基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗的構建

黃代政 李文 韋妙靈 林偉龍 覃茂昌

[摘 要]采用LabVIEW虛擬儀器技術進行自動控制原理實驗，不僅有利于學生通過程序設計的過程在程序框圖上更直觀地理解自動控制理論，在程序運行上能夠更動態地演示參數變化對輸出結果的影響，加深學生對知識的理解，而且能夠突破教學實驗學時和實驗空間的限制，降低實驗成本，是傳統實驗的一種有效補償與提高改進。

[關鍵詞]LabVIEW；自動控制原理；實驗

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）10-0086-03

一、自動控制原理實驗存在的問題

自動控制原理課程是我校生物醫學工程專業（醫療器械方向）的一門專業主干課程。其開設目的是通過該課程教學，讓學生掌握自動控制原理的基礎知識，學習掌握經典控制的基本理論、基本方法和控制系統的基本設計方法。該課程的主要內容包括控制系統的數學模型、控制系統的時域分析法、控制系統的根軌跡法、控制系統的頻域分析法、控制系統的常用校正方法等[1][2]。由于課程理論性強，涉及數學知識多，包含有大量的公式推導和運算，學生在學習過程中普遍感覺內容抽象，難于理解。為了讓學生更好地理解和掌握知識，開設一定量的實驗課是非常有必要的。

目前，國內自動控制原理實驗所開設的內容一般包括二階系統的階躍響應實驗、二階系統的頻域響應實驗、線性系統的穩定性實驗、采樣控制系統實驗、控制系統的校正實驗、極點配置全狀態反饋控制實驗等，所使用的實驗儀器主要是實驗箱。這類儀器是把運算模塊獨立地內置在實驗箱的電路板下面，當需要進行某項實驗時，直接用短路板和導線將需要的模塊進行組合連接。盡管實驗設備所帶來的是實驗簡單方便，學生易于操作，但是學生不容易明白其工作原理，即使是沒有學過自動控制原理的人只要按照說明進行導線連接一樣能完成實驗。而且實驗電路比較單一，學生不能按照自己的意愿去設計更多的控制系統。另外一種實驗方法是采用倒立擺，這是自動控制原理實驗最經典的儀器。它具有系統的非線性、不確定性、耦合性、開環不穩定性、約束限制等特點，而且有多種類型的倒立擺供實驗者根據需要進行選擇。但唯一的缺憾就是它需要的實驗知識必須建立在電機學的學習基礎上，我校生物醫學工程專業的學生不開設這門課程。

對于理論系統性較強的自動控制原理，開設一定量的綜合設計性實驗是必要的和必需的。通過綜合設計性實驗，能夠培養學生的創新意識和創新能力，提高學生獨立分析問題和解決實際問題的能力，同時激發學生的學習興趣和學習積極性，對于培養具有創新素質的應用型人才具有重要的現實意義。然而，由于學習時間有限制，同時實驗材料的損耗，導致可完成的綜合設計性實驗不多。有限的綜合設計性實驗限制了學生對課程的掌握深度。因此，如何在有限的學時和有限的綜合設計性實驗中讓學生掌握好知識，改變傳統的實驗教學模式成為當務之急。

顯然，上述不管是單一知識點的自動控制原理實驗，還是綜合設計性實驗的教學，如果采用傳統實驗方法，將會限制通過實驗掌握理論的有效性開展，限制學生創新能力的提高，限制設計多樣性的發揮。因此，我們急需采用一種實驗方法，這種方法既能達到學生通過實驗掌握知識的目的，又能開拓學生思維、增強學生動手能力。

二、虛擬實驗簡介

《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高（2012）4號）精神指出：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗能夠虛實結合、相互補充，在涉及高?；驑O端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目。顯然，自動控制原理實驗非常適合采用虛擬仿真來解決。

在虛擬實驗中，由于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件的優勢，采用其開發的虛擬實驗得到了廣泛的應用。

