虚拟仪器在机械控制工程基础课程教学中的应用

陈光辉

摘要：本文主要介绍了虚拟仪器的概念和特点，并且分析了虚拟仪器在机械控制基础课程教学中的应用，从课堂教学和实验教学两个方面分析介绍了Matlab虚拟仪器的应用。实践表明虚拟仪器的应用能够有效提高机械控制工程基础课程的教学效果，具有较高的推广价值。

关键词：虚拟仪器;控制工程基础;教学应用

1.虚拟仪器的概念和特点

虚拟仪器是在计算机上，利用计算机的硬件和软件设备，由用户完成设计的一个软件系统，它具有跟真实仪器一样的操作面板，而且能够像真实仪器以往完成相关测试功能。虚拟仪器在使用过程中呈现给用户的面板是虚拟的，其能够完成的测量功能是靠软件程序来驱动的。将具有不同功能的软件模块组合到一块能够完成不同类型的测试功能，它是计算机技术和测试技术共同发展的结果。虚拟仪器一般由硬件和软件两个部分组成，其中硬件部分包括了计算机和I/O接口部分，其中I/O接口负责完成对信号的采集、放大和转换等。软件则包括了各种应用程序和接口驱动程序。虚拟仪器的硬件配置完成后，由软件程序驱动其实现预定的功能。

虚拟仪器是计算机软件系统的一种，能够完整一般测试仪器能够完成的功能，但是跟传统意义上的测试仪器相比，它具有以下几个方面的特点：

1.1成本低，用户只需在计算机上安装相应的软件应用程序即可，省去了购买仪器和设备所需要的成本。

1.2功能灵活，能够根据计算机技术的发展，不断更新其功能，且具有较强的可重配置性，能够实现多次复用。

1.3更新和维护成本低，如果虚拟仪器需要进行性能改进或者功能扩展，只需要对其软件进行更新即可，且虚拟仪器不需要专门的人员对其进行维护和维修。

2.虚拟仪器在机械控制工程基础课程教学中的应用

为了能够让学生能够直观的看到各种控制效果，我们采用Labview和matlab相结合进行控制工程基础课程教学中的开发。Labview属于一种图形化的编程软件，能够在计算机界面上完成图形的动态显示，但是在控制工程中采用的算法计算中受到了很大的限制。而Matlab软件中集成了大量的图形和数值信息，能够为复杂计算提供可视化操作，但是它的界面开发功能较差。鉴于二者的优缺点，本文通过ActiveX技术将二者嵌套在一起进行开发，完成对机械控制工程基础相关课程的讲解。利用他们强大的算法处理功能和图形界面功能进行虚拟操作平台的开发，进行机械控制工程基础课程中的大量公式的计算、图形的绘制和人机界面的显示，下面我们通过对单容水箱的实例对虚拟仪器在控制工程基础课程中的应用进行阐述。

2.1 Labview在机械控制工程前台用户界面设计中的应用

首先启动Labview软件，选择创建一个新的文件，进入Labview的主界面。然后在Labview软件的图形选择框中，选用立方形状的水箱，并且用鼠标将其拖到软件的显示界面中。同样将单容水箱实验中需要用到的水管以及调节阀等元器件拖到界面的显示区域，并且将各个零部件按照实验原理连接到一起，得到一个模拟的单容水箱系统。从Labview的工具栏中选中示波器对水箱中水位的变化情况进行显示。另外还要选中多个数字输入框用来完成对单容水箱系统中相关参数的输入和显示。

2.2 Matlab在机械控制工程后台控制策略中的应用

Labview软件中采用图形化的语言，将要完成的任务通过调用方式在软件中以图形方式显示。界面显示的所有元件都跟软件中的程序一一对应，用户只需要将界面连接在一起，无需进行其相关程序的设计。但是要实现对控制系统的真正控制，必须要采用Matlab来完成。而使用Matlab首先要解决两个软件之间数据的接口问题。

本次设计中利用Labview软件中提供的Matlab script接口实现二者之间数据的连接，然后通过Matlab为单容水箱的被控对象参数K和T、单容水箱的水位信息以及控制参数进行设定。用户可以通过点击Matlab软件的左边框，系统会弹出相关对话框，然后选择添加输入，输入相关参数的信息。为了便于学生对实验结果的观察，还需要利用Matlab中的时延控制器对实时曲线的显示速度进行调节。用户选择工具箱中的时延控制器，然后调节其旋钮位置，完成对控制系统中输入和输出的设计，最后将系统所需要的PID控制算法输入到软件的中间程序中，即完成了对单容水箱整个控制系统的设计。

Labview和Matlab的应用彻底解决了传统教学方法中需要进行大量的计算，且绘制的曲线精度较低的问题，同时教师在教学过程中可以通过演示，让学生直观看到其控制效果。所以借助Labview和Matlab软件，教师的课程教学变得非常清晰明了，学生学习起来也比较轻松，起到了事半功倍的效果。另外Matlab软件中提供的仿真功能，能够在学生实验过程中有效排除外界因素对其实验过程造成的影响，Matlab实验教学的进行能够弥补传统实验教学中的不足，实现对学生创造性思维的培养，这是素质教育教学的最终目标，也是传统实验教学所不能比拟的优势。

3.结论

虚拟仪器的使用彻底改变了机械控制工程传统意义上的教学观念，能够有效激发学生学习的兴趣和创新性。同时虚拟仪器的使用打破了传统设备仪器对时间器材的限制，能够保证所学学生独自完成相关实验验证内容，并且能够帮助学生进行各种实验设计，为真实的实验进行做好准备工作。采用Labview和Matlab虚拟仪器进行的机械控制工程教学实践表明，虚拟仪器的使用能够促进该课程的教学改革，提高机械控制工程课程的教学质量。

参考文献：

[1]宋志安，徐瑞银.机械工程控制基础：MATLAB工程应用[M].北京：国防工业出版社.2008.

[2]林颖.基于虚拟仪器的振动测试系统设计[J].机床与液压.2008.36（3）：131-134.

[3]张文苑.虚拟式振动测试系统的研发和应用[J].仪器仪表与检测.2003（8）：68-70.