基于LabVIEW的《自动控制原理》教学平台设计与实现

聂春燕，吉淑娇

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

基于LabVIEW的《自动控制原理》教学平台设计与实现

聂春燕，吉淑娇

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

《自动控制原理》是工科类自动化以及电信类专业比较重要的一门专业基础课，理论性较强，计算和分析的数学要求高，过程比较烦琐。本设计以LabVIEW为平台，利用控制系统设计与仿真工具包中的部分模块开发《自动控制原理》仿真平台，平台基本涵盖了《自动控制原理》课程的全部主要内容，包括自动控制系统的数学模型的建立、控制系统的时域分析、根轨迹分析以及频域分析。本平台操作灵活，易于扩展，用于《自动控制原理》的课堂教学，使教学更加形象直观，也能够加深学生学习的感性认识和兴趣。

自动控制原理;教学平台;时域分析;根轨迹

0 引言

如今，在大多数高等院校的教学中，传统的多媒体教学方式已经不能满足日益更新的教学内容，尤其是在工程类专业学科方面。单一的文字、图片教学只能对课程内容进行字面上的解释，而不能对课程的内涵进行很好的诠释，因此我们迫切需要一种新的多媒体方式，并使其能够在教学中大量应用［1］。美国NI公司开发的LabVIEW是一种图形化编程语言和开发环境，它被广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。LabVIEW提供的控制与设计与仿真工具包为开发控制应用程序的专用工具包，为LabVIEW用于自动控制系统仿真提供了有力的保障。本设计以LabVIEW为平台，结合《自动控制原理》具有模块化的特点，开发了《自动控制原理》的教学仿真平台。

1 《自动控制原理》教学平台的组成与特点

《自动控制原理》是一门理论性较强的课程，已形成了比较完整的体系，但其计算和分析的数学要求高，过程比较烦琐。教师课程讲解如果不形象直观，很难加深学生的感性认识，难以引起学习兴趣。本平台基于LabVIEW 8.6版本，利用软件提供的控制模块进行仿真设计，设计内容基本涵盖了《自动控制原理》的主要模块。

考虑到平台用于教学，因此采用LabVIEW提供的树形结构和选项卡模块，将所有子VI程序模块参照《自动控制原理》课程的顺序排列，形成二级目录，再按照此顺序将子VI程序与选项板控件链接在一起，最后通过创建选项板属性节点，将树形结构和选项板绑定在一起，联合实现鼠标点击目录即出现相应内容的功能，界面友好直观，操作方便，易于扩展。

2 教学平台的设计实现

平台共设计了5个大的模块，包括线性系统的数学模型，实现了传递函数的求解和系统结构图的简化;线性系统是时域分析，实现了一阶系统和二阶系统的时域分析;系统的根轨迹分析，实现了不同系统根轨迹的绘制;线性系统的频域分析，实现了系统的对数曲线和奈奎斯特曲线图的绘制。

2.1 系统时域分析

在控制工程中，二阶系统比较常见。典型二阶系统结构系统闭环传递函数为

式中ε称为阻尼系数或阻尼比，ωn为无阻尼自然频率，二者为二阶系统的两个特征参数。例如我们想对系统进行时域分析。按照路径在“控制设计与仿真”\“Control Design”\“Time Response”子选项板中选择“CD Step Response.vi”、“CD Impulse Response.vi”、“CD Initial Response.vi”、“CD Linear Simulation.vi”，分别连接“CD Construct Transfer Function Model.vi”。前面板 分别放置 4 个图形显示控件，用来显示各种响应曲线，并放置数组，显示相应曲线的最大值，峰值等各数值。图1所示为二阶系统时域分析图，输入是w和zeta的值分别为5和0.2，显示各响应曲线及系统参数。通过改变输入值大小，就可以观察其它系统的响应曲线。

图1 二阶系统的时域响应前面板界面

2.2 系统根轨迹图

根轨迹法是一种简便的图解方法，它的基本思想是当开环系统的一个或者多个参数发生变化时，根据系统的开环零极点，借助若干条绘制准则，绘制出闭环特征根变化的轨迹。

通常系统开环传递函数为零极点形式，例如想绘制的开环传递函数表达式为闭环系统根轨迹，首先采用LabVIEW中“控制设计与仿真模块”提供CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi模块，输入该传函零极点的实部和虚部以及开环增益，然后连接CD Root Locus.vi就能绘制出该系统根轨迹，再由示波器Root Locus Graph图进行显示，设计同时连接模块CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi，给出了系统开环传递函数的表达式，设计详见图2所示。由所绘制的闭环系统根轨迹可以看出，有一部分根在S平面的右半部分，这样的系统是不稳定的。若想使系统的根全部落在S平面左半部分，必须增加开环零点，根据计算该零点的取值范围应在(－5，0)之间满足条件，程序只把输入处添加一个实部在此范围的零点即可实现不同系统根轨迹的绘制，图2显示系统在有零点－5时的临界稳定闭环根轨迹图。这种可视化和动态效果能使学生更好地理解零极点对系统的影响，可以大大激发学生学习、设计和创造的激情，也使理论教学不再枯燥乏味。

