基于LabVIEW和Multisim的自动控制实验设计

李智 李青萌

摘要：  针对传统的“自动控制理论”课程的实验教学存在硬件设备老化、实验手段滞后等问题，为进一步改进大学自动控制实验效果，本文采用LabVIEW软件，开发了能够读取Multisim设计的控制系统电路图、显示电路的时间响应仿真波形，并对系统时域性能指标进行自动提取的一个交互分析系统。同时，以串联超前校正实验为例，说明了实验系统的便捷性、实用性。仿真与实验结果表明，本实验系统可以方便、直观地模拟真实实验，有助于巩固和完善自动控制理论教学内容，提高教学效率、改善实验效果、降低实验费用。该设计有利于更好地培养学生的自主性和创新性。

关键词：  虚拟实验; 自动控制; LabVIEW; Multisim; 实验教学软件; 时域性能

中图分类号： TP391.9文献标识码： A

作者简介：  李智（1965-），男，副教授，主要从事测控技术与仪器、虚拟仪器技术的教学与研究工作。 Email： lizhiqd65@qq.com

目前，高校里自动控制原理实验普遍使用的是一些传统实验仪器设备，如自动控制实验箱、示波器以及传统的函数信号发生器等。尽管这些实验仪器设备有一定的技术优点，但是在实验中还是存在诸如测量误差大、数据结果不精准、实验效率不高和稳定性差等问题[1]。近年来，随着高校本科招生人数的增多，无法满足学生对实验仪器设备和资源的巨大需求，而且实验设备价格昂贵、更新速度慢、维护升级费用越来越高。随着科技的发展，越来越多的老旧设备被淘汰，原有的硬件设备除了老化损坏等问题外，也不能达到新时代新教学实验的要求。为进一步提高现代化实验教学水平、培养高素质的创新型现代科技人才，需要有意识地采用新的教学方法和新的教学思路[210]。因此，本文利用LabVIEW和Multisim软件平台设计自动控制原理的一些实验，操作者可以在一台电脑上直接进行虚拟实验，将抽象的理论知识和复杂的分析结果图像化、具体化，操作者只需用电脑进行简单的实验电路图搭建和绘制，并通过虚拟实验系统就可轻松查看和分析实验结果，易于使用和操作。该设计既可减轻高校实验室建设的压力，也能提升学生的学习实践兴趣，同时对学生的专业知识、综合素养以及学生的创新和实践能力均有所提高。虚拟实验可以作为传统实验教学的一个重要补充和扩展，使实验教学在知识时间的维度和知识空间的维度上都得到提升和延伸[11]。该设计对高校实验教学具有重要意义。

1实验系统操作界面

本文基于LabVIEW、Multisim及LabVIEW与Multisim的API工具包，设计了一个自动控制实验系统，在此系统上可以进行自动控制系统的时间响应实验。打开用Multisim设计的系统电路原理图，调整阶跃输入信号的参数，动态仿真系统阶跃响应波形，并能对系统时域性能指标进行自动提取，消除了人工观测读数带来的误差和不便，减轻了学生在实验过程中的计算量、复杂度及操作难度，提高了实验效率。本虚拟实验系统能改善教师单一的课堂教学模式，让学生和教师可以在课堂、学校宿舍、图书馆等任何地点都能进行虚拟实验操作，分析实验结果等，突破了传统实验受时间、地点的限制。虚拟实验系统操作界面如图1所示。包括输入信号设置、时间响应仿真波形及时域性能指标、电路原理图3个区域。在输入信号区域，可以设置阶跃信号初始值、阶跃值、阶跃时间（min）、采样率（点/min）、仿真测试时长（mim）、测试宽度和稳态值测试精度。时间响应分析区域包括时间响应仿真波形及时间响应的峰值、稳态值、超调量、调节时间、峰值时间和上升时间等时域性能指标。首先打开采用Multisim设计好的系统电路原理图，设置好阶跃输入信号的参数，按开始按钮，系统会显示电路的阶跃响应动态仿真波形及时域性能指标。

2系统设计

建立LabVIEW与Multisim间的通讯是本系统设计的关键。LabVIEW与Multisim连接工具包是基于一组专门面向Multisim软件后台自动化仿真api的软件封装应用程序。Multisim自动化的api封装程序支持软件的后台进行自动化仿真和软件后台数据采集，基于自动化com的接口可以实现此功能，利用其接口进行软件后台仿真时，无须手动打开接口访问Multisim，利用仿真引擎LabVIEW可以通过自动化com的接口自动访问软件后台Multisim，并可利用该软件后台仿真引擎自动采集软件后台仿真数据，并对仿真数据进行实时处理和分析。

通過集成工具可动态分析和评估仿真电路的性能。该工具包内，封装各种函数，如打开、关闭和查看电路的函数，以及开始运行、暂停和停止仿真函数，若需要在LabVIEW中调用这些函数，不用再去访问Active-X控件[12]。本系统在LabVIEW中读取Multisim信号，LabVIEW读取Multisim信号程序框图如图2所示，显示波形程序框图如图3所示。

