基于LabVIEW的自動控制理論虛擬實驗系統開發

摘 要 根據上海開放大學控制工程基礎課程的實驗要求，利用虛擬儀器軟件及其Control Design Toolkit（CDT）開發一個虛擬實驗系統，系統包括六個模塊：傳遞函數、控制系統的典型連接、控制系統零極點模型、控制系統分析、二階瞬態響應。該系統作為控制理論基礎課程的輔助教學軟件，提高了學生掌握知識與技能的效率，達到了將實驗環節引入課堂的良好效果。

關鍵詞 虛擬實驗 LabVIEW 自動控制系統 傳遞函數

中圖分類號：TP13-4 文獻標識碼：A

0 引言

在理工科專業的教學科研過程中，要想緊跟技術的發展，就要不斷地更新教學和實驗設備。而隨著各學科實驗項目和學生人數的增多，傳統的實驗室和實驗儀器數量很難滿足學生的需求。因此，虛擬仿真教學和實驗室作為一種有效的解決方案應運而生，在各大高校已經獲得了廣泛的應用，并且成為高等教育實驗課程發展的新方向。

虛擬儀器技術自1986年面世以來，已在各工程領域得到廣泛的應用，①②在教學實驗系統中也得到了應用發展。

在控制理論實驗系統開發研究中，許多學校根據自己的需要，利用LabVIEW開發了多種實驗系統。②③④⑤⑥

上海開放大學具有11萬注冊的在校生，教學與實驗的條件受場地、時間、空間和設備的限制，較普通高校更為嚴峻。網絡課程與虛擬實驗在開放大學的應用顯得尤為重要。

本文根據本校實驗要求內容，利用虛擬儀器軟件開發虛擬實驗系統，從而方便學生進行不定時、不定點地實驗。

1 系統總體設計思路

上海開放大學學生多為在職，他們利用晚上和周末進行繼續學習，這使得他們具有以下特點：具有比較豐富的工作經驗，學習更側重理解并應用，學生的學習時間受限制。趙教授的實驗指導書正是基于學生的特點而編寫的。通過實驗，加深學生對控制系統傳遞函數、控制系統構成、控制系統穩定性、典型二階系統與參數的之間的關系等的理解。根據這些內容，系統設計了一個初始界面和五個功能模塊：傳遞函數建立、典型連接、零極點模型、控制系統分析、二階瞬態響應（如圖1）。

控制仿真工具包能夠很好地完成上述功能。

2 系統模塊設計及展示

2.1 初始界面

系統設計一個初始界面，它通過選項卡和菜單按鈕方式進入各功能模塊。初始界面顯示該實驗系統可完成從傳遞函數構建、系統特性分析到系統運行仿真的整個過程。

2.2 傳遞函數構建模塊和連接典型

LabVIEW提供一個控制仿真工具包。應用此工具包，在傳遞函數模塊，通過輸入系統微分方程的分子和分母系統，構建傳遞函數。如圖2所示左端構建函數，右側進行典型連接，完成各個環節的串聯、并聯及反饋連接。

2.3 零極點模型模塊

此模塊用來判斷系統的穩定性。根據微分方程得出傳遞函數，得出系統的零極點圖和伯德圖，以便于判斷其穩定性（如圖3）。

2.4 控制系統分析模塊

本系統設計了典型的一階、二階系統的時域響應。調整其參數，可得到不同的響應曲線，以便進行對比分析。模塊運行界面如圖4所示。

2.5 二階瞬態響應模塊

此模塊專門分析二階系統的時域響應。影響二階系統的各個參數都可以進行調節，以便觀察系統的響應特性，從而更為清楚地理解系統特性。模塊運行界面如圖5所示。

3 結語

仿真的實驗界面能夠加強學生對實驗的興趣，通過調節不同參數，可直接觀測到各種實驗過程。采用虛擬儀器代替傳統實驗儀器，有效的降低了硬件配置和實驗成本。

實驗充分利用了LabVIEW語言的靈活、開放，人機界面友好等特點，使用方便，具有良好的通用性和擴展性。

注釋

① 鄭紅梅，梅加化，韓方強.基于LabVIEW的虛擬測試實驗教學系統.電子科技，2012.25卷（8）.

② 陸蘊香.基于LabVIEW的機械工程控制基礎的實驗.制造業信息化，2011（1）.

③ 袁微，盧明陽.基于LabVIEW和Simulink的過程控制工程虛擬實驗平臺開發.實驗室研究與探索，2012.6.

④ 浦龍梅，楊增強.基于LabVIEW軟件開發的控制工程基礎課程教學軟件的研究.自動化與儀器儀表，2007（1）.

⑤ 孫麗萍，尹愛軍.機械控制工程理論虛擬實驗教學與研究.中國現代教育裝備，2011（23）.

⑥ 魏佳丹，李國生.LabVIEW在特種電機教學實驗平臺中的應用.電氣電子教學學報，2011.12.