基于LabView的控制工程虛擬實驗平臺設計

王萌

摘 要：《控制工程基礎》在理工科高校中扮演著重要角色，然而由于其復雜的數學計算模型和較強的理論性，學生學習起來尤為困難。為了培養學生分析系統、設計系統的能力，課題設計了一套基于LabView軟件的控制工程虛擬實驗平臺。該平臺集成了控制理論中的典型模型，且將其巧妙集成為目錄形式再生成可執行文件，允許用戶在不安裝LabView開發系統的情況下運行該VI。此平臺操作靈活，易于擴展，具有一定的實驗教學價值。

關鍵詞：控制工程；LabView；系統仿真；實驗教學

中圖分類號：TP15 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.025

《控制工程基礎》是高等理工科院校一門重要的專業基礎課程，理論性強，數學計算和分析的要求比較高，需要學生掌握系統參數變化對系統性能的影響，從而達到分析系統、設計系統的目的。

為了培養學生這方面的能力，除了理論教學外，實驗教學也是其中不可缺少的環節。在硬件實驗臺上，同學們可以實際搭建電路，一方面，鍛煉自己的動手能力，另一方面，通過搭建電路能加深對實驗原理的理解。由于實驗設備本身老化或其他問題，會讓實驗結果存在很大誤差，所以，有必要開發虛擬實驗臺實現計算機模擬演示，以此作為對硬件實驗的補充。本課題設計了一套基于LabView軟件的控制工程虛擬實驗平臺，該平臺集成了控制理論中的典型模型，可以連續任意地改變參數觀測實驗現象，更有利于學生對知識點的理解，且將其巧妙地集成為目錄形式再生成可執行文件，允許用戶在不安裝LabView開發系統的情況下運行該VI。

1 系統方案介紹

利用LabView軟件專業版的控制系統與仿真工具包中的部分模塊開發控制工程各個實驗模塊，并形成目錄。其涵蓋了《控制工程基礎》課程的內容包括典型環節，一、二階系統，高階系統數學模型的建立，時域分析，頻域穩定性研究，系統的校正，非線性系統和線性離散系統的分析以及典型特例仿真。根據內容的不同，建立獨立的子VI程序，利用傳遞函數顯示出來的特性曲線可以在很大程度上減小誤差。另外，改變傳遞函數的參數，可以動態觀測系統特性曲線的變化。

為了完善系統的管理和應用，本設計還利用樹形控件將所含內容集合為樹形目錄置于主程序之中，并在主程序中建立大小合適和位置合適的子板面。在后面板，利用事件結構的屬性節點，通過目錄標識符從邏輯上將子VI與主程序鏈接起來。這樣使用起來更加方便，界面更加友好。

利用NI提供的項目管理工具生成可執行文件和程序安裝包，允許用戶在不安裝LabView開發系統的情況下運行該VI。這樣做，在很大程度上方便用戶直接使用。該系統結構如圖1所示。

2 虛擬實驗平臺創建過程

2.1 前面板設計

在LabView下創建文件并命名為“控制工程虛擬實驗室”， 在其前面板中添加“樹形”控件，命名為模塊選擇，并在樹形控件中編輯各子VI名稱，包括典型環節，一、二階系統，高階系統數學模型的建立，時域分析，頻域穩定性研究，系統的校正，非線性系統和線性離散系統的分析等。根據邏輯關系，確定子VI的目錄等級，最終形成樹形目錄，之后在主程序中添加“子面板”控件來確定、顯示子VI的打開位置。主程序前面板如圖2所示。

2.2 后面板設計

在主程序后面板上利用“平鋪式順序結構”確定事件執行的順序，在第一幀中建立“while循環”控件，以控制整個程序的運行，并添加“事件結構”。利用其屬性節點調用和打開不同的子VI，在“事件結構”中選擇添加事件分支選項，添加2個分支。

2.3 子VI連接

分支0處理的事件為利用事件結構的屬性節點，通過目錄標識符從邏輯上與子VI連接起來，將標識符所代表的字符串與“.VI”用連接字符串控件連接起來，比如“二階系統時域響應分析.VI”。同時，用拆分路徑控件和創建路徑控件將當前VI路徑（如"E：＼labView＼控制工程虛擬實驗室.VI"）與所選子VI連接起來，將路徑改為"E：＼labView＼二階系統時域響應分析.VI"，然后用“打開VI引用”控件并調用屬性節點來打開當前路徑所指的子VI文件，即完成一次子VI的打開。

2.4 主程序的退出

在分支1處理中添加停止按鈕來退出當前子VI循環，但不能直接關閉主程序。為了解決這一問題，在“平鋪式順序結構”的第二幀中，用拆分路徑控件和創建路徑控件將當前路徑更改為主程序所在路徑，即"E：＼labVIew＼控制工程虛擬實驗室.VI"，然后用“打開VI引用”控件并調用屬性節點來關閉當前路徑所指的VI文件，即退出主程序。其后面板如圖3所示。

3 子系統介紹

控制工程虛擬實驗平臺的子系統包括典型環節，一、二階系統，高階系統數學模型的建立，時域分析，頻域穩定性研究，系統的校正，非線性系統和線性離散系統的分析以及典型特例仿真。這里，我們選擇二階系統和系統校正加以介紹。

3.1 二階系統

圖4為二階時域系統分析的前面板，它是利用LabView控制工具包模塊仿真得到的一個典型的二階系統單位階躍響應曲線。從圖中可以看到，二階系統傳遞函數為，增益為1，阻尼比為0.5，固有頻率為50 Hz。該系統存在一定的超調量，但是，系統會很快趨于穩定。左下方是阻尼比和固有頻率滑動桿，通過移動滑動桿來改變系統參數，在右上方觀察圖形改變。調整改變阻尼滑動桿，系統時間、超調量都會發生改變；而改變固有頻率，超調量不會發生變化。中間上半部分的顯示控件顯示，改變阻尼比和固有頻率時，系統性能參數的具體數值與圖形顯示曲線變化規律一致。

對于頻域特性的仿真，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，再增添相應的輸入控件、顯示控件、圖形控件即可。圖5為二階系統的頻域分析圖，當更改系統增益和時間常數時，可快捷、方便地看到曲線發生相應的變化，分析其頻率特性，判斷其穩定性。

3.2 系統校正

系統的性能指標是根據它所要完成的具體任務規定的，而在一般情況下，幾個性能指標的要求往往是相互矛盾的。例如，減小系統的穩態誤差往往會降低系統的相對穩定性，甚至導致系統不穩定。此時，要滿足主要性能指標，再通過校正環節達到所期望的性能指標。 該平臺中建立了常用的3種系統校正方式，即串聯校正、PID校正、反饋校正。PID系統校正如圖6所示。從圖6中可以看出，校正前，系統穩定在50 s左右，而加入PID校正后，雖然存在一定的超調量，但在20 s左右，系統就已經進入平穩狀態。

4 結束語

本設計利用LabView軟件完成了控制工程虛擬實驗平臺的設計，基于系統模型的建立加深對理論知識的學習和理解，以彌補當前實驗硬件條件的不足，從而實現理論與實踐相結合的教學目標。

參考文獻

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