基于虛擬儀器的《機(jī)械控制工程》實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

劉遠(yuǎn)韜,程軍紅,趙錦芝,趙則祥,門(mén) 鋼

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

基于虛擬儀器的《機(jī)械控制工程》實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

劉遠(yuǎn)韜,程軍紅,趙錦芝,趙則祥,門(mén) 鋼

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

利用LabV IEW進(jìn)行了教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)了基于LabV IEW的《機(jī)械控制工程》課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)模塊進(jìn)行了分析設(shè)計(jì),描述了《機(jī)械控制工程》課程主要部分的設(shè)計(jì)過(guò)程.該平臺(tái)已運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐,效果良好.關(guān)鍵詞: LabV IEW;機(jī)械控制工程;教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,在大學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中,計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)得到了廣泛應(yīng)用.但是,對(duì)于一些專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的理工學(xué)科來(lái)說(shuō),普通的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)已經(jīng)很難達(dá)到讓學(xué)生既可以深入學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)理論技術(shù),又可以緊密結(jié)合工程實(shí)踐知識(shí)的目的.以《機(jī)械控制工程》為例,該課程內(nèi)容難,知識(shí)點(diǎn)多,僅僅通過(guò)老師的課程講授,學(xué)生很難將理論與實(shí)際相結(jié)合;而且,課程學(xué)習(xí)需要運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)知識(shí),部分同學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差,對(duì)一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算無(wú)法掌握,這讓他們?cè)谡n程學(xué)習(xí)中望而卻步.

為此,本文提出了一種基于LabV IEW的《機(jī)械控制工程》課程的教學(xué)課件制作方法,利用LabV IEW強(qiáng)大的分析功能和友好的用戶(hù)界面[1-3],不但可以節(jié)省大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入,也有助于學(xué)生從繁瑣的運(yùn)算中解放出來(lái),用更多的時(shí)間去明確概念;與Lab-V IEW配套的硬件資源使獲取實(shí)際對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變得非常輕松,把課堂變成測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),能得到真實(shí)的分析與展示,活躍課堂教學(xué).

目前,《機(jī)械控制工程》這門(mén)課程課后實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用Matlab進(jìn)行分析,本文將LabV IEW引入《機(jī)械控制工程》課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn).

1 基于LabV IEW開(kāi)發(fā)教學(xué)課件的研究

由于LabV IEW軟件與眾不同的特點(diǎn),在基于LabV IEW進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究時(shí),必須對(duì)LabV IEW的2個(gè)面板(即前面板與程序面板)同時(shí)進(jìn)行開(kāi)發(fā).

前面板是對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的演示界面進(jìn)行搭建,程序面板主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各個(gè)程序進(jìn)行設(shè)計(jì),如子程序模塊的建立與調(diào)用、調(diào)用方法節(jié)點(diǎn)、目錄路徑操作、LabV IEW數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建及調(diào)用以及各種典型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)等.而且程序框圖中還可以對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行制訂,完成對(duì)虛擬儀器所具有的信號(hào)的采集、分析處理功能的操縱與控制.

鑒于LabV IEW開(kāi)發(fā)環(huán)境的獨(dú)特性,課件的實(shí)現(xiàn)很自然地分為了兩條線(xiàn),一條是課程內(nèi)容的承載及演示,另一條則是演示過(guò)程的切換和控制.

這兩條線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)于LabV IEW開(kāi)發(fā)環(huán)境的前面板和后面板.課件的構(gòu)成分為兩大部分:一部分以課件頁(yè)面的組織結(jié)構(gòu)及邏輯關(guān)系為核心;另一部分則以實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的控制、切換和必要的儀器功能為核心.兩部分之間應(yīng)是一種映射的關(guān)系,并通過(guò)LabV IEW的內(nèi)部機(jī)制進(jìn)行關(guān)聯(lián)[4-5].

課件的結(jié)構(gòu)通過(guò)層來(lái)組織,可以將課件的結(jié)構(gòu)分為3層,每一層的實(shí)現(xiàn)及控制分別對(duì)應(yīng)于前面板和程序框圖.各層之間從上到下為依賴(lài)關(guān)系,第1層為主界面層,由主程序模塊控制實(shí)現(xiàn),如圖1所示;第2層為各章節(jié)子界面層,由章節(jié)子程序模塊控制實(shí)現(xiàn);第3層為頁(yè)面層,由翻頁(yè)程序模塊控制實(shí)現(xiàn).層內(nèi)則是并列關(guān)系,可以通過(guò)增加層內(nèi)的模塊來(lái)擴(kuò)充課件的內(nèi)容.課件的程序設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu),分為主程序模塊、各個(gè)章節(jié)子程序模塊和翻頁(yè)控制子程序模塊等.主程序模塊以課件主界面的形式來(lái)體現(xiàn),并控制各個(gè)章節(jié)子程序模塊的動(dòng)態(tài)加載及運(yùn)行.

