基于LabVIEW的《控制工程基础》课程仿真系统教学方法

方传智+张婷婷

摘 要：《控制工程基础》课程是机电相关专业必修的一门专业基础课程。课程涉及数学、电路、机械等多个课程，理论性强，知识面广，概念抽象，学生在学习过程中极易感到乏味、枯燥。针对这一现象，提出基于LabVIEW虚拟仪器和CDS控制设计与仿真工具包制作图形化仿真教学系统，将理论知识与工程应用结合，能够引领学生将理论和应用综合掌握，同时LabVIEW的图形化编程语言制作形象化的仿真分析界面，能够极大改善课程教学的枯燥乏味，激发学生积极性。

关键词：LabVIEW；控制设计与仿真；控制工程基础；图形化仿真教学系统

1 引言

高校《控制工程基础》是机电、自动化相关专业必修的一门专业基础课程，内容涉及数学、物理、电学、机械等多门课程。课程以理论分析演算为主，内容难度较大，课堂氛围极易枯燥乏味[1]～[4]。为了解决这些问题，本文设计了基于LabVIEW虚拟仪器制作控制工程基础教学仿真系统，利用LabVIEW CDS控制设计与仿真（Control Design and Simulation）工具包将工程应用场景（本文以电工学RLC二阶振荡电路为例），系统激励和响应，传递函数设计和频域分析等模块综合成图形化交互界面[5]～[6]。在这个仿真系统中学生可以根据电路调整RLC参数，输入信号并进行频域分析。相对传统教学能提升学生学习兴趣，改善课堂气氛；相对MATLAB和C等其他仿真语言，本文基于LabVIEW CDS工具包编制的仿真系统不仅能实现MATLAB等平台的所有仿真功能，在圖形化界面上能更形象直观的展示控制系统的整个流程，同时LabVIEW的图形化G语言编程相对于文本语言编程更利于学生理解掌握。

2 基于CDS的RLC振荡电路频率响应系统设计

LabVIEW CDS控制设计与仿真工具包是图形化编程语言LabVIEW软件中工程应用工具包中的一种，主要用于控制系统设计与分析，使用者能够载入已有控制系统或者创建新的系统，进行时域和频域性能分析。CDS工具包有若干函数块组成，主要功能包括：控制与仿真循环，模型参数设定，信号生成，信号运算，连续和离散系统设计和优化设计等，

本文演示一个《控制工程基础》课程教学中时域和频域都涉及的经典案例，RLC二阶振荡电路系统， RLC振荡电路由电阻R，电感L和电容C组成，系统传递函数模型为：

其中S是拉普拉斯算子， 为无阻尼固有频率， 为阻尼比。

在LabVIEW软件中，首先设置R，L和C三个参数，为了更直观表现，分别用图形控件中的数字旋钮和滑竿控制三个参数的输入， 输入信号Vi设置为交流电压，演示时利用滑竿实时改变输入频率，通过控制系统函数再实时输出响应时域信号，设计好的整个RLC振荡电路教学仿真系统界面如下：

上面的仿真系统首先根据RLC振荡系统的传递函数模型设置系统参数，图示电阻值为100Ω，电感值为50mH，电容为100μF，仿真系统由程序实时计算传递函数，输入激励信号在上图左下角，利用滑竿设置信号频率，信号幅值在图中读出峰值-1V～+1V，运行程序后响应信号在对应图形框中显示。右侧是表示系统频域响应的伯德图，右侧上下两幅分别是幅频谱图和相频谱图。由RLC振荡电路的原理可知其是一个单输入单输出（SISO）系统，设计思路是借由CDS工具包设计一个SISO系统，在输入环节设计参数（R，L和C参数值），再利用工具包中的时域和频域相关分析函数计算时、频域响应结果，整个控制系统程序相对与MATLAB等文本编程语言简单，能够极大减少工作量，由于采用图形化编程，编程错误相对文本语言也会较大减少。

这种基于CDS的仿真系统教学方法可以在完成《控制工程基础》理论授课后，在实验课上机环节完成。由于控制工程课程针对的是机电和测控专业学生，这两类专业的学生都会开设LabVIEW课程，学生只需要简单的LabVIEW基础就可以完成这种仿真系统设计。

4 结论

本文借助LabVIEW及其CDS工具包，设计了一种基于仿真系统的《控制工程基础》教学方法，并以课程中常见的RLC振荡电路系统为例，从系统分析，模型制作，程序编写，时域和频域响应结果输出等方面介绍了仿真系统的制作运行过程。利用图形化编程和界面演示，丰富了课堂教学内容，提高学生的学习兴趣，同时利用LabVIEW对工程中的控制系统进行仿真，可以加深学生对理论知识和软件应用的理解，为提高学生的工程应用能力奠定基础。

参考文献：

[1] 朱利民， 王明婓. 关于高校《自动控制原理》课程改革的探索[J].甘肃科技，2010，26（8）：168-170.

[2]王伟，申爱明.《控制工程基础》课程教学改革研究与探索[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2007，30（2）：139—141.

[3] 张段芹， 王辉. 面向“卓越计划”的“控制工程基础”教学改革探索[J]. 中国电力教育，2013，（7）：72-73.

[4]顾玉萍，石剑锋.MATLAB在《机械控制工程基础》教学中的应用 [J].职业教育研究，2007，（4）：168—169.

[5]郑对元.精通LabVIEW 虚拟仪器程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[6]孙建伟， 韩连英， 关英俊. 机械工程控制基础教材的改革研究[J]. 长春工业大学学报： 高教研究版，2013，（2）：84-85.