自动控制原理开放式ELVIS虚拟实验平台

费红姿， 刘 友， 范立云， 费景洲， 刘盛希蕊

(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

自动控制原理及实验课程是一门面向研究型大学自动化专业及其他工程类专业的主干课程，随着计算机和通信技术的发展，自动控制理论和技术在航天航空、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域的应用越来越广泛和深入。为了适应科学技术的迅速发展和新世纪对自动化人才的要求，对传统的教学模式进行改革和优化，是“自动控制原理”课程发展的必然要求[1-4]。

虚拟仪器是近年来发展起来的仪器与计算机相结合的产物，它可为用户提供更广阔的发挥空间[5-7]。基于虚拟仪器技术建立的自动控制原理开放式实验教学平台，一方面给予学生更大的发挥空间;另一方面也能够适应学科的发展及教学内容的不断更新[8-10]。ELVIS是NI公司推出的虚拟仪器平台，在此平台上充分体现了“软件就是仪器”的说法[11-12]，与传统的模拟实验装置相比，它具有可扩展、集成度高、在线编程方便等优越性。本文应用NI公司ELVISⅡ建立了“自动控制原理”实验平台，将原来单一的验证性实验模式改革发展为开放式的实验模式，为学生提供一个开放式的软件及硬件平台，并结合专业方向，设计了柴油机转速控制系统案例。

1 ELVIS结构与性能

NI ELVISⅡ是基于图形化编程语言LabVIEW的系统设计与原型创建环境，它的结构如图1所示。

图1 ELVISⅡ结构

ELVISⅡ平台上集成了许多功能性仪器，如电源、波形发生器、万用表、原型板等，做实验时只需必要的电子元器件，与传统实验装置相比，它的实现更具优越性[13-14]。此外，因为 ELVIS平台具有数据采集功能，可以直接把模拟信号输入到计算机中，所以测试控制系统动态性能只需要连线和软件编程。而传统实验通常要用到单片机、模数转换等，原理复杂且不便调试。ELVIS平台附加功能强大，用户界面丰富，可以通过其开发软件实现更多的功能，为自动控制原理实验平台的搭建奠定了基础。

2 开放式实验模式

基于ELVIS虚拟仪器实验平台设计的自动控制原理开放式实验模式如图2所示。该方案的特点是学生可以自己设计实验方案或者对现有方案进行改进、创新及验证，使学生在实验过程中体验到学习和创新的乐趣。整个实验模式分成两个阶段，设计阶段和系统实现与验证阶段。

(1)设计阶段。首先由老师根据学生专业培养需求提炼经典案例，给出控制系统的性能指标要求;学生根据性能指标要求。自主设计控制系统方案，包括建模、分析和系统设计与实现。方案设计完成后提交指导老师审核，如果有问题则重新进行设计和修改，如果合格则进入下一阶段。

(2)系统实现与验证阶段。在ELVIS虚拟仪器实验平台上进行，包括硬件设计与软件设计。ELVIS虚拟仪器实验平台上提供了原型实验板，板上提供了电源、波形发生器、万用表及数据采集模块等，硬件设计过程是指学生根据系统实现方案在此平台上连接不同的模块，组成闭环控制系统，也可以搭建模拟电子电路来模拟被控对象或者执行装置等，再组成闭环系统。软件设计主要是指控制器的设计，经典的有PID控制、现代的有极点配置和智能控制等方法，这些设计方法在NI公司LabVIEW软件平台上都可以方便地实现。此外，软件设计还包括数据采集设置和系统监控界面设计，实现控制参数的在线修改，系统输入与输出信号的实时监测与显示。最后，对所设计的闭环控制系统进行调试和验证。

图2 自动控制原理开放式实验模式

3 应用实例

柴油机转速控制系统是控制理论在热能与动力工程专业中的典型应用，其基本原理是通过控制执行器齿杆的位置来调节柴油机喷油量，从而实现柴油机转速控制。本节在ELVIS虚拟仪器平台上对柴油机转速控制系统进行了模拟设计与验证。

3.1 柴油机转速控制系统原理

图3为柴油机转速控制系统原理图，该控制系统是以转速、齿杆位移为控制目标的双闭环控制系统，内环是齿杆位置控制，外环柴油机转速控制。采用双闭环控制方式，可以大大增加抗干扰能力，有效提高控制系统响应速度。

图3 柴油机转速控制系统原理图

由于实际的柴油机转速控制系统比较复杂，也不直观，只能进行简单演示，很难让学生自己动手设计控制系统并进行实验验证。为了将自动控制理论与专业应用相结合，验证柴油机双闭环控制系统性能，本文在NI公司ELVIS虚拟仪器实验平台上，设计了基于开放式实验模式的柴油机转速模拟控制系统案例。

