基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计

吕恩胜

摘 要：自动控制原理实验是电气、控制和机械专业学生学习自动控制原理课程的一个重要环节。本文设计了一种基于LabVIEW的虚拟自动控制原理实验系统，利用LabVIEW流程图编程语言，搭建了课程中常见的虚拟实验平台，该实验平台为自动控制原理课程提供了一种新的辅助教学手段。

关键词：LabVIEW;自动控制;虚拟实验系统

中图分类号：TP132文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0016-03

Abstract： The experiment of automatic control principle is an important link for students majoring in electrical， control and machinery to learn the course of Automatic Control Principle. This paper designed an experiment system of virtual automatic control principle based on LabVIEW. By using LabVIEW flow chart programming language， a virtual experiment platform for common experiments in the course was built. The experimental platform provided a new assistant teaching means for the course of Automatic Control Principle.

Keywords： LabVIEW;automatic control;virtual experiment system

“自动控制原理”课程是电气、控制和机械等专业一门重要的专业基础课，主要是培养学生分析、设计控制系统的能力和方法，为工业控制系统的设计和调试奠定坚实的基础[1]。在“自动控制原理”课程中，实验是验证理论知识的一个重要手段，通过实验，观察系统响应的现象，发现问题、分析问题并解决问题，可以加强学生对理论知识的理解，并得到充实与提高。但在“自动控制原理实验”课程教学也存在一些问题，如实验时间限制、设备缺失或老化、实验场地限制、指導教师缺乏等。因此，本文设计了一种基于LabVIEW的虚拟自动控制原理实验系统，可以不受时空限制，不用担心设备损坏，学生能自由发挥，教师可以远程指导，有利于提高学生解决问题的能力，提高教学效果。

1 自动控制原理实验平台设计的基本原则

自动控制原理虚拟实验教学系统设计，要能完成教学目标，适合电气、控制和机械类专业学生的认知规律和认知水平，解决课堂教学只顾公式推导，不能演示其原理等问题，通过虚拟实验平台帮助学生理解、消化“自动控制原理”课程所学复杂的理论知识[2-4]。在PC机上，教师、学生很容易进入、运行、暂停和退出实验系统，软件用户界面友好，仿真参数的输入、输出接口设置合理，有命令提示，操作方便、简单、易于掌握，整个系统风格一致。

2 LabVIEW虚拟实验系统子实验的实现

2.1 基于LabVIEW自动控制原理虚拟实验系统

本文设计的基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统界面简单，输入参数方便，点击按钮即可操作。自动控制原理虚拟实验系统设计了课程中常见的8个实验。具体LabVIEW虚拟实验系统包括以下子实验。实验一：一阶系统时域分析;实验二：二阶系统时域分析;实验三：线性系统的稳态误差;实验四：线性系统的频率分析;实验五：线性系统的根轨迹;实验六：二阶系统的PID校正;实验七：非线性系统虚拟实验;实验八：离散系统的分析与校正。具体见图1。

本文以“自动控制原理”课程中典型二阶系统的瞬态响应分析为例，阐述实验平台的设计思想和使用方法。在控制系统中，机械系统的质量-弹簧-阻尼器，电气系统的电阻-电感-电容等，控制的类型和元件在物理结构上千差万别，但在微分方程上都是二阶微分系统，即使是高阶系统，在一定条件下也可以降阶为二阶系统，足见二阶系统在控制系统中的重要性。接下来以二阶系统的瞬态响应分析实验子系统。

2.2 基于LabVIEW二阶系统时域分析实验系统

在“自动控制原理”课程中，输入信号为[Rs]，输出信号[Cs]，典型二阶系统，拉普拉斯逆变换得到时域响应结果均具有如式（1）[1]所示的形式：

2.3 欠阻尼二阶系统的动态过程分析

在式（3）欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应系统中，令

2.4 实验系统的操作面板设计

根据式（1）至式（10），对实验系统的面板进行设计，利用LabVIEW的Control Design and Simulation Module模块，设计如图2所示的操作面板。

在设计的虚拟自动控制原理实验系统中，每个子实验界面主要由4部分组成[2]，分别为：传递函数的设置、极点与参数、动态性能和单位阶跃响应曲线。传递函数的设置部分：在实验界面的左上侧输入实验系统的分子、分母，可以设计所需要的传递函数;极点与参数部分：实验系统计算得到所设计传递函数的极点、自然频率[ξ]、阻尼比[ωn]的具体数值;动态性能部分：传递函数在单位阶跃信号的输入驱动下，实验系统计算得到上升时间[tr]、峰值时间[tp]、超调量[σ%]、调节时间[ts]和稳态裕度等动态性能指标;单位阶跃响应曲线部分：在网格背景下以曲线形式显示实验瞬态结果，自动控制原理二阶系统时域分析虚拟实验系统。对照实验系统所示操作面板，后面板程序图如图3所示。

在学生自主实验过程中，利用基于LabVIEW软件设计好的系统，设置不同系统的输入参数，得到不同的结果响应，然后将实验系统测量值与理论计算值进行比较，可以更好地提高学习效果。

3 结语

本实验系统在开发过程中充分利用了LabVIEW图形化编程语言、人机界面友好、操作方便的特点，也充分利用了LabVIEW软件可以代替仪器功能的特点。设计的虚拟实验系统，应用于自动控制原理的辅助实验教学中，采用虚拟实验的方式，学生可以更好地理解控制理论的精髓，在教学中，大大提高学生的自主性和积极性，保证了学习效果，也提高了教师的教学效果，节约了实验所需要的场地和设备经费等。

参考文献：

[1]胡寿松.自动控制原理[M].6版.北京：科学出版社，2013.

[2]徐伟，谢启，徐惠钢.基于LabVIEW的虚拟电路实验系统设计[J].工业控制计算机，2010（12）：39-40.

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

[4]朱先桃.自动控制原理虚拟实验系统开发[J].浙江水利水电专科学校学报，2010（3）：65-69

[5]孙建芳，张国辉.一种虚拟实验系统的设计方法及应用[J].液压气动与密封，2008（2）：22-25.

[6]张君安.创办一流教育的理论与实践探索[M].西安：陕西人民出版社，2005.

[7]姚佩阳.自动控制原理学习指导[M].北京：北京交通大学出版社，2005.

[8]玄兆燕，朱洪俊，杨秀萍，等.机械工程控制基础[M].北京：电子工业出版社，2006.