虛擬儀器在機電控制系統課程教學中的應用與研究

摘要: 本文分析了原有機電控制系統課程在實踐教學中存在的弊端，提出了將理論課程教學與虛擬儀器技術結合的方法，從而提高學生實際動手能力，激發學生學習興趣和探索精神，實現實驗室教學與工業實際應用零距離的實踐教學新方案。

關鍵詞: 機電控制系統課程教學 虛擬儀器 應用實例

1.原有機電控制系統課程在實踐教學中存在的弊端

機電控制系統是以控制理論為基礎，密切結合工程實際的一門專業基礎課，是電氣自動化、機電一體化等專業的一門專業基礎課，它是將電機學、機電傳動、控制電機等課程有機結合而成的一門課程。對高職類學生的主要教學目標是使學生首先掌握各類工業常用傳感器的選用及具體應用方法，從而在此基礎上學會對整個系統進行綜合設計和分析。它以《電子技術》、《可編程序控制器》、《單片機技術》為基礎，教學的目的在于培養學生掌握電機的控制方法，并從理論逐步過渡到實際的工業控制系統，真正解決實際系統的中的有關問題。由于本課程應用性極強，單靠書本太抽象，學生聽起來枯燥乏味，因此實踐教學環節顯得尤為重要。然而傳統實驗手段的落后使得實踐教學環節只有兩種選擇:要么借助一些專用實驗設備做一些驗證性的實驗，了解一些簡單傳感器的工作原理;要么買一些工業用傳感器來示教。

這兩種方法都存在著一定的弊端，前者的缺點是學生在專用實驗設備上接觸到的只能是一些與工業實際傳感器差別較大的簡單傳感器，通過實驗，學生只能對傳感器的原理加深理解，在實際應用方面用處不大;而后者則因為各類工業傳感器的應用往往是在工業控制過程或某種特定測控對象中，傳感器的輸出又需要相應的信號處理與顯示，如果要在實驗室中真實再現各類傳感器的工業應用，不僅需要大量儀器、設備與資金的投入，而且其教學效果并沒有想象中的好。

2.虛擬儀器在機電控制系統課程教學中的應用

NI公司的LabVIEW是一種非常優秀的面向對象的圖形化編程語言，是一個開放型的開發環境，它使用圖標代替文本代碼創建應用程序，擁有大量與其它應用程序通信的VI庫。作為目前國際上主流的基于數據流的編譯型圖形編程環境，它可以把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員也可以按照測試要求和任務快速設計出自己的程序和儀器面板，大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術人員的工作量。

虛擬儀器作為目前測控領域的最新技術，已被廣泛應用于航天、航空、工農業生產各個領域。所謂虛擬儀器就是在通用計算機平臺上，用戶根據自己的需求來定義和設計儀器的測量功能。其具有各類標準的信號輸入輸出接口和各類使用靈活方便的信號處理及儀器模塊，恰好為傳感器提供了各類信號處理與顯示的方案。學生通過虛擬儀器不僅可以將傳感器產生的信號采集進來，還可以進一步做二次信號轉換、數據處理、顯示等，并可以根據檢測分析的結果產生相應的輸出控制信號，且在計算機上編寫用戶交互界面，顯示相關信息。

3.液壓控制系統應用實例分析

系統采用的數據采集卡為NI公司M系列的PCT6221多功能數據采集卡，具有16路單端輸入通道或8路差分輸入通道，采集速度最高為250k/s，分辨率為16位，兩路模擬輸出通道，最高轉換速率為833k/s，分辨率為16位。此外還有兩個32位的定時計數器，24路數字量輸入輸出通道，滿足系統的控制要求。

利用超聲傳感器把液位信號變為0—10v的電壓信號，經NI-6221數據采集卡的模擬輸入通道采集到計算機，由LabVIEW編寫的控制器根據實測信號和設定值發出控制信號，經NI-6221數據采集卡的模擬輸出通道輸出0—10v的信號控制泵的驅動器，從而改變泵的轉速，達到控制液位的目的。該系統的主要功能有:實時數據采集和顯示，實時PID及其它算法控制和數據存儲。

4.其他應用實例分析

溫度傳感器是傳感器中的一個重要章節，由于溫度傳感器種類較多，目前工業常用的有:熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體溫度傳感器等。選用目前工業應用較廣的半導體溫度傳感器為藍本，設計虛擬儀器測量顯示程序。我們可通過在接線面板上的簡單連接，將傳感器產生的信號輸入到虛擬儀器數據采集卡的模擬通道。由于傳感器的輸出電壓隨溫度的變化規律是:溫度每變化1℃，其輸出電壓改變0.01V，故在程序中只需將數據采集卡采集得到的電壓值乘以100即得到溫度值，其數據經溫度單位選擇開關送溫度顯示，通過程序的循環執行將當前溫度實時地顯示在計算機顯示屏上。

執行本程序不僅可在計算機屏幕上看到當前溫度的動態采樣值和圖形顯示，而且可在按下停止鍵后顯示出采樣的點數和采樣時間段內的最高溫度、最低溫度、平均溫度，同時可將采樣數據都保存到用戶指定文件中。程序執行后在計算機屏幕上將見到用戶界面及對話框，在對話框中學生可輸入指定文件名及路徑，過后學生可到該文件中查看所有溫度采樣數據。

通過本實驗，學生不僅可以真實體會溫度傳感器在溫度測量中的應用，而且可加深對動態測量和數據處理的認識。另外學生只要更換傳感器后在程序中稍做修改，就可以做其他溫度傳感器的測量實驗。同時教師可啟發學過虛擬儀器的學生設計程序完成其他功能的編程，如畫出動態溫度分布曲線、增加傳感器選擇功能等。

5.結語

虛擬儀器系統具有友好的人機界面，經過實際測試系統穩定可靠，控制響應速度快，曲線變化平穩，完全滿足了實際和教學方面的需要，也充分體現了虛擬儀器的特點。特別是其擴展性很好，可以隨時添加更加先進的控制算法，而且開發周期很短。綜合看來，虛擬儀器在機電控制系統的實踐教學中具有推廣使用價值，值得進一步探討和研究。

參考文獻:

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