3.2 系统建模与仿真电路设计

在ELVIS虚拟仪器平台上实现柴油机转速控制系统，首先需要将柴油机和执行器的模型进行简化，化简成可以用模拟电子电路来实现的结构。

根据达朗贝尔原理，忽略柴油机的非线性因素，柴油机的数学模型可以近似为由一个惯性环节和一个滞后环节组成的串联结构[15]，即为

时间滞后常数τ取决于柴油机的转速、汽缸数以及冲程数，按下列式估算:

式中:n为柴油机的额定转速(r/min);q为柴油机的气缸数目。

对于295D柴油机来说，柴油机转速为1 500～3 000 r/min，气缸数目为 2，冲程数为 4，Td=0.8，Tg=1，由式(2)可近似求得 τ=0.09 s，则根据式(1)，柴油机的数学模型可以化简为

根据式(3)，柴油机的模拟仿真电路可由电阻、电容和放大器组成的两个惯性环节串联得到，如图4所示。图中 R1=R2=8 kΩ，R3=R4=9 kΩ，C1=100 μF，C2=10μF。

图4 柴油机模拟仿真电路模型

通常比例电磁铁执行器的数学模型可以简化为一阶惯性环节[15]，其传递函数为

式中:Tk为执行器惯性系数;k为常数，在电磁力的作用下，齿条位置与驱动PWM信号的占空比的对应关系。

本文选用的比例电磁铁的参数为:Tk=0.1，k=0.3。其传递函数为

执行器相当于一阶惯性环节，其模拟仿真电路模型如图5 所示。图中 R1=3.3 kΩ，R2=1 kΩ，C=100 μF。

图5 执行器模拟仿真电路模型

图6为在ELVIS原型实验板上搭建的柴油机和执行器的模拟仿真电路模型。

图6 柴油机和执行器仿真电路模型搭建

3.3 控制器设计与系统仿真

柴油机转速控制系统的两个闭环都采用PID控制器，应用LaVIEW软件编写，图7为程序框图。图8为系统仿真界面，可以实现系统输入、输出信号显示，在线修改PID控制参数等。

图7 双闭环PID控制器设计

4 结语

图8 柴油机转速控制系统仿真界面

本文基于ELVIS虚拟仪器建立了自动控制原理实验平台，并在此基础上开展开放式实验模式研究。同时，结合学生专业方向，设计了柴油机转速控制系统案例。实践表明，基于ELVIS的实验平台功能强大，可扩展性强，学生易于掌握和创新，实验中的操作方便省时，提高了实验教学的效率。该实验平台还可面对更多课程的实验及课程设计，为学生提供更多的实践及创新机会。总之，基于虚拟仪器的实验系统在高校实验室中有十分广阔的应用前景。

[1] 杨 欣，苏玉刚，谢昭莉，等.工程类专业的自动控制原理实验教学体系探究[J].实验室研究与探索，2011，30(10):312-314.

[2] 程淑红，刘 琳，刘志新，等.自动控制理论教学改革的思路与实践[J].教学研究，2006，29(5):433-436.

[3] 杨汇军，张 健.自动控制理论课程实验教学改革的研究与实践[J].实验室科学，2010，12，13(6):20-22.

[4] 吴 晓，堵 俊.电气专业课程综合性和设计性实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2009，28(8):24-25.

[5] 孙 斌，赵玉晓，张新娜.基于虚拟仪器的自控原理实验教学软件开发[J].实验技术与管理，2012，29(5):105-108.

[6] 周高伟，张若青.虚拟仪器技术在自控原理实验中的应用[J].长春大学学报，2008，18(3):49-52.

[7] 乔玉晶，魏建宇，谢 迪，等.基于虚拟仪器的测试技术实验平台开发[J].自动化技术与应用，2012，31(8):75-77.

[8] 孙 洁.“自动控制原理”实验教学改革的实践[J].电气电子教学学报，2009，31(6):69-70.

[9] 孙 丹，程 鹏.自动控制原理开放式实验平台的研究[J].实验室研究与探索，2005，24(增刊):299-305.

[10] 张军香.建立开放式自动控制实验中心的探讨[J].实验技术与管理，2007，24(2):132-135.

[11] 李卫洁.采用ELVIS的自动控制原理实验辅助系统[J].应用天地，2008，4，27(4):62-64.

[12] 胡继康，陈永志，周求湛，等.基于NI ELVIS的网络化实验教学平台[J].实验室研究与探索，2012，5，31(5):154-157.

[13] 阎红娟，张若青.采用NI ELVIS的控制工程实验系统[J].实验科学与技术，2009，7(3):27-28.

[14] 徐 苒，金暄宏，戴曙光.基于NI ELVIS II的温度采集系统设计[J].仪表技术，2010，2:33-35.

[15] 王尚勇，杨 清.柴油机电子控制技术[M].北京:机械工业出版社，2005:23-27.