基于Labview的设施环境自动控制教学实验改革

钱稷　周娟　唐娟　邸葆

摘 要：根据设施农业科学与工程专业对《设施环境自动控制》课程实验的需要，本文利用Labview软件设计了一套课程实验教学系统。本实验系统采用模块化的设计思想，在实验环节设置上，除了《自动控制原理》课程中常见的基础性实验外，还包括水位控制系统设计、温湿度控制系统设计和综合实验等。此系统解决了实验教学中仪器设备缺少的问题，便于学生学习和使用，提高学生学习的兴趣，非常适合该专业学生的实验教学。

关键词：Labview;设施环境自动控制;实验系统

0 引言

设施农业科学与工程专业是一门农业与工程相结合的新兴专业。《设施环境自动控制》是该专业中的工程类专业基础课程之一，是一门讲述在农业生产实践中如何应用自动控制理论的重要课程。该课程理论性较强，教学内容抽象，又与工程数学紧密结合，所以在学习过程中需要通过实验教学环节辅助学生深刻理解和运用理论知识[1]。由于设施农业科学与工程专业是一个交叉学科，单方面的工程或农业技术并不能满足它的实验教学需求，与之配套的相关实验仪器少之又少。同时在传统的自动控制实验教学中，电子仪器起着主导作用，这些仪器大多是以电子元器件等硬件或固化的软件形式存在的[2]，不利于该专业学生对实验原理的理解和掌握，同时也不适合《设施环境自动控制》实验的要求。所以有必要研究一套适合该专业学生开展《设施环境自动控制》实验的系统。

Labview是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境，它通过计算机软件把通用计算机和基本的信号采集硬件有机结合起来，完成传统仪器所具有的和无法具有的功能。虚拟仪器以其应用方案灵活、性能提高快、系统尺寸更小、易集成和扩展及更低的综合成本，给测量测试和自动化领域以及教学实验和科学研究带来了巨大变化，在实验室的现代化建设中应用虚拟仪器已成为一大趋势，并得到广泛的应用。

将Labview技术应用于《设施环境自动控制》的实验教学，开发一套实验教学软件，可以克服该专业教学实验仪器设备缺少的现状;由于其图形化的编程语言，大大减少了学习和开发时间，给程序开发带来了便利;同时该教学软件人机交互界面良好，便于学习和使用，能够提高学生学习的兴趣，非常适合该专业学生的实验教学。

1 实验系统总体方案设计

本实验系统在实验项目设置上根据学生理论课程的学习进度和对理论知识的理解程度，将实验划分为基础性项目和拓展性项目两大类。具体内容如图1所示。

图1 实验项目设置

2 实验系统实现方法

本实验系统不仅能够完成《设施环境自动控制》课程中针对于系统分析、设计的实验内容，还可以进行综合实验，各个实验模块作为实验系统的子系统，用Labview实现时均为子VI的形式。学生在做实验时打开软件以后进入到系统主界面，在主界面中包含了所有实验模块的子VI调用控件，控件的标签名称为该实验项目的名称。实验项目分为基本项目和拓展项目两大类，学生可以根据理论学习的进展和深度选择合适的实验项目。

2.1主程序设计

运行Labview应用程序，在文件中选择创建VI项目。在其前面板上添加十个布尔开关控件，标签显示为实验项目的名称，在程序框图界面将各个控件分别连接到各个实验模块（即各个独立的实验模块以子VI的形式出现在主程序中，等待调用），当点击要操作实验项目的名称即可进入相应程序的界面。

程序框图，通过while循环以及条件结构，将各个实验模块以子VI的形式连接到对应标签的布尔开关控件上。

2.2实验模块设计

以二阶系统阶跃响应实验模块为例，该实验可以观察在不同阻尼比ζ和角频率ω作为输入时二阶系统的输出随时间变化的曲线，并且可以求出时域性能指标，包括超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts[3]。

运行Labview应用程序，创建新VI项目，将会弹出项目的前面板和程序框图面板，在前面板中添加两个系统-修饰-系统标签控件，分别作为实验模块的标题和实验内容介绍;两个数值输入控件，分别用于输入二阶系统参数阻尼比ζ和角频率ω;三个数值显示控件，分别显示系统性能指标σ%、tp和ts;一个图形显示控件，功能是显示二阶系统响应曲线;一个布尔开关控件，用于停止系统运行;最后合理调整各个控件的摆放位置，保持整齐美观，界面如图3所示。

在程序框图面板中添加MATLAB脚本控件、重排数组维数控件、时钟控件。MATLAB脚本控件上添加输入输出，写入文本程序，最后对应连接各个控件，为了配合输入量的改变时系统可以持续输出对应曲线，此系统也添加了While循环结构。添加延时为100ms，期间检测到ζ和ω改变，其变化曲线会显示在前面板的图形控件上，靜态指标也会对应的显示。

点击前面板菜单栏运行按钮，设置系统的阻尼比为0.5，角频率为5，显示出对应的欠阻尼情况下系统响应曲线以及对应的动态性能指标的值。

3 结论

本文设计的基于虚拟仪器的实验教学系统使用简单、方便，人机交互界面友好，开发成本低、时间短，很好地解决了传统实验教学中存在的实验室资源受限的问题，同时加强了学生对理论知识的理解，提高了学生学习的主动性，增强了学生将理论知识应用于实践的能力。

参考文献

[1]熊姗霞，苏韬.基于LabVIEW的自动控制原理实验教学改革的思考[J].科技创新与应用，2015，33：103.

[2]孙炳达.自动控制原理[M].机械工业出版社，2016.

作者简介：

钱稷：河北农业大学园艺学院，讲师，研究方向：环境调控与逆境生理。

项目支撑：河北农业大学第十批教学研究项目2018YB71。