“自動控制原理”的LabVIEW輔助教學

曹科才，孔令燦

(南京郵電大學自動化學院，江蘇南京210046)

“自動控制原理”不僅是自動化、電氣、電子信息等專業的必修課程，而且在機械、動力和化工等非電類工程專業的課程設置中也占有重要地位［1，2]。該課程主要研究自動控制的基本理論，自動控制系統的分析和綜合方法，對學生學習后續課程及從事工程實際工作有著重要的影響。

目前，該課程的實驗教學主要以仿真實驗為主，大多以Matlab作為輔助教學工具，仿真實驗程序代碼的編寫就讓很多學生望而卻步，以Matlab為基礎的仿真實驗效果并不理想。因此，尋找一種界面生動、編程簡單、兼顧仿真實驗與硬件實驗，同時又能有效擴充理論教學內容、提高學生的學習興趣的輔助教學手段，對于改進自動控制原理課程的教學具有重要的作用［3，5]。

1 LabVIEW軟件優勢

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發的一種基于圖形的程序開發環境，它不是采用基于文本的程序語言，與Matlab最大區別在于它產生的程序是框圖的形式。基于G語言(圖形化編程語言)的LabVIEW使得現場數據檢測變得十分方便，且具有強大的數據運算與處理功能。

與傳統的Matlab輔助教學相比，LabVIEW具有如下優勢。

(1)LabVIEW軟件使用方便，基于圖形化的編程語言使學生較容易上手。另外簡單明快的教學過程，使學生能很快體會到利用圖形化編程語言的樂趣和創造性。

(2)借助LabVIEW輔助教學手段產生的界面美觀大方，可以充分發揮可視化的教學功能，使得學生對于理論和實驗教學內容的理解與運用能力大大提高。

(3)基于圖形化編程語言的LabVIEW虛擬實驗系統只需要調用數據采集卡設備中的數據采集函數，就能將硬件電路的電信號采集到實驗系統中進行分析。因此基于LabVIEW的虛擬實驗系統向硬件實驗擴展是十分方便的。通過LabVIEW不僅能方便地進行軟件模擬仿真實驗，而且能夠很好地與硬件實驗電路相結合進行硬件實驗，進一步提高學生知識運用能力和動手操作能力。

2 LabVIEW輔助教學

2.1 二階系統時域分析實例

學生在“自動控制原理”課程學習過程中碰到的第一個難點是二階系統的時域性能分析，各種可調參數與暫態性能指標的復雜計算使學生普遍感到難以理解。但由于二階系統在控制工程中的普遍應用，以及二階系統在研究高階系統近似特性過程中的不可替代作用，使得該部分的學習對于課程后續理論知識的學習與理解具有重要的鋪墊作用。

本文通過如下一個典型的二階控制系統的時域分析實例，來闡明LabVIEW在該課程輔助教學過程中的作用。該系統的傳遞函數表示為

式中，ζ為系統的阻尼比，ωn為系統的無阻尼自然頻率。

2.2 基于Matlab的二階系統時域分析

如果利用Matlab編程命令在不同阻尼與自然頻率情況下繪制靜態響應曲線，其畫面演示比較單調，動態調節過程也無法形象展示。實踐教學過程中，學生須在實驗箱上搭建如圖1所示電路，然后通過示波器顯示響應曲線的波形變化。由于學生將時間過多地花費在電路的搭建上，因而忽略了二階系統可調參數對于整個系統響應性能的影響。同時由于學生批次較多，搭建電路故障率較高以及二階系統時域暫態響應指標的難以測算等原因，使得實驗教學的效果也不太理想。

圖1 二階系統的時域分析實驗電路圖

2.3 基于LabVIEW二階系統時域分析

采用LabVIEW軟件進行二階控制系統時域分析輔助教學時，首先創建一個能反映式(1)傳遞函數的平臺。然后將系統增益、阻尼比以及自然頻率等可調參數與系統響應曲線一起放置到該平臺的前面板上，該前面板的布局大方直觀，如圖2所示。

圖2 基于labVIEW的二階系統時域分析前面板

通過圖3所示平臺的后面板，可以看出整個編程過程都是基于圖形的模塊化編程，學生只需要簡單連線就可以完成整個程序的編寫過程，具有Matlab等基于文本編程語言所不具有的優勢。圖4分別為階躍信號下，不同阻尼比時二階系統的時域輸出響應曲線圖。可以看出，所得仿真曲線與理論結果完全一致。

圖3 基于labVIEW的二階系統時域分析的后面板

圖4 二階系統單位階躍響應曲線(ξ對系統響應的影響)

基于LabVIEW的實驗平臺，學生只需要簡單調節輸入增益K、阻尼比ξ、自然頻率ωn等數值，就可以得到二階系統在不同阻尼比和自然頻率下的階躍響應曲線。方便直觀的可調參數既便于課堂理論教學的演示，增強了師生之間的互動性;又可在實驗教學中利用LabVIEW的CDSim和PIDFuzzy子模塊所提供的的相應子程序，直接從時域響應信號得到二階系統階躍響應的上升時間、峰值時間、調節時間以及超調量等暫態性能指標，克服了傳統實驗過程中需要利用復雜拉氏反變換進行計算的缺點。與傳統的Matlab基于代碼編程方式相比，免去了繁瑣的編程過程，使學生將更多的時間與精力集中到系統可調參數對于二階系統性能分析上，發現被控系統響應特性隨參數變化的規律性，提高了整個實驗過程的知識性與趣味性。

3 結語

LabVIEW不僅在二階系統的時域分析中得到了良好的應用，還可以適用于根軌跡、頻域分析和系統校正等“自動控制原理”的理論教學與實驗教學中。基于本文介紹的LabVIEW“自動控制原理”實驗平臺，利用多媒體和校園網等計算機技術，可進一步構建基于LabVIEW“自動控制原理”遠程虛擬實驗系統，改變目前實驗設備緊張與傳統實驗室非開放性的缺點，提高實驗效率、降低實驗成本，為進一步推進該課程的理論教學與實驗教學奠定基礎。

［1] 田玉平.探索“自動控制原理”課程教學體系改革之路［J] .南京:電氣電子教學學報，2008，30(3):8-11

［2] 李世華.智能控制概論課程的仿真實驗系統的設計與實現［J] .南京:電氣電子教學學報，2006，28(2):65-68

［3] 趙劍鋒，吳繼平.基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統［J] .南京:電氣電子教學學報，2007，29(1):85-87

［4] 張慧妍，王晨凱，翁貽方，李裕梅.基于LabVIEW的自動控制理論實驗系統的設計與研究［J] .北京:現代教育技術，2010，20(8):139-141

［5] 查曉春，黃愛華.自動控制原理課程的Matlab輔助教學［J] .北京:實驗技術與管理，2007，24(12):91-93