自動控制原理虛擬實驗平臺的設計與應用

楊繪弘

摘 要：采用虛擬實驗平臺對于提高實驗效率和準確性有著積極的意義，目前在我國正成為研究、設計、開發的熱點。文章對自動控制原理虛擬實驗平臺的設計、研制、應用進行了分析，結合其特點和功能，提出了虛擬實驗平臺的一些設計思路。

關鍵詞：自動控制原理；虛擬實驗平臺；設計；應用

一、虛擬實驗平臺的設計

1.設計策略

在實驗中，如果用物理實驗設備作為檢測方法，那么需要實驗儀器（通常包括通用示波器、信號發生器、記錄儀、模擬計算機）中的三種同時工作，如果實驗的人數很多，那么就會用到大量的實驗儀器，非常不劃算，因此虛擬實驗平臺必須解決這一問題，在虛擬實驗平臺上實現每個實驗儀器的使用，提高實驗效率和實驗的科學性。

2.功能設計

虛擬實驗開始既要發揮通用示波器、信號發生器、記錄儀和模擬計算機等實驗儀器的作用，又要為驗證性試驗提供有效的分析工具，如頻率特性、時域特性等，還要為設計性實驗提供典型環節，如積分環節、比例環節、慣性環節等。

3.硬件設計

虛擬實驗平臺的硬件采用通用PC數據采集卡，主要的技術指標為：16路模擬輸入，采樣速率100kHz，輸入電壓+10V，2路模擬輸出，輸出速率為100kHz，輸出電壓+10V。

4. 軟件設計

采用美國NI公司的虛擬儀器編程語言來進行自動控制原理虛擬實驗平臺的軟件設計和研發，該編程語言以ANSIC為核心，將C語言與用于信息收集、分析和表達的專業工具巧妙地結合，其集成化開發平臺、交互式編程方法大大提高了C語言的能力，對虛擬實驗平臺的軟件設計有巨大的幫助。

二、主要功能和技術指標

1.PC數據采集卡的輸入/輸出接口設計

PC數據采集卡底層I/O操作的效率對虛擬實驗平臺的性能影響重大，也是虛擬實驗平臺的關鍵。因此必須選用高性能PC數據采集卡，同時運用基于DMA的高速數據采集技術，完成大吞吐量的模擬輸入信號采集。

2. 數據顯示、存儲和打印的設計

數據顯示是實驗教學過程中的常用功能，實時曲線能夠提供及時的數據變化情況，要對數據進行更加詳細的分析，必須加強數據存儲的功能，存儲方式、存儲速率對提高數據存儲的功能有著重要意義，而實驗結果和數據打印的特點在于能將許多曲線繪制在一張圖上，能將許多張圖繪制在一張紙上并進行標注和詮釋。

3. 頻率特性測試的設計

通過信號發生器產生不同的信號，輸入到被檢測的系統中，再測量被檢測系統的輸出，計算獲得幅頻特性，同理可得相頻特性。

4. 通用超前—滯后環節的實現

可分為模擬式實現和數字式實現。其中，模擬式實現是運用連續系統仿真技術，在短時間間隔內實現上述環節的實時計算，這種環節性能甚至比模擬計算機更加穩定。

三、應用實例

1. 測量二階系統的時域響應測試

由虛擬實驗平臺的信號發生器產生周期為1600x10ms、幅值為2000mv的方波信號，通過測試得到系統的階躍響應，減小系統的開環增益，通過虛擬實驗平臺的瀏覽波形功能，將開環增益變化前后的系統階躍響應波形重疊顯示，通過對比分析，掌握比例控制對系統性能造成的影響。

2. 線性系統性能分析和串聯校正

已知單位反饋系統不可變部分的開環傳遞函數，要求系統校正后滿足相關指標：靜態速度誤差系數為30，截止頻率為7rad/s，相角裕度不小于45°，設計一個串聯校正裝置。為了滿足這些要求，取開環增益為30，帶入原系統求得截止頻率為9.75rad/s，相角裕度為-17.2°，系統不穩定，需減小截止頻率，可通過串聯滯后網絡的方式使截止頻率和相角裕度滿足要求。

自動控制原理虛擬實驗平臺自從問世以來，已經在許多領域發揮了重要作用，在實踐應用中，虛擬實驗平臺的功能得到不斷的完善，隨著技術的發展和進步，自動控制原理虛擬實驗平臺將會在更多領域發揮更重要的作用，推動社會的發展。

參考文獻：

[1]王 瑛，蔡 勛，王 晶.自動控制原理虛擬實驗平臺的設計與應用[J].實驗技術與管理，2003（4）：52-56.

[2]邵宏文.自動控制原理虛擬實驗平臺的設計開發[J].科技創新與應用，2013（34）：20-21.endprint