自動(dòng)控制原理開放式ELVIS虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

費(fèi)紅姿， 劉 友， 范立云， 費(fèi)景洲， 劉盛希蕊

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

自動(dòng)控制原理及實(shí)驗(yàn)課程是一門面向研究型大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)及其他工程類專業(yè)的主干課程，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論和技術(shù)在航天航空、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛和深入。為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和新世紀(jì)對自動(dòng)化人才的要求，對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革和優(yōu)化，是“自動(dòng)控制原理”課程發(fā)展的必然要求[1-4]。

虛擬儀器是近年來發(fā)展起來的儀器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，它可為用戶提供更廣闊的發(fā)揮空間[5-7]?；谔摂M儀器技術(shù)建立的自動(dòng)控制原理開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，一方面給予學(xué)生更大的發(fā)揮空間;另一方面也能夠適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展及教學(xué)內(nèi)容的不斷更新[8-10]。ELVIS是NI公司推出的虛擬儀器平臺，在此平臺上充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的說法[11-12]，與傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置相比，它具有可擴(kuò)展、集成度高、在線編程方便等優(yōu)越性。本文應(yīng)用NI公司ELVISⅡ建立了“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)平臺，將原來單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锇l(fā)展為開放式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑸閷W(xué)生提供一個(gè)開放式的軟件及硬件平臺，并結(jié)合專業(yè)方向，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)案例。

1 ELVIS結(jié)構(gòu)與性能

NI ELVISⅡ是基于圖形化編程語言LabVIEW的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原型創(chuàng)建環(huán)境，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ELVISⅡ結(jié)構(gòu)

ELVISⅡ平臺上集成了許多功能性儀器，如電源、波形發(fā)生器、萬用表、原型板等，做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需必要的電子元器件，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置相比，它的實(shí)現(xiàn)更具優(yōu)越性[13-14]。此外，因?yàn)?ELVIS平臺具有數(shù)據(jù)采集功能，可以直接把模擬信號輸入到計(jì)算機(jī)中，所以測試控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能只需要連線和軟件編程。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常要用到單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，原理復(fù)雜且不便調(diào)試。ELVIS平臺附加功能強(qiáng)大，用戶界面豐富，可以通過其開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)更多的功能，為自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺的搭建奠定了基礎(chǔ)。

2 開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>

基于ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制原理開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鐖D2所示。該方案的特點(diǎn)是學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案或者對現(xiàn)有方案進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新及驗(yàn)證，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)到學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的樂趣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒殖蓛蓚€(gè)階段，設(shè)計(jì)階段和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證階段。

(1)設(shè)計(jì)階段。首先由老師根據(jù)學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)需求提煉經(jīng)典案例，給出控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求;學(xué)生根據(jù)性能指標(biāo)要求。自主設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案，包括建模、分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。方案設(shè)計(jì)完成后提交指導(dǎo)老師審核，如果有問題則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改，如果合格則進(jìn)入下一階段。

(2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證階段。在ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行，包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺上提供了原型實(shí)驗(yàn)板，板上提供了電源、波形發(fā)生器、萬用表及數(shù)據(jù)采集模塊等，硬件設(shè)計(jì)過程是指學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案在此平臺上連接不同的模塊，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以搭建模擬電子電路來模擬被控對象或者執(zhí)行裝置等，再組成閉環(huán)系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)主要是指控制器的設(shè)計(jì)，經(jīng)典的有PID控制、現(xiàn)代的有極點(diǎn)配置和智能控制等方法，這些設(shè)計(jì)方法在NI公司LabVIEW軟件平臺上都可以方便地實(shí)現(xiàn)。此外，軟件設(shè)計(jì)還包括數(shù)據(jù)采集設(shè)置和系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改，系統(tǒng)輸入與輸出信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示。最后，對所設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。

圖2 自動(dòng)控制原理開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

3 應(yīng)用實(shí)例

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是控制理論在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)中的典型應(yīng)用，其基本原理是通過控制執(zhí)行器齒桿的位置來調(diào)節(jié)柴油機(jī)噴油量，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制。本節(jié)在ELVIS虛擬儀器平臺上對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

3.1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理

圖3為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖，該控制系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)速、齒桿位移為控制目標(biāo)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是齒桿位置控制，外環(huán)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制。采用雙閉環(huán)控制方式，可以大大增加抗干擾能力，有效提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖3 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖

由于實(shí)際的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，也不直觀，只能進(jìn)行簡單演示，很難讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了將自動(dòng)控制理論與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，驗(yàn)證柴油機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)性能，本文在NI公司ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺上，設(shè)計(jì)了基于開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速模擬控制系統(tǒng)案例。