计算时域性能指标程序框图[1314]如图4所示。最新版的Multisim提供了LabVIEW和Multisim之间进行数据交流的新工程设计方式——联合模拟仿真。通过联合仿真既能在LabVIEW中实时更改阶跃电压的数值等在以前的Multisim中不方便修改的参数，还可以直观的看到实时仿真波形图，并可以对波形图数据进行计算和处理。LabVIEW和Multisim联合仿真程序框图如图5所示。

3实验案例

传统的控制系统串联校正实验需要使用多种仪器设备，具有一定的局限性。通常通过示波器的波形提取各个参数，计算时域的各个指标，容易出现读数不准确，同时在计算处理各个参数时费时费力，计算量比较大，不够直观，影响实验效果。用本虚拟实验系统能够自动读取Multisim中电路的响应波形，调整输入阶跃信号的参数，并能对系统的时域性能指标进行自动计算和提取，消除了人工观测读数带来的误差和不便，减轻了学生在校正实验中的压力和计算量。本交互式的试验系统还能使教师可以方便地判断当前控制电路的性能指标能否符合校正实验的要求，提高了设计效率。本实验系统不仅可以用于串联校正实验，还可用于各种需要对电路时间响应波形进行读取和分析的实验，同时，可根据不同的实验要求对系统进行扩展和优化，提高实验效率。以系统串联超前校正实验为例[1516]，采用本实验系统进行实验，对一个预设闭环电路系统进行校正，设计校正环节使其达到设计要求。

实验设计需求，已知未校正闭环控制系统电路图如图6所示。图中，U1～U4为四个运放，系统中其他元件参数为C1=C2=1 μF，R4=510 kΩ，R1=R2=R3=R5=R6=R7=200 kΩ，R8=100 kΩ。该系统的预期时域性能指标为调量Mp≤5%，调节时间ts≤1 s，系统斜坡响应稳态误差ess≤5%。对系统进行时域性能分析，并设计校正环节[17]。

根据系统电路图，经分析、计算得未校正闭环控制系统的开环传递函数为

LO（s）=255（051s+1）s（1）

利用本实验系统对未校正系统进行测试分析，未校正系统时间响应仿真波形及性能指标如图7所示。

时域性能指标为超调量Mp=6211%，调节时间ts=203 s，上升时间tr=008 s，峰值时间tp=123 s。系统的性能指标未达到设计要求，需要对系统进行校正。

采用串联相位超前校正环节为现有系统提供附加的超前相角，改进系统的动态性能[1820]。相位超前校正环节传递函数为

式中，Kc为比例系数;τ为一阶微分环节时间常数;T为惯性环节时间常数。将校正环节串联至未校正系统电路中，得到校正后系统电路[17]，校正后系统电路图如图8所示。

校正后闭环控制系统的开环传递函数为

L（s）=LO（s）Gc（s）=255（051s+1）sKcτs+1Ts+1（3）

按照预期的时域性能指标，对超前校正环节电路中各个元件参数进行设计、计算得：Kc=08，τ=05，T=0025;各元件参数C3=10 μF，R11=25 kΩ，R6=R10=100 kΩ，R9=250 kΩ[17]。利用本实验系统对校正后闭环系统进行分析和测试，该闭环系统的时域响应指标为Mp=43%，tr=0103 s，tp=0154 s，ts=0236 s。上述时域响应性能指标满足设计要求，所设计的超前校正环节达到了预期目标。利用本实验系统在计算机上进行的虚拟实验，与在实验室用传统仪器做的实验结果一致，与传统仪器一样有效，在有些场所可以用虚拟实验代替传统实验，解决了当前自动控制实验教学存在的一些问题。

4结束语

本文用Multisim为控制系统搭建电路，用LabVIEW设计虚拟实验系统进行自动控制系统的时间响应实验，一定程度上拓展和改善了控制系统实验过程，提高了自动控制实验的便捷性，具有一定的适用性、实用性，比传统的实验教学装置更具有灵活性。本实验系统为控制理论实验教学的开展提供了新的工具，改善了教师单一的课堂理论教学模式，通过形象直观的教学演示，加深学生对自动控制理论的深入理解和领会。同时，学生和教师还可以在学生宿舍、图书馆等地点进行虚拟实验，提高了学生的理论实践水平和技能。

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Abstract：  Aiming at the problems of hardware aging and lagging experimental means in the traditional experimental teaching of "automatic control theory"， in order to further improve the effect of automatic control experiment in University， an interactive analysis system is developed with LabVIEW， which can read the circuit diagram of control system designed by Multisim， display the time response simulation waveform of the circuit， and automatically extract the time-domain performance parameters of the system. Taking the series lead compensation experiment as an example， the convenience and practicability of the experimental system are illustrated. The simulation and experimental results show that the experimental system can easily and intuitively simulate the real experiment， help to consolidate and perfect the teaching content of automatic control theory， improve the teaching efficiency， improve the experimental effect， reduce the experimental cost， and better cultivate the students′ autonomy and innovation.

Key words： virtual experiment; automatic control; LabVIEW; Multisim; experimental teaching software; time domain performance