成本。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求和個(gè)人愛好開發(fā)自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這一平臺(tái)能更好的調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

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Design of a virtual experimental platform for motion control system based on LabVIEW and Simulink

Xing Xuening, Zhang Housheng, Ji Hua

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

The experimental platform for the motion control system is developed. Using SIT toolkit to communicate LabVIEW and Simulink, combining the LabVIEW graphic display and Simulink data processing, the experimental results will be presented conveniently, intuitively, which can reduce the experimental cost, improve the students’ interest in learning, and can also give full play to the independent innovation ability of students.

motion control system; virtual experiment; Simulink; LabVIEW; SIT

2015- 02- 09

山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(J11LG25)；山東理工大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(12012)

邢雪寧(1978—)，男，山東淄博，碩士，副教授，主要從事自動(dòng)控制技術(shù)相關(guān)的教學(xué)與科研工作.

E-mail：sdutxing@163.com

TP276；TP391.9

A

1002-4956(2015)8- 0114- 04