基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統設計

呂恩勝

摘 要：自動控制原理實驗是電氣、控制和機械專業學生學習自動控制原理課程的一個重要環節。本文設計了一種基于LabVIEW的虛擬自動控制原理實驗系統，利用LabVIEW流程圖編程語言，搭建了課程中常見的虛擬實驗平臺，該實驗平臺為自動控制原理課程提供了一種新的輔助教學手段。

關鍵詞：LabVIEW;自動控制;虛擬實驗系統

中圖分類號：TP132文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0016-03

Abstract： The experiment of automatic control principle is an important link for students majoring in electrical， control and machinery to learn the course of Automatic Control Principle. This paper designed an experiment system of virtual automatic control principle based on LabVIEW. By using LabVIEW flow chart programming language， a virtual experiment platform for common experiments in the course was built. The experimental platform provided a new assistant teaching means for the course of Automatic Control Principle.

Keywords： LabVIEW;automatic control;virtual experiment system

“自動控制原理”課程是電氣、控制和機械等專業一門重要的專業基礎課，主要是培養學生分析、設計控制系統的能力和方法，為工業控制系統的設計和調試奠定堅實的基礎[1]。在“自動控制原理”課程中，實驗是驗證理論知識的一個重要手段，通過實驗，觀察系統響應的現象，發現問題、分析問題并解決問題，可以加強學生對理論知識的理解，并得到充實與提高。但在“自動控制原理實驗”課程教學也存在一些問題，如實驗時間限制、設備缺失或老化、實驗場地限制、指導教師缺乏等。因此，本文設計了一種基于LabVIEW的虛擬自動控制原理實驗系統，可以不受時空限制，不用擔心設備損壞，學生能自由發揮，教師可以遠程指導，有利于提高學生解決問題的能力，提高教學效果。

1 自動控制原理實驗平臺設計的基本原則

自動控制原理虛擬實驗教學系統設計，要能完成教學目標，適合電氣、控制和機械類專業學生的認知規律和認知水平，解決課堂教學只顧公式推導，不能演示其原理等問題，通過虛擬實驗平臺幫助學生理解、消化“自動控制原理”課程所學復雜的理論知識[2-4]。在PC機上，教師、學生很容易進入、運行、暫停和退出實驗系統，軟件用戶界面友好，仿真參數的輸入、輸出接口設置合理，有命令提示，操作方便、簡單、易于掌握，整個系統風格一致。

2 LabVIEW虛擬實驗系統子實驗的實現

2.1 基于LabVIEW自動控制原理虛擬實驗系統

本文設計的基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統界面簡單，輸入參數方便，點擊按鈕即可操作。自動控制原理虛擬實驗系統設計了課程中常見的8個實驗。具體LabVIEW虛擬實驗系統包括以下子實驗。實驗一：一階系統時域分析;實驗二：二階系統時域分析;實驗三：線性系統的穩態誤差;實驗四：線性系統的頻率分析;實驗五：線性系統的根軌跡;實驗六：二階系統的PID校正;實驗七：非線性系統虛擬實驗;實驗八：離散系統的分析與校正。具體見圖1。

本文以“自動控制原理”課程中典型二階系統的瞬態響應分析為例，闡述實驗平臺的設計思想和使用方法。在控制系統中，機械系統的質量-彈簧-阻尼器，電氣系統的電阻-電感-電容等，控制的類型和元件在物理結構上千差萬別，但在微分方程上都是二階微分系統，即使是高階系統，在一定條件下也可以降階為二階系統，足見二階系統在控制系統中的重要性。接下來以二階系統的瞬態響應分析實驗子系統。

2.2 基于LabVIEW二階系統時域分析實驗系統

在“自動控制原理”課程中，輸入信號為[Rs]，輸出信號[Cs]，典型二階系統，拉普拉斯逆變換得到時域響應結果均具有如式（1）[1]所示的形式：

2.3 欠阻尼二階系統的動態過程分析

在式（3）欠阻尼二階系統的單位階躍響應系統中，令

2.4 實驗系統的操作面板設計

根據式（1）至式（10），對實驗系統的面板進行設計，利用LabVIEW的Control Design and Simulation Module模塊，設計如圖2所示的操作面板。

在設計的虛擬自動控制原理實驗系統中，每個子實驗界面主要由4部分組成[2]，分別為：傳遞函數的設置、極點與參數、動態性能和單位階躍響應曲線。傳遞函數的設置部分：在實驗界面的左上側輸入實驗系統的分子、分母，可以設計所需要的傳遞函數;極點與參數部分：實驗系統計算得到所設計傳遞函數的極點、自然頻率[ξ]、阻尼比[ωn]的具體數值;動態性能部分：傳遞函數在單位階躍信號的輸入驅動下，實驗系統計算得到上升時間[tr]、峰值時間[tp]、超調量[σ%]、調節時間[ts]和穩態裕度等動態性能指標;單位階躍響應曲線部分：在網格背景下以曲線形式顯示實驗瞬態結果，自動控制原理二階系統時域分析虛擬實驗系統。對照實驗系統所示操作面板，后面板程序圖如圖3所示。

在學生自主實驗過程中，利用基于LabVIEW軟件設計好的系統，設置不同系統的輸入參數，得到不同的結果響應，然后將實驗系統測量值與理論計算值進行比較，可以更好地提高學習效果。

3 結語

本實驗系統在開發過程中充分利用了LabVIEW圖形化編程語言、人機界面友好、操作方便的特點，也充分利用了LabVIEW軟件可以代替儀器功能的特點。設計的虛擬實驗系統，應用于自動控制原理的輔助實驗教學中，采用虛擬實驗的方式，學生可以更好地理解控制理論的精髓，在教學中，大大提高學生的自主性和積極性，保證了學習效果，也提高了教師的教學效果，節約了實驗所需要的場地和設備經費等。

參考文獻：

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