基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验的构建

黄代政 李文 韦妙灵 林伟龙 覃茂昌

[摘 要]采用LabVIEW虚拟仪器技术进行自动控制原理实验，不仅有利于学生通过程序设计的过程在程序框图上更直观地理解自动控制理论，在程序运行上能够更动态地演示参数变化对输出结果的影响，加深学生对知识的理解，而且能够突破教学实验学时和实验空间的限制，降低实验成本，是传统实验的一种有效补偿与提高改进。

[关键词]LabVIEW；自动控制原理；实验

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）10-0086-03

一、自动控制原理实验存在的问题

自动控制原理课程是我校生物医学工程专业（医疗器械方向）的一门专业主干课程。其开设目的是通过该课程教学，让学生掌握自动控制原理的基础知识，学习掌握经典控制的基本理论、基本方法和控制系统的基本设计方法。该课程的主要内容包括控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等[1][2]。由于课程理论性强，涉及数学知识多，包含有大量的公式推导和运算，学生在学习过程中普遍感觉内容抽象，难于理解。为了让学生更好地理解和掌握知识，开设一定量的实验课是非常有必要的。

目前，国内自动控制原理实验所开设的内容一般包括二阶系统的阶跃响应实验、二阶系统的频域响应实验、线性系统的稳定性实验、采样控制系统实验、控制系统的校正实验、极点配置全状态反馈控制实验等，所使用的实验仪器主要是实验箱。这类仪器是把运算模块独立地内置在实验箱的电路板下面，当需要进行某项实验时，直接用短路板和导线将需要的模块进行组合连接。尽管实验设备所带来的是实验简单方便，学生易于操作，但是学生不容易明白其工作原理，即使是没有学过自动控制原理的人只要按照说明进行导线连接一样能完成实验。而且实验电路比较单一，学生不能按照自己的意愿去设计更多的控制系统。另外一种实验方法是采用倒立摆，这是自动控制原理实验最经典的仪器。它具有系统的非线性、不确定性、耦合性、开环不稳定性、约束限制等特点，而且有多种类型的倒立摆供实验者根据需要进行选择。但唯一的缺憾就是它需要的实验知识必须建立在电机学的学习基础上，我校生物医学工程专业的学生不开设这门课程。

对于理论系统性较强的自动控制原理，开设一定量的综合设计性实验是必要的和必需的。通过综合设计性实验，能够培养学生的创新意识和创新能力，提高学生独立分析问题和解决实际问题的能力，同时激发学生的学习兴趣和学习积极性，对于培养具有创新素质的应用型人才具有重要的现实意义。然而，由于学习时间有限制，同时实验材料的损耗，导致可完成的综合设计性实验不多。有限的综合设计性实验限制了学生对课程的掌握深度。因此，如何在有限的学时和有限的综合设计性实验中让学生掌握好知识，改变传统的实验教学模式成为当务之急。

显然，上述不管是单一知识点的自动控制原理实验，还是综合设计性实验的教学，如果采用传统实验方法，将会限制通过实验掌握理论的有效性开展，限制学生创新能力的提高，限制设计多样性的发挥。因此，我们急需采用一种实验方法，这种方法既能达到学生通过实验掌握知识的目的，又能开拓学生思维、增强学生动手能力。

二、虛拟实验简介

《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高（2012）4号）精神指出：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验能够虚实结合、相互补充，在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。显然，自动控制原理实验非常适合采用虚拟仿真来解决。

在虚拟实验中，由于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）软件的优势，采用其开发的虚拟实验得到了广泛的应用。

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的虚拟仪器开发平台。是一种图形化的编程语言，又称为“G”语言，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣[3][4]。由于它的表现形式和功能类似于实际仪器，同时LabVIEW程序容易改变其设置和功能，因此其特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等经常改变设备参数和功能的场合。LabVIEW的程序称为“VI”，每一个VI都有三个主要组成部分：前面板，框图和图标。1.前面板（front panel）：是VI的交互式用户界面，它包括旋钮，按钮，图形及其他控件（用于用户输入）和指示器（用于程序输出）；2.框图（block diagram） ：是VI的源代码，由LabVIEW的图形化编程语言即G语言构成，框图是实际可执行程序； 3.选项板（palette）：提供了创建、编辑用户VIs的前面板、框图时所需要的一些选项，包括工具选项板、控件选项板和函数选项板[5]。

相对于传统的标准仪器来说，由于LabVIEW是基于软件的，所以具有更大的灵活性。通过LabVIEW开发的虚拟仪器是由用户而不是仪器生产商定义仪器功能的。一台计算机、数据采板卡和LabVIEW的结合就能够变成一个可配置的虚拟仪器，并能完成用户设定的任务。通过LabVIEW就可以用传统仪器几分之一的价格创建一个用户所需要的虚拟仪器。当需要改变这个虚拟仪器的时候，只需几分钟的时间通过LabVIEW修改就可以了。通过将LabVIEW 软件引入实验教学环节，可以将抽象的概念转变成形象、生动、直观的图形和实例。通过仿真实验可以把课程中晦涩难懂的理论知识变得易于理解，更易激发学生学习课程知识的兴趣，加深对抽象概念的理解，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力[6]。