圖1 課件主頁(yè)面

基于LabV IEW的多媒體課件,除了具有傳統(tǒng)課件所應(yīng)有的演示頁(yè)面、翻頁(yè)控件及其他一些控制和顯示控件等構(gòu)成要素外,還具備其所獨(dú)有的虛擬儀器單元,這是其最重要、最突出的特征.

課件框架主面板由4部分組成.最上一行為標(biāo)題欄,顯示課程名稱(chēng)以及各個(gè)章節(jié)名稱(chēng);標(biāo)題欄下方就是課件的主要內(nèi)容,右面上方為當(dāng)前時(shí)間,可有助于教師實(shí)時(shí)掌握時(shí)間,以便調(diào)節(jié)教學(xué)進(jìn)度.其下方是章節(jié)導(dǎo)航區(qū),展示章節(jié)目錄以及每章節(jié)各小節(jié)目錄,可以鼠標(biāo)點(diǎn)選進(jìn)行迅速切換,也可按“上頁(yè)”、“下頁(yè)”按鈕選擇頁(yè)面.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在《機(jī)械控制工程》中,學(xué)習(xí)者必須學(xué)習(xí)和掌握大量的數(shù)學(xué)知識(shí),如控制系統(tǒng)的微分方程、非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型的線(xiàn)性化等,并且學(xué)生還要進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算,如拉氏變換與反變換、傳統(tǒng)函數(shù)的運(yùn)算、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、控制系統(tǒng)的頻域特性分析以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析等[6-8].

以二階傳遞系統(tǒng)為例,在系統(tǒng)傳遞過(guò)程中,必須要考慮到外界干擾因素以及系統(tǒng)自身干擾因素對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響.

首先,要考慮當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),外界干擾因素為零,系統(tǒng)自身內(nèi)部穩(wěn)定時(shí),系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特性分析;其次,要考慮當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),并有外界干擾因素,以及系統(tǒng)自身內(nèi)部不穩(wěn)定時(shí),系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特性分析(如圖2、圖3所示).

經(jīng)分析可知,當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),并有外界干擾因素,以及系統(tǒng)自身內(nèi)部不穩(wěn)定時(shí),系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)并不穩(wěn)定,并且傳遞函數(shù)的誤差較大.因此,為減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,需要進(jìn)行調(diào)節(jié),經(jīng)過(guò)調(diào)整放大器增益,使閉環(huán)傳遞獲得更好的性能系統(tǒng).

自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析是其理論研究的主要課題之一.控制系統(tǒng)穩(wěn)定的首要條件是其傳遞系統(tǒng)必須穩(wěn)定,一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的.經(jīng)典控制理論為我們提供了多種判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法,也被稱(chēng)為系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù).控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指去掉作用于控制系統(tǒng)上的外界干擾后,系統(tǒng)輸出y(t)能足夠精確地恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置[9-10].

為此,在基于LabV IEW的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)中,我們對(duì)傳遞系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析進(jìn)行開(kāi)發(fā),如圖4所示.

在上述實(shí)驗(yàn)中,首先,我們對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行變換,并求出這個(gè)傳遞函數(shù)的所有極點(diǎn),根據(jù)這些極點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)判定傳遞函數(shù)是否穩(wěn)定;如果穩(wěn)定,可進(jìn)行傳遞函數(shù)不同信號(hào)的分析與演示.

圖4 傳遞函數(shù)穩(wěn)定性分析

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)目前許多大學(xué)理工類(lèi)課程的教學(xué)過(guò)程中,大多學(xué)生對(duì)抽象的專(zhuān)業(yè)概念性知識(shí)難以理解,并被困擾在復(fù)雜的公式運(yùn)算之中的情況,進(jìn)行了基于LabV IEW的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā).基于LabV IEW的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)使虛擬儀器技術(shù)融人于課堂教學(xué),發(fā)揮了虛擬儀器在教學(xué)過(guò)程中的作用,增強(qiáng)了課件的交互功能,對(duì)教學(xué)改革具有一定的實(shí)際意義.

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Development of Experiment Test Platform for《Mechanical Control Engineering》Course Based on Virtual Instrument Technology

L IU Yuan-tao,CHENG Jun-hong,ZHAO Jin-zhi,ZHAO Ze-xiang,M EN Gang(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Abstrat:Labview is used in this article to develop teaching and experiment test p latform of《Mechanical Control Engineering》course.M any experiment modules are designed to describe《Mechanical Control Engineering》course in various parts of the design p rocess.Computer technology and LabV IEW are introduced into all aspects of《Mechanical Control Engineering》course.

LabV IEW;mechanical control engineering;teaching and experiment test p latform

TP274.4

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.04.016

1671-6906(2011)04-0072-03

2011-06-27

劉遠(yuǎn)韜(1969-),男,遼寧綏中人,講師,碩士.