LabVIEW是美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發平臺。是一種圖形化的編程語言，又稱為“G”語言，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣[3][4]。由于它的表現形式和功能類似于實際儀器，同時LabVIEW程序容易改變其設置和功能，因此其特別適用于實驗室、多品種小批量的生產線等經常改變設備參數和功能的場合。LabVIEW的程序稱為“VI”，每一個VI都有三個主要組成部分：前面板，框圖和圖標。1.前面板（front panel）：是VI的交互式用戶界面，它包括旋鈕，按鈕，圖形及其他控件（用于用戶輸入）和指示器（用于程序輸出）；2.框圖（block diagram） ：是VI的源代碼，由LabVIEW的圖形化編程語言即G語言構成，框圖是實際可執行程序； 3.選項板（palette）：提供了創建、編輯用戶VIs的前面板、框圖時所需要的一些選項，包括工具選項板、控件選項板和函數選項板[5]。

相對于傳統的標準儀器來說，由于LabVIEW是基于軟件的，所以具有更大的靈活性。通過LabVIEW開發的虛擬儀器是由用戶而不是儀器生產商定義儀器功能的。一臺計算機、數據采板卡和LabVIEW的結合就能夠變成一個可配置的虛擬儀器，并能完成用戶設定的任務。通過LabVIEW就可以用傳統儀器幾分之一的價格創建一個用戶所需要的虛擬儀器。當需要改變這個虛擬儀器的時候，只需幾分鐘的時間通過LabVIEW修改就可以了。通過將LabVIEW 軟件引入實驗教學環節，可以將抽象的概念轉變成形象、生動、直觀的圖形和實例。通過仿真實驗可以把課程中晦澀難懂的理論知識變得易于理解，更易激發學生學習課程知識的興趣，加深對抽象概念的理解，提高發現問題、分析問題和解決問題的能力[6]。

三、LabVIEW 在自動控制原理實驗中的應用

根據自動控制原理的課程安排，同時為了讓學生由淺入深學習LabVIEW，達到掌握自動控制原理知識的目的，設計了5個基本實驗和5個綜合性實驗。基本實驗具體為：1.基于Labview的二階系統瞬態響應。實現給二階系統輸入單位階躍信號，當兩個結構參數[ξ]和[ω]分別輸入不同值時，可以求出該二階系統的動態性能指標：超調量Mp、峰值時間tp和調節時間ts，并且可以輸出該二階系統的單位階躍響應曲線。2.基于Labview實現系統根軌跡圖繪制實驗。3.基于Labview系統頻率特性實驗。實現針對不同的傳遞函數，進行幅值、相位和頻率的測量，并可以畫出幅頻特性和相頻特性曲線。4.基于Labview的Nyquist圖的繪制及穩定性判斷。5.基于Labview實現PID控制功能。

限于篇幅，下文僅以“基于Labview實現PID控制功能”實驗為例，對LabVIEW 在自動控制原理實驗中的應用作說明。

PID控制是從比例、積分和微分三個環節來實現對系統控制的。常規PID控制系統原理框圖如圖1所示，該系統由模擬PID控制器和被控對象組成。

根據給定值[r（t）]與實際輸出值[c（t）]構成控制偏差：

對偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）計算后通過線性組合構成控制量，作用于被控對象，其控制規律為：

其中， [Kp]為比例環節，能成比例的反映控制系統的誤差，系統偏差一旦產生，調節器立即產生與其成比例的控制作用，以減小誤差；[Ki]為積分環節，為了消除穩態誤差，在控制器中引入積分項。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零；[Kd]為微分環節，微分項的引入即能起到反映誤差信號的變化趨勢，并能在誤差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，加快系統的動作速度，減少調節時間[7][8]。因此通過設計合理的[Kp、Ki、Kd]參數得到控制信號，驅動受控對象使誤差朝減小的方向變化，具有重要的意義。

基于LabVIEW 的控制是一種采樣控制，因此還需對（2）式進行數字化，數字化后的增量式PID 控制算法如下：

采用LabVIEW編程，得到的程序框圖根據不同的思路可以有不同的方式，但最終均會異曲同工。不同的框圖搭建，體現了解題思路的不同，對于學生來說，達到一題多解的目的。通過這種一題多解的形式，能夠激發學生靈活的思維，增強學生學習的興趣與成就感。