三、LabVIEW 在自动控制原理实验中的应用

根据自动控制原理的课程安排，同时为了让学生由浅入深学习LabVIEW，达到掌握自动控制原理知识的目的，设计了5个基本实验和5个综合性实验。基本实验具体为：1.基于Labview的二阶系统瞬态响应。实现给二阶系统输入单位阶跃信号，当两个结构参数[ξ]和[ω]分别输入不同值时，可以求出该二阶系统的动态性能指标：超调量Mp、峰值时间tp和调节时间ts，并且可以输出该二阶系统的单位阶跃响应曲线。2.基于Labview实现系统根轨迹图绘制实验。3.基于Labview系统频率特性实验。实现针对不同的传递函数，进行幅值、相位和频率的测量，并可以画出幅频特性和相频特性曲线。4.基于Labview的Nyquist图的绘制及稳定性判断。5.基于Labview实现PID控制功能。

限于篇幅，下文仅以“基于Labview实现PID控制功能”实验为例，对LabVIEW 在自动控制原理实验中的应用作说明。

PID控制是从比例、积分和微分三个环节来实现对系统控制的。常规PID控制系统原理框图如图1所示，该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

根据给定值[r（t）]与实际输出值[c（t）]构成控制偏差：

对偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）计算后通过线性组合构成控制量，作用于被控对象，其控制规律为：

其中， [Kp]为比例环节，能成比例的反映控制系统的误差，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小误差；[Ki]为积分环节，为了消除稳态误差，在控制器中引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零；[Kd]为微分环节，微分项的引入即能起到反映误差信号的变化趋势，并能在误差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度，减少调节时间[7][8]。因此通过设计合理的[Kp、Ki、Kd]参数得到控制信号，驱动受控对象使误差朝减小的方向变化，具有重要的意义。

基于LabVIEW 的控制是一种采样控制，因此还需对（2）式进行数字化，数字化后的增量式PID 控制算法如下：

采用LabVIEW编程，得到的程序框图根据不同的思路可以有不同的方式，但最终均会异曲同工。不同的框图搭建，体现了解题思路的不同，对于学生来说，达到一题多解的目的。通过这种一题多解的形式，能够激发学生灵活的思维，增强学生学习的兴趣与成就感。

对于PID控制，其中一种程序框图如图2所示。由图可见，程序的设计基本就是按照自动控制原理数学模型中框图的形式，通过连线来实现。通过这种简洁明了的框图结构，学生非常容易理解课本的理论知识。在做参数设置过程中也非常的简便，只需要用鼠标双击框图，即可打开相应的选项进行修改。同时在实验中，通过学生自行编写LabVIEW程序框图，得到程序框图之后，可以任意调节目标值，初始值，取样点。在固定任意两个控制参数的情况下，调节第三个参数，观察这一参数变化对输出的影响情况，从而加深对PID控制参数对输出结果的理解。设置好某一相应参数情况下，运行程序，界面如图3所示。

四、自动控制原理虚拟实验的优越性

采用LabVIEW进行虚拟实验，具有很多的优越性：实验要实现的功能完全交由用户自己决定；软件可以非常方便地与外设、网络及其他应用进行连接；整个实验的关键部分是软件，通过调节软件参数，可以实现和实物实验一样的结果，但是可节省大量的调试时间；相对于硬件设备，软件价格低廉，而且最重要的是可重复利用；技术更新快，通过软件可及时在线更新，能够让实验室时刻紧跟技术发展的步伐；基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用；LabVIEW是一个跨平台的开发工具，功能模块可构成多种仪器。LabVIEW虚拟仪器适应了现代化生产和科学研究对仪器的多品种、高精度、功能强、 自动化程度高、实时性好的要求。在使用上，由于学生可以在宿舍自己电脑上安装LabVIEW软件，从而实验就具有很高灵活性，不再受传统的实验教学模式的限制，无须固定在实验室，也不用在规定的实验课时内完成，打破了时间和空间上的局限性，有利于充分利用实验和科研资源；在实验效果上，虚拟实验系统可以使学生获得和真实实验非常相似的实验体会，加深对实验的理解和认识，更好地掌握书本上的内容。因此，在充分挖掘现有实验室资源的基础上，充分利用LabVIEW虚拟仪器技术，构建有效的虚拟实验系统，是自动控制原理课程实验发展的必由之路。

五、结束语

通过LabVIEW对自动控制原理进行实验，不仅可以让学生多掌握一门编程语言，更重要的是通过简洁的框图编写，加深学生对所学理论知识的理解，激发学生学习的兴趣。同时，在实验中，还能直观、动态地看到参数的改变对实验现象的影响。在现有实验条件有限的情况下，采用LabVIEW虚拟仪器设计进行实验，还可以节省实验经费，耗材支出，对传统实验形成有效的补充与提高。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 胡寿松.自动控制原理（第六版）[M].北京：科学出版社，2018.

[2] 任彦硕.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 张国强， 王斌， 赵静.Matlab与LabVIEW在信号与系统课程辅助教学中的应用[J].实验技术与管理， 2017（11）：145-148.

[4] 全曉莉， 周南权， 李双，等.基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验的构建[J].实验技术与管理， 2011（10）：82-84.

[5] 李江全，任玲，廖结安，等.LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例[M].北京：电子工业出版社，2013.

[6] 全晓莉，古良玲.基于LabVIEW 的电子类虚拟实验系统设计[J].实验技术与管理， 2018（2）：121-123.

[7] 李扬， 谢晖， 陈侃.基于LabVIEW的PID控制系统设计与实现[J].中国测试， 2008（3）：74-76.

[8] 史峰，王辉，郁磊，等.Matlab智能算法30个案例分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[责任编辑：黄紧德]