“自动控制原理”的LabVIEW辅助教学

曹科才，孔令灿

(南京邮电大学自动化学院，江苏南京210046)

“自动控制原理”不仅是自动化、电气、电子信息等专业的必修课程，而且在机械、动力和化工等非电类工程专业的课程设置中也占有重要地位［1，2]。该课程主要研究自动控制的基本理论，自动控制系统的分析和综合方法，对学生学习后续课程及从事工程实际工作有着重要的影响。

目前，该课程的实验教学主要以仿真实验为主，大多以Matlab作为辅助教学工具，仿真实验程序代码的编写就让很多学生望而却步，以Matlab为基础的仿真实验效果并不理想。因此，寻找一种界面生动、编程简单、兼顾仿真实验与硬件实验，同时又能有效扩充理论教学内容、提高学生的学习兴趣的辅助教学手段，对于改进自动控制原理课程的教学具有重要的作用［3，5]。

1 LabVIEW软件优势

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的一种基于图形的程序开发环境，它不是采用基于文本的程序语言，与Matlab最大区别在于它产生的程序是框图的形式。基于G语言(图形化编程语言)的LabVIEW使得现场数据检测变得十分方便，且具有强大的数据运算与处理功能。

与传统的Matlab辅助教学相比，LabVIEW具有如下优势。

(1)LabVIEW软件使用方便，基于图形化的编程语言使学生较容易上手。另外简单明快的教学过程，使学生能很快体会到利用图形化编程语言的乐趣和创造性。

(2)借助LabVIEW辅助教学手段产生的界面美观大方，可以充分发挥可视化的教学功能，使得学生对于理论和实验教学内容的理解与运用能力大大提高。

(3)基于图形化编程语言的LabVIEW虚拟实验系统只需要调用数据采集卡设备中的数据采集函数，就能将硬件电路的电信号采集到实验系统中进行分析。因此基于LabVIEW的虚拟实验系统向硬件实验扩展是十分方便的。通过LabVIEW不仅能方便地进行软件模拟仿真实验，而且能够很好地与硬件实验电路相结合进行硬件实验，进一步提高学生知识运用能力和动手操作能力。

2 LabVIEW辅助教学

2.1 二阶系统时域分析实例

学生在“自动控制原理”课程学习过程中碰到的第一个难点是二阶系统的时域性能分析，各种可调参数与暂态性能指标的复杂计算使学生普遍感到难以理解。但由于二阶系统在控制工程中的普遍应用，以及二阶系统在研究高阶系统近似特性过程中的不可替代作用，使得该部分的学习对于课程后续理论知识的学习与理解具有重要的铺垫作用。

本文通过如下一个典型的二阶控制系统的时域分析实例，来阐明LabVIEW在该课程辅助教学过程中的作用。该系统的传递函数表示为

式中，ζ为系统的阻尼比，ωn为系统的无阻尼自然频率。

2.2 基于Matlab的二阶系统时域分析

如果利用Matlab编程命令在不同阻尼与自然频率情况下绘制静态响应曲线，其画面演示比较单调，动态调节过程也无法形象展示。实践教学过程中，学生须在实验箱上搭建如图1所示电路，然后通过示波器显示响应曲线的波形变化。由于学生将时间过多地花费在电路的搭建上，因而忽略了二阶系统可调参数对于整个系统响应性能的影响。同时由于学生批次较多，搭建电路故障率较高以及二阶系统时域暂态响应指标的难以测算等原因，使得实验教学的效果也不太理想。

图1 二阶系统的时域分析实验电路图

2.3 基于LabVIEW二阶系统时域分析

采用LabVIEW软件进行二阶控制系统时域分析辅助教学时，首先创建一个能反映式(1)传递函数的平台。然后将系统增益、阻尼比以及自然频率等可调参数与系统响应曲线一起放置到该平台的前面板上，该前面板的布局大方直观，如图2所示。

图2 基于labVIEW的二阶系统时域分析前面板

通过图3所示平台的后面板，可以看出整个编程过程都是基于图形的模块化编程，学生只需要简单连线就可以完成整个程序的编写过程，具有Matlab等基于文本编程语言所不具有的优势。图4分别为阶跃信号下，不同阻尼比时二阶系统的时域输出响应曲线图。可以看出，所得仿真曲线与理论结果完全一致。

图3 基于labVIEW的二阶系统时域分析的后面板

图4 二阶系统单位阶跃响应曲线(ξ对系统响应的影响)

基于LabVIEW的实验平台，学生只需要简单调节输入增益K、阻尼比ξ、自然频率ωn等数值，就可以得到二阶系统在不同阻尼比和自然频率下的阶跃响应曲线。方便直观的可调参数既便于课堂理论教学的演示，增强了师生之间的互动性;又可在实验教学中利用LabVIEW的CDSim和PIDFuzzy子模块所提供的的相应子程序，直接从时域响应信号得到二阶系统阶跃响应的上升时间、峰值时间、调节时间以及超调量等暂态性能指标，克服了传统实验过程中需要利用复杂拉氏反变换进行计算的缺点。与传统的Matlab基于代码编程方式相比，免去了繁琐的编程过程，使学生将更多的时间与精力集中到系统可调参数对于二阶系统性能分析上，发现被控系统响应特性随参数变化的规律性，提高了整个实验过程的知识性与趣味性。

3 结语

LabVIEW不仅在二阶系统的时域分析中得到了良好的应用，还可以适用于根轨迹、频域分析和系统校正等“自动控制原理”的理论教学与实验教学中。基于本文介绍的LabVIEW“自动控制原理”实验平台，利用多媒体和校园网等计算机技术，可进一步构建基于LabVIEW“自动控制原理”远程虚拟实验系统，改变目前实验设备紧张与传统实验室非开放性的缺点，提高实验效率、降低实验成本，为进一步推进该课程的理论教学与实验教学奠定基础。

［1] 田玉平.探索“自动控制原理”课程教学体系改革之路［J] .南京:电气电子教学学报，2008，30(3):8-11

［2] 李世华.智能控制概论课程的仿真实验系统的设计与实现［J] .南京:电气电子教学学报，2006，28(2):65-68

［3] 赵剑锋，吴继平.基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统［J] .南京:电气电子教学学报，2007，29(1):85-87

［4] 张慧妍，王晨凯，翁贻方，李裕梅.基于LabVIEW的自动控制理论实验系统的设计与研究［J] .北京:现代教育技术，2010，20(8):139-141

［5] 查晓春，黄爱华.自动控制原理课程的Matlab辅助教学［J] .北京:实验技术与管理，2007，24(12):91-93