3.2 系統(tǒng)建模與仿真電路設(shè)計(jì)

在ELVIS虛擬儀器平臺上實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，首先需要將柴油機(jī)和執(zhí)行器的模型進(jìn)行簡化，化簡成可以用模擬電子電路來實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，忽略柴油機(jī)的非線性因素，柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以近似為由一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)滯后環(huán)節(jié)組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)[15]，即為

時(shí)間滯后常數(shù)τ取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、汽缸數(shù)以及沖程數(shù)，按下列式估算:

式中:n為柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min);q為柴油機(jī)的氣缸數(shù)目。

對于295D柴油機(jī)來說，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min，氣缸數(shù)目為 2，沖程數(shù)為 4，Td=0.8，Tg=1，由式(2)可近似求得 τ=0.09 s，則根據(jù)式(1)，柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以化簡為

根據(jù)式(3)，柴油機(jī)的模擬仿真電路可由電阻、電容和放大器組成的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)得到，如圖4所示。圖中 R1=R2=8 kΩ，R3=R4=9 kΩ，C1=100 μF，C2=10μF。

圖4 柴油機(jī)模擬仿真電路模型

通常比例電磁鐵執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型可以簡化為一階慣性環(huán)節(jié)[15]，其傳遞函數(shù)為

式中:Tk為執(zhí)行器慣性系數(shù);k為常數(shù)，在電磁力的作用下，齒條位置與驅(qū)動(dòng)PWM信號的占空比的對應(yīng)關(guān)系。

本文選用的比例電磁鐵的參數(shù)為:Tk=0.1，k=0.3。其傳遞函數(shù)為

執(zhí)行器相當(dāng)于一階慣性環(huán)節(jié)，其模擬仿真電路模型如圖5 所示。圖中 R1=3.3 kΩ，R2=1 kΩ，C=100 μF。

圖5 執(zhí)行器模擬仿真電路模型

圖6為在ELVIS原型實(shí)驗(yàn)板上搭建的柴油機(jī)和執(zhí)行器的模擬仿真電路模型。

圖6 柴油機(jī)和執(zhí)行器仿真電路模型搭建

3.3 控制器設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)都采用PID控制器，應(yīng)用LaVIEW軟件編寫，圖7為程序框圖。圖8為系統(tǒng)仿真界面，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入、輸出信號顯示，在線修改PID控制參數(shù)等。

圖7 雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

圖8 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真界面

本文基于ELVIS虛擬儀器建立了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺，并在此基礎(chǔ)上開展開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?。同時(shí)，結(jié)合學(xué)生專業(yè)方向，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)案例。實(shí)踐表明，基于ELVIS的實(shí)驗(yàn)平臺功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，學(xué)生易于掌握和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)中的操作方便省時(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。該實(shí)驗(yàn)平臺還可面對更多課程的實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐及創(chuàng)新機(jī)會?？傊?，基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在高校實(shí)驗(yàn)室中有十分廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 楊 欣，蘇玉剛，謝昭莉，等.工程類專業(yè)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(10):312-314.

[2] 程淑紅，劉 琳，劉志新，等.自動(dòng)控制理論教學(xué)改革的思路與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2006，29(5):433-436.

[3] 楊匯軍，張 健.自動(dòng)控制理論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，12，13(6):20-22.

[4] 吳 曉，堵 俊.電氣專業(yè)課程綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(8):24-25.

[5] 孫 斌，趙玉曉，張新娜.基于虛擬儀器的自控原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(5):105-108.

[6] 周高偉，張若青.虛擬儀器技術(shù)在自控原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(3):49-52.

[7] 喬玉晶，魏建宇，謝 迪，等.基于虛擬儀器的測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31(8):75-77.

[8] 孫 潔.“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(6):69-70.

[9] 孫 丹，程 鵬.自動(dòng)控制原理開放式實(shí)驗(yàn)平臺的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(增刊):299-305.

[10] 張軍香.建立開放式自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中心的探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(2):132-135.

[11] 李衛(wèi)潔.采用ELVIS的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)[J].應(yīng)用天地，2008，4，27(4):62-64.

[12] 胡繼康，陳永志，周求湛，等.基于NI ELVIS的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，5，31(5):154-157.

[13] 閻紅娟，張若青.采用NI ELVIS的控制工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(3):27-28.

[14] 徐 苒，金暄宏，戴曙光.基于NI ELVIS II的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2010，2:33-35.

[15] 王尚勇，楊 清.柴油機(jī)電子控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:23-27.