錢稷　周娟　唐娟　邸葆

摘 要：根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)對《設(shè)施環(huán)境自動控制》課程實驗的需要，本文利用Labview軟件設(shè)計了一套課程實驗教學(xué)系統(tǒng)。本實驗系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，在實驗環(huán)節(jié)設(shè)置上，除了《自動控制原理》課程中常見的基礎(chǔ)性實驗外，還包括水位控制系統(tǒng)設(shè)計、溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計和綜合實驗等。此系統(tǒng)解決了實驗教學(xué)中儀器設(shè)備缺少的問題，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和使用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，非常適合該專業(yè)學(xué)生的實驗教學(xué)。

關(guān)鍵詞：Labview;設(shè)施環(huán)境自動控制;實驗系統(tǒng)

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)是一門農(nóng)業(yè)與工程相結(jié)合的新興專業(yè)。《設(shè)施環(huán)境自動控制》是該專業(yè)中的工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是一門講述在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中如何應(yīng)用自動控制理論的重要課程。該課程理論性較強，教學(xué)內(nèi)容抽象，又與工程數(shù)學(xué)緊密結(jié)合，所以在學(xué)習(xí)過程中需要通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)輔助學(xué)生深刻理解和運用理論知識[1]。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)是一個交叉學(xué)科，單方面的工程或農(nóng)業(yè)技術(shù)并不能滿足它的實驗教學(xué)需求，與之配套的相關(guān)實驗儀器少之又少。同時在傳統(tǒng)的自動控制實驗教學(xué)中，電子儀器起著主導(dǎo)作用，這些儀器大多是以電子元器件等硬件或固化的軟件形式存在的[2]，不利于該專業(yè)學(xué)生對實驗原理的理解和掌握，同時也不適合《設(shè)施環(huán)境自動控制》實驗的要求。所以有必要研究一套適合該專業(yè)學(xué)生開展《設(shè)施環(huán)境自動控制》實驗的系統(tǒng)。

Labview是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行的集成化環(huán)境，它通過計算機軟件把通用計算機和基本的信號采集硬件有機結(jié)合起來，完成傳統(tǒng)儀器所具有的和無法具有的功能。虛擬儀器以其應(yīng)用方案靈活、性能提高快、系統(tǒng)尺寸更小、易集成和擴展及更低的綜合成本，給測量測試和自動化領(lǐng)域以及教學(xué)實驗和科學(xué)研究帶來了巨大變化，在實驗室的現(xiàn)代化建設(shè)中應(yīng)用虛擬儀器已成為一大趨勢，并得到廣泛的應(yīng)用。

將Labview技術(shù)應(yīng)用于《設(shè)施環(huán)境自動控制》的實驗教學(xué)，開發(fā)一套實驗教學(xué)軟件，可以克服該專業(yè)教學(xué)實驗儀器設(shè)備缺少的現(xiàn)狀;由于其圖形化的編程語言，大大減少了學(xué)習(xí)和開發(fā)時間，給程序開發(fā)帶來了便利;同時該教學(xué)軟件人機交互界面良好，便于學(xué)習(xí)和使用，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，非常適合該專業(yè)學(xué)生的實驗教學(xué)。

1 實驗系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本實驗系統(tǒng)在實驗項目設(shè)置上根據(jù)學(xué)生理論課程的學(xué)習(xí)進度和對理論知識的理解程度，將實驗劃分為基礎(chǔ)性項目和拓展性項目兩大類。具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 實驗項目設(shè)置

2 實驗系統(tǒng)實現(xiàn)方法

本實驗系統(tǒng)不僅能夠完成《設(shè)施環(huán)境自動控制》課程中針對于系統(tǒng)分析、設(shè)計的實驗內(nèi)容，還可以進行綜合實驗，各個實驗?zāi)K作為實驗系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用Labview實現(xiàn)時均為子VI的形式。學(xué)生在做實驗時打開軟件以后進入到系統(tǒng)主界面，在主界面中包含了所有實驗?zāi)K的子VI調(diào)用控件，控件的標簽名稱為該實驗項目的名稱。實驗項目分為基本項目和拓展項目兩大類，學(xué)生可以根據(jù)理論學(xué)習(xí)的進展和深度選擇合適的實驗項目。

2.1主程序設(shè)計

運行Labview應(yīng)用程序，在文件中選擇創(chuàng)建VI項目。在其前面板上添加十個布爾開關(guān)控件，標簽顯示為實驗項目的名稱，在程序框圖界面將各個控件分別連接到各個實驗?zāi)K（即各個獨立的實驗?zāi)K以子VI的形式出現(xiàn)在主程序中，等待調(diào)用），當點擊要操作實驗項目的名稱即可進入相應(yīng)程序的界面。

程序框圖，通過while循環(huán)以及條件結(jié)構(gòu)，將各個實驗?zāi)K以子VI的形式連接到對應(yīng)標簽的布爾開關(guān)控件上。

2.2實驗?zāi)K設(shè)計

以二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗?zāi)K為例，該實驗可以觀察在不同阻尼比ζ和角頻率ω作為輸入時二階系統(tǒng)的輸出隨時間變化的曲線，并且可以求出時域性能指標，包括超調(diào)量σ%、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts[3]。

運行Labview應(yīng)用程序，創(chuàng)建新VI項目，將會彈出項目的前面板和程序框圖面板，在前面板中添加兩個系統(tǒng)-修飾-系統(tǒng)標簽控件，分別作為實驗?zāi)K的標題和實驗內(nèi)容介紹;兩個數(shù)值輸入控件，分別用于輸入二階系統(tǒng)參數(shù)阻尼比ζ和角頻率ω;三個數(shù)值顯示控件，分別顯示系統(tǒng)性能指標σ%、tp和ts;一個圖形顯示控件，功能是顯示二階系統(tǒng)響應(yīng)曲線;一個布爾開關(guān)控件，用于停止系統(tǒng)運行;最后合理調(diào)整各個控件的擺放位置，保持整齊美觀，界面如圖3所示。

在程序框圖面板中添加MATLAB腳本控件、重排數(shù)組維數(shù)控件、時鐘控件。MATLAB腳本控件上添加輸入輸出，寫入文本程序，最后對應(yīng)連接各個控件，為了配合輸入量的改變時系統(tǒng)可以持續(xù)輸出對應(yīng)曲線，此系統(tǒng)也添加了While循環(huán)結(jié)構(gòu)。添加延時為100ms，期間檢測到ζ和ω改變，其變化曲線會顯示在前面板的圖形控件上，靜態(tài)指標也會對應(yīng)的顯示。

點擊前面板菜單欄運行按鈕，設(shè)置系統(tǒng)的阻尼比為0.5，角頻率為5，顯示出對應(yīng)的欠阻尼情況下系統(tǒng)響應(yīng)曲線以及對應(yīng)的動態(tài)性能指標的值。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的基于虛擬儀器的實驗教學(xué)系統(tǒng)使用簡單、方便，人機交互界面友好，開發(fā)成本低、時間短，很好地解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的實驗室資源受限的問題，同時加強了學(xué)生對理論知識的理解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，增強了學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實踐的能力。

參考文獻

[1]熊姍霞，蘇韜.基于LabVIEW的自動控制原理實驗教學(xué)改革的思考[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，33：103.

[2]孫炳達.自動控制原理[M].機械工業(yè)出版社，2016.

作者簡介：

錢稷：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，講師，研究方向：環(huán)境調(diào)控與逆境生理。

項目支撐：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)第十批教學(xué)研究項目2018YB71。