對于PID控制，其中一種程序框圖如圖2所示。由圖可見，程序的設計基本就是按照自動控制原理數學模型中框圖的形式，通過連線來實現。通過這種簡潔明了的框圖結構，學生非常容易理解課本的理論知識。在做參數設置過程中也非常的簡便，只需要用鼠標雙擊框圖，即可打開相應的選項進行修改。同時在實驗中，通過學生自行編寫LabVIEW程序框圖，得到程序框圖之后，可以任意調節目標值，初始值，取樣點。在固定任意兩個控制參數的情況下，調節第三個參數，觀察這一參數變化對輸出的影響情況，從而加深對PID控制參數對輸出結果的理解。設置好某一相應參數情況下，運行程序，界面如圖3所示。

四、自動控制原理虛擬實驗的優越性

采用LabVIEW進行虛擬實驗，具有很多的優越性：實驗要實現的功能完全交由用戶自己決定；軟件可以非常方便地與外設、網絡及其他應用進行連接；整個實驗的關鍵部分是軟件，通過調節軟件參數，可以實現和實物實驗一樣的結果，但是可節省大量的調試時間；相對于硬件設備，軟件價格低廉，而且最重要的是可重復利用；技術更新快，通過軟件可及時在線更新，能夠讓實驗室時刻緊跟技術發展的步伐；基于軟件體系的結構，大大節省開發維護費用；LabVIEW是一個跨平臺的開發工具，功能模塊可構成多種儀器。LabVIEW虛擬儀器適應了現代化生產和科學研究對儀器的多品種、高精度、功能強、 自動化程度高、實時性好的要求。在使用上，由于學生可以在宿舍自己電腦上安裝LabVIEW軟件，從而實驗就具有很高靈活性，不再受傳統的實驗教學模式的限制，無須固定在實驗室，也不用在規定的實驗課時內完成，打破了時間和空間上的局限性，有利于充分利用實驗和科研資源；在實驗效果上，虛擬實驗系統可以使學生獲得和真實實驗非常相似的實驗體會，加深對實驗的理解和認識，更好地掌握書本上的內容。因此，在充分挖掘現有實驗室資源的基礎上，充分利用LabVIEW虛擬儀器技術，構建有效的虛擬實驗系統，是自動控制原理課程實驗發展的必由之路。

五、結束語

通過LabVIEW對自動控制原理進行實驗，不僅可以讓學生多掌握一門編程語言，更重要的是通過簡潔的框圖編寫，加深學生對所學理論知識的理解，激發學生學習的興趣。同時，在實驗中，還能直觀、動態地看到參數的改變對實驗現象的影響。在現有實驗條件有限的情況下，采用LabVIEW虛擬儀器設計進行實驗，還可以節省實驗經費，耗材支出，對傳統實驗形成有效的補充與提高。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 胡壽松.自動控制原理（第六版）[M].北京：科學出版社，2018.

[2] 任彥碩.自動控制原理[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 張國強， 王斌， 趙靜.Matlab與LabVIEW在信號與系統課程輔助教學中的應用[J].實驗技術與管理， 2017（11）：145-148.

[4] 全曉莉， 周南權， 李雙，等.基于LabVIEW的數字信號處理虛擬實驗的構建[J].實驗技術與管理， 2011（10）：82-84.

[5] 李江全，任玲，廖結安，等.LabVIEW虛擬儀器從入門到測控應用130例[M].北京：電子工業出版社，2013.

[6] 全曉莉，古良玲.基于LabVIEW 的電子類虛擬實驗系統設計[J].實驗技術與管理， 2018（2）：121-123.

[7] 李揚， 謝暉， 陳侃.基于LabVIEW的PID控制系統設計與實現[J].中國測試， 2008（3）：74-76.

[8] 史峰，王輝，郁磊，等.Matlab智能算法30個案例分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[責任編輯：黃緊德]