基于LabVIEW的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂恩勝

摘 要：自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是電氣、控制和機(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的虛擬自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用LabVIEW流程圖編程語言，搭建了課程中常見的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自動(dòng)控制原理課程提供了一種新的輔助教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;自動(dòng)控制;虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）29-0016-03

Abstract： The experiment of automatic control principle is an important link for students majoring in electrical， control and machinery to learn the course of Automatic Control Principle. This paper designed an experiment system of virtual automatic control principle based on LabVIEW. By using LabVIEW flow chart programming language， a virtual experiment platform for common experiments in the course was built. The experimental platform provided a new assistant teaching means for the course of Automatic Control Principle.

Keywords： LabVIEW;automatic control;virtual experiment system

“自動(dòng)控制原理”課程是電氣、控制和機(jī)械等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要是培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力和方法，為工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。在“自動(dòng)控制原理”課程中，實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論知識(shí)的一個(gè)重要手段，通過實(shí)驗(yàn)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，并得到充實(shí)與提高。但在“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)也存在一些問題，如實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制、設(shè)備缺失或老化、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制、指導(dǎo)教師缺乏等。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的虛擬自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以不受時(shí)空限制，不用擔(dān)心設(shè)備損壞，學(xué)生能自由發(fā)揮，教師可以遠(yuǎn)程指導(dǎo)，有利于提高學(xué)生解決問題的能力，提高教學(xué)效果。

1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本原則

自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要能完成教學(xué)目標(biāo)，適合電氣、控制和機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知水平，解決課堂教學(xué)只顧公式推導(dǎo)，不能演示其原理等問題，通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幫助學(xué)生理解、消化“自動(dòng)控制原理”課程所學(xué)復(fù)雜的理論知識(shí)[2-4]。在PC機(jī)上，教師、學(xué)生很容易進(jìn)入、運(yùn)行、暫停和退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，軟件用戶界面友好，仿真參數(shù)的輸入、輸出接口設(shè)置合理，有命令提示，操作方便、簡(jiǎn)單、易于掌握，整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)格一致。

2 LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)子實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

2.1 基于LabVIEW自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)單，輸入?yún)?shù)方便，點(diǎn)擊按鈕即可操作。自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了課程中常見的8個(gè)實(shí)驗(yàn)。具體LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括以下子實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一：一階系統(tǒng)時(shí)域分析;實(shí)驗(yàn)二：二階系統(tǒng)時(shí)域分析;實(shí)驗(yàn)三：線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;實(shí)驗(yàn)四：線性系統(tǒng)的頻率分析;實(shí)驗(yàn)五：線性系統(tǒng)的根軌跡;實(shí)驗(yàn)六：二階系統(tǒng)的PID校正;實(shí)驗(yàn)七：非線性系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)八：離散系統(tǒng)的分析與校正。具體見圖1。

本文以“自動(dòng)控制原理”課程中典型二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析為例，闡述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想和使用方法。在控制系統(tǒng)中，機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量-彈簧-阻尼器，電氣系統(tǒng)的電阻-電感-電容等，控制的類型和元件在物理結(jié)構(gòu)上千差萬別，但在微分方程上都是二階微分系統(tǒng)，即使是高階系統(tǒng)，在一定條件下也可以降階為二階系統(tǒng)，足見二階系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中的重要性。接下來以二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)。

2.2 基于LabVIEW二階系統(tǒng)時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在“自動(dòng)控制原理”課程中，輸入信號(hào)為[Rs]，輸出信號(hào)[Cs]，典型二階系統(tǒng)，拉普拉斯逆變換得到時(shí)域響應(yīng)結(jié)果均具有如式（1）[1]所示的形式：

2.3 欠阻尼二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程分析

在式（3）欠阻尼二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)中，令

2.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作面板設(shè)計(jì)

根據(jù)式（1）至式（10），對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用LabVIEW的Control Design and Simulation Module模塊，設(shè)計(jì)如圖2所示的操作面板。

在設(shè)計(jì)的虛擬自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每個(gè)子實(shí)驗(yàn)界面主要由4部分組成[2]，分別為：傳遞函數(shù)的設(shè)置、極點(diǎn)與參數(shù)、動(dòng)態(tài)性能和單位階躍響應(yīng)曲線。傳遞函數(shù)的設(shè)置部分：在實(shí)驗(yàn)界面的左上側(cè)輸入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分子、分母，可以設(shè)計(jì)所需要的傳遞函數(shù);極點(diǎn)與參數(shù)部分：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算得到所設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)、自然頻率[ξ]、阻尼比[ωn]的具體數(shù)值;動(dòng)態(tài)性能部分：傳遞函數(shù)在單位階躍信號(hào)的輸入驅(qū)動(dòng)下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算得到上升時(shí)間[tr]、峰值時(shí)間[tp]、超調(diào)量[σ%]、調(diào)節(jié)時(shí)間[ts]和穩(wěn)態(tài)裕度等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo);單位階躍響應(yīng)曲線部分：在網(wǎng)格背景下以曲線形式顯示實(shí)驗(yàn)瞬態(tài)結(jié)果，自動(dòng)控制原理二階系統(tǒng)時(shí)域分析虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所示操作面板，后面板程序圖如圖3所示。

在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)過程中，利用基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)，設(shè)置不同系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，得到不同的結(jié)果響應(yīng)，然后將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，可以更好地提高學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在開發(fā)過程中充分利用了LabVIEW圖形化編程語言、人機(jī)界面友好、操作方便的特點(diǎn)，也充分利用了LabVIEW軟件可以代替儀器功能的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用于自動(dòng)控制原理的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，學(xué)生可以更好地理解控制理論的精髓，在教學(xué)中，大大提高學(xué)生的自主性和積極性，保證了學(xué)習(xí)效果，也提高了教師的教學(xué)效果，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)所需要的場(chǎng)地和設(shè)備經(jīng)費(fèi)等。

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