《控制工程基礎(chǔ)》虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉田正 李智

摘要：根據(jù)《控制工程基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，該文提出了建立基于Labview的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。該軟件包含了課程教學(xué)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，本軟件的交互式接口和良好的界面特點(diǎn)可以出色地完成教學(xué)中的模擬實(shí)驗(yàn)，以便更好地幫助學(xué)生理解、消化、吸收學(xué)習(xí)內(nèi)容，重點(diǎn)解決教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中的一些難點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞：《控制工程基礎(chǔ)》;虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái);教學(xué);Labview

中圖分類號(hào)：G482 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）14-0390-03

一、引言

《控制工程基礎(chǔ)》課程是原理性強(qiáng)、理論性高的一門課程，本課程設(shè)計(jì)多個(gè)知識(shí)方面，需要抽象的理解，是一門具有一定難度的理論課程。對(duì)于該課程來說，知識(shí)理解是一方面，最重要的是實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。實(shí)踐是領(lǐng)悟真理的前提，只有大量的實(shí)驗(yàn)積累才能對(duì)理論知識(shí)和原理內(nèi)容有綜合性的理解[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，軟件與硬件的技術(shù)也在不斷發(fā)展，儀器的虛擬化與軟件化已經(jīng)成為未來科學(xué)研究的發(fā)展方向，當(dāng)虛擬技術(shù)被用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，就不需要購(gòu)進(jìn)大批昂貴的實(shí)驗(yàn)器材與設(shè)備，針對(duì)某一實(shí)驗(yàn)，僅需擁有一套虛擬軟件再利用電腦進(jìn)行教學(xué)就可獲得令人滿意的教學(xué)實(shí)驗(yàn)成果。此軟件可以在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且可以顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。

二、總體設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于美國(guó)NI公司生產(chǎn)的Labview軟件，此軟件方便、靈活、易操作，學(xué)生使用方便，能夠隨時(shí)隨地地進(jìn)行軟件模擬實(shí)驗(yàn)，該軟件系統(tǒng)還可提供《自動(dòng)控制原理》課程中的實(shí)驗(yàn)，用于學(xué)生仿真與學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，此軟件可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)變得更為生動(dòng)、有趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量[2]。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不僅具有《控制工程基礎(chǔ)》課程中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括時(shí)域分析、頻域分析、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析和綜合與校正，而且根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要增加了通俗易懂的綜合實(shí)驗(yàn)，其中包括飛機(jī)俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)和天線跟蹤控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)控制工程抽象概念的理解。實(shí)驗(yàn)采用模塊化思想，各個(gè)模塊可獨(dú)立使用，且當(dāng)需要時(shí)可作為一個(gè)整體使用。虛擬實(shí)驗(yàn)整體平臺(tái)如圖1所示。在系統(tǒng)前面板的菜單欄選擇要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)就可以方便地進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的實(shí)現(xiàn)

以Labview為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面簡(jiǎn)單，參數(shù)改變方便，包含了《控制工程基礎(chǔ)》中常見的五個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)以及兩個(gè)示例系統(tǒng)。在整合化的歡迎界面中，只需在菜單欄點(diǎn)擊不同的實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)入，圖2為開始界面。

下面以《控制工程基礎(chǔ)》課程中的控制系統(tǒng)的綜合與校正為例具體說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^串聯(lián)校正系統(tǒng)調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。校正是《控制工程基礎(chǔ)》中的重難點(diǎn)，實(shí)踐中常常會(huì)遇到設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)不能同時(shí)滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的問題，這時(shí)必須釆取校正措施來改善系統(tǒng)的性能，以滿足性能指標(biāo)的要求，但在教學(xué)中教師要做詳細(xì)的推導(dǎo)與描述，花大量的時(shí)間推導(dǎo)對(duì)比校正前與校正后的系統(tǒng)，然后再通過理論分析讓學(xué)生掌握校正概念，這樣的教學(xué)枯燥無味，學(xué)生難以理解[3]。我們使用了Labview及其控制與仿真工具包仿真了校正系統(tǒng)。在前面板中，設(shè)置校正函數(shù)G1（S）與受控對(duì)象G2（S）參數(shù)，并確定選項(xiàng)測(cè)量元件H（S）后可得到閉環(huán)系統(tǒng)波特圖和階躍響應(yīng)。例如設(shè)系統(tǒng)校正前為不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)超前校正后系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，通過圖3與圖4所示，可清晰地對(duì)比出校正前后波特圖與階躍響應(yīng)的區(qū)別，使學(xué)生更加直觀地理解與學(xué)習(xí)校正的概念。圖5為校正系統(tǒng)程序框圖。

四、綜合示例的實(shí)現(xiàn)

在教學(xué)過程中，學(xué)生只通過課本上晦澀難懂的表達(dá)式以及推導(dǎo)過程難以理解概念，也無法對(duì)《控制工程基礎(chǔ)》課程有綜合性的掌握。示例實(shí)驗(yàn)可使教學(xué)變得更加直觀，并且可以化抽象為具體，使控制工程基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容具體清晰，通俗易懂。以飛機(jī)俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行講解，本示例通過建立如圖6所示的飛機(jī)尾翼輸入與俯仰姿態(tài)輸出之間的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)校正系統(tǒng)，通過調(diào)整補(bǔ)償裝置參數(shù)使系統(tǒng)滿足條件，使其對(duì)階躍輸入的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量滿足相應(yīng)要求，如圖7所示。因建模的傳遞函數(shù)只通過調(diào)整比例無法滿足要求，所以必須加入校正系統(tǒng)，本示例從設(shè)置比例控制器開始到補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)再到調(diào)整超前補(bǔ)償，引導(dǎo)學(xué)生一步步地學(xué)習(xí)如何加入校正、如何設(shè)置校正函數(shù)以及校正的作用，使學(xué)生對(duì)校正有了更加深層次的理解。

五、結(jié)語

本教學(xué)軟件不僅含有《控制工程基礎(chǔ)》課程中的基本實(shí)驗(yàn)，還具有綜合示例系統(tǒng)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課程的深層次理解，讓學(xué)生更好地理解控制的概念，提高了用控制系統(tǒng)解決實(shí)際問題的能力。將基于Labview的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中，充分發(fā)揮Labview編程語言的簡(jiǎn)易性與靈活性的特點(diǎn)，使《控制工程基礎(chǔ)》課程中的分析方法和處理結(jié)果能夠被學(xué)生直觀地領(lǐng)會(huì)和理解，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)驗(yàn)效果以及調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性都有非常好的作用與效果[4-6]。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract：According to the need of experimental teaching in the course of "Control Engineering Foundation"，this paper puts forward the establishment of virtual experimental teaching software based on Labview.The software includes the basic experiment and comprehensive innovation experiment in the course of teaching.The interactive interface and good interface characteristics of the software can accomplish the simulation experiment in teaching excellently，so as to help students understand，digest and absorb the learning content better，and focus on solving some difficult problems in the course of teaching and experiment.

Key words："Control Engineering Foundation";virtual experiment platform;teaching;Labview