图2 系统根轨迹图

2.3 线性系统的频域分析

控制系统的频域分析是以系统的频域特性作为数学模型，不必求解系统的微分方程，便可直接根据频率特性曲线分析系统性能。本设计分别呈现出在不同输入下不同系统的伯德图(又称对数曲线，包括对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线)和奈奎斯特曲线图。当输入开环系统的零极点以及系统的增益，界面右侧分别显示出对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线［2，4］。例如想分析系统特性。系统按照路径在“控制设计与仿真”\“Control Design”\“Frequency Response”子选项板中选择“CD Nyquist.vi”和“CD Bode.vi”模块，并与“CD Convert to Transfer Function Model.vi”模块连接。图 3 所示为系统的频域分析图，当更改系统零极点时，可快捷、方便地看到其它系统的频率特性，曲线也产生相应的变化。

图3 系统频域分析图

3 主界面的设计与集成

3.1 主界面的整合

为给使用者方便、完整的教学平台，必须把所有的模块放在一起。通过菜单的方式把所有的自接口模块整合起来。通过设计，用7个子VI设计成5个大模块。首先，新建一个VI命名为“主程序.vi”，在前面板设置“树结构”和“标签卡”。然后建立一个列表按照的需要尽可能多编辑“树结构”程序［5－6］。接下来把前面板的每个子VI一个接一个的放在“标签卡”中，与此同时，它们的所有功能面板应该一个接一个的放在“主程序.vi”的功能面板后。最后，通过“时间结构”的属性节点将它们连接起来。为了使VI一直运行，直到点击“停止”按钮，在功能面板上加上一个“while循环”。图4展示“主程序.vi”的功能面板。

图4 主程序.vi的功能面板

3.2 调用接口

调用接口:双击鼠标(单击或双击取决于“事件结构”的集)将会完成。例如，当想知道如何绘制某一系统的伯德图，首先，运行程序，然后双击“树结构”中的“串联校正”，接下来，输入各子系统的零极点，界面的图形显示器便显示校正前后的结果。图5是系统校正的调用窗口，界面设计同时给出校正系统前后的各参数变化值。

图5 系统校正的调用窗口

4 结语

文中利用LabVIEW进行了《自动控制原理》教学平台的开发，仿真及实验结果表明了LabVIEW在控制领域具有较强的应用性并且具有较好的扩展性。在课堂教学应用中，基于LabVIEW的课件生动形象，更能吸引学生的注意力，增强学生对所学知识的感性认识，提高对所学内容的理解能力。本设计仅实现的是《自动控制原理》课程中连续系统的分析，由于LabVIEW具有开放性的特点，可根据不同层次实验者的要求设计出更多的虚拟自动控制系统，比如，添加多种校正系统以及实现离散系统的各种分析等。

［1］ 吴涛，魏翀，钟嘉健，等.虚拟仪器在控制工程实验中的研究与实践［J］，实验室研究与探索，2010，11(29)，263－266.

［2］ 王焕然，徐颖秦.自动控制原理虚拟实验平台的设计［J］，电力系统及其自动化学报，2010(4):157－160.

［3］ 程雪敏，仲蓁蓁.基于LabVIEW的虚拟仪器实验教学系统的设计［J］.广西轻工业，2010(10):90－91.

［4］ 丁红，李学军.自动控制原理［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［5］ 侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［6］ 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用［M］.2版.北京:电子工业出版社，2009.

Design and Implementation of Teaching Platform about Automatic Control Principle Based on LabVIEW

NIE Chun-yan，JI Shu-jiao

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

Automatic Control Principle with strong theoretical property is an important specialized fundamental course for automation and telecommunication major，in which the mathematical requirement of calculation and analysis is high and the process is more complicated.Based on LabVIEW，automatic control simulation platform is developed by some modules in automatic control system design and simulation toolkit，covering the main content of automatic control principle and including the establishment of a mathematical model of automatic control system，time domain analysis，root locus analysis and frequency domain analysis of control system.This platform is flexible to operate and easy to extend.It is proved that the application of this teaching platform to Automatic Control Principle can make teaching more intuitive and vivid，what’s more，it is also able to enhance students’perceptual knowledge and interests.

automatic control principle;teaching platform;time domain analysis;root locus

TN911.7

A

1009－3907(2012)08－0923－03

2012-06-20

聂春燕(1966-)，女，吉林长春人，教授，博士，主要从事信号分析与虚拟仪器等方面研究。

责任编辑:吴旭云