基于Labview和myDAQ的自動控制原理實驗軟件平臺開發(fā)

韋青燕， 徐愛民

(江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室; 南京航空航天大學 能源與動力學院， 江蘇 南京 210016)

0 引 言

我校系統(tǒng)控制與仿真實驗室原有的自動控制原理實驗平臺是基于ACL-8112PG開發(fā)的，使用時必須嵌在臺式計算機主機箱ISA插槽中，不便隨身攜帶，且已使用多年，穩(wěn)定性變差，無法保證實驗的正常開設，嚴重影響了實驗教學的順利進行。由于NI公司的myDAQ采樣速度高、穩(wěn)定性好、使用便捷，實驗室在學校實驗室修購基金資助下購置了20套myDAQ[1]。同時利用已有的自動控制綜合實驗儀作為被控對象，搭建了自動控制原理實驗硬件平臺[2,3]?；趫D形化編程的Labview開發(fā)工具，易于學習和使用，能縮短軟件平臺的開發(fā)周期[4,5]。因此，本文采用myDAQ+Labview的開發(fā)架構，開發(fā)了自動控制原理時域和頻率特性測試軟件平臺，加快了新舊實驗平臺的更新，其接口開放性好，便于實驗項目和功能模塊的更新。

1 系統(tǒng)平臺及主要功能模塊

myDAQ數(shù)據(jù)采集卡體積小，通過USB與計算機連接，使用方便[1]?；趍yDAQ的自動控制原理實驗硬件平臺,由主控計算機、myDAQ數(shù)據(jù)采集卡和自動控制綜合實驗儀組成，采用模擬輸入輸出通道AI和AO與自動控制綜合實驗儀中被控對象進行數(shù)據(jù)通信， AO采用單端輸出，而AI可采用單端或差分輸入。此平臺工作過程為：首先,Labview上位機軟件給出一個數(shù)字激勵信號，通過myDAQ的D/A模塊轉換成模擬信號經(jīng)AO端口輸送給被控對象，同時,將被控對象的響應輸出連接到AI端口，經(jīng)A/D模塊轉換成數(shù)字量，上位機軟件實時讀取此數(shù)字量，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集。上位機軟件功能模塊框圖見圖1，主要包括被控對象激勵信號的給定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)曲線保存和查看、參數(shù)測量、多點頻率特性繪制和數(shù)據(jù)曲線打印[6-8]。

2 軟件功能模塊實現(xiàn)[4-5,9-15]

采用事件結構和條件結構實現(xiàn)軟件平臺中不同功能模塊的切換。

2.1 典型環(huán)節(jié)的時域特性測定實驗軟件設計

其主程序前面板如圖2所示。

圖2 時域特性主程序前面板

2.1.1激勵信號給定模塊

典型環(huán)節(jié)的時域特性測定實驗中需要為其提供階躍激勵信號，本上位機軟件采用Labview-2012進行開發(fā)，其信號產(chǎn)生模塊不直接提供階躍信號，必須自行設計。采用條件結構實現(xiàn)激勵信號給定的前面板和程序框圖如圖2所示，包括階躍信號、正弦波信號、三角波信號、方波信號及鋸齒波信號5種信號類型，每一種信號采用一個子VI實現(xiàn)，同時將其封裝為更高一級的子VI(見圖3中激勵信號輸出模塊所示)，方便主程序調(diào)用，簡化程序結構。

在主程序前面板首先選定激勵信號類型，設定偏置、頻率、幅值、采樣長度、采樣率等參數(shù)項，選定myDAQ采集卡的信號輸出通道，點擊“啟動”后即可在對應的輸出通道上得到預定的激勵信號。

2.1.2數(shù)據(jù)采集模塊

圖3 激勵信號輸出及數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.3數(shù)據(jù)曲線保存模塊

為進行事后參數(shù)測量、數(shù)據(jù)打印和分析，必須將采集到的被控對象響應數(shù)據(jù)曲線保存，其程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖4所示。點擊主程序前面板的“數(shù)據(jù)保存”按鈕，則彈出子程序?qū)υ捒蚯懊姘宀⑤斎胫付ㄎ募_定后，經(jīng)文件I/O模塊將2.1.2節(jié)移位寄存器中的數(shù)據(jù)以.dat格式保存到指定的文件夾中。

2.1.4數(shù)據(jù)曲線查看模塊

圖4 數(shù)據(jù)保存模塊

圖5 數(shù)據(jù)查看前面板

2.1.5參數(shù)測量模塊

打開圖5中“輸入輸出波形”的Graph Pallette，設定黃色和藍色2個測量坐標點，通過圖6所示程序模塊實現(xiàn)響應曲線的參數(shù)測量。2個測量坐標點在橫坐標上的投影距離為時間量，通過光標測量模塊中“DX坐標”顯示，而在縱坐標上的投影距離為幅值量，通過“DY坐標”顯示。由此可實現(xiàn)控制系統(tǒng)時域指標σ%、ts、td、tp以及單點頻率特性測量中幅值比和相位差等參數(shù)的在線測量，便于驗證實驗過程是否正確以進行及時更正，克服了事后手動測量參數(shù)的缺點。

2.1.6數(shù)據(jù)打印模塊

在圖5 “已保存的數(shù)據(jù)文件”中選中要打印出圖的文件，“添加 ”到右邊的“要打印的數(shù)據(jù)文件”列表中，點擊“打印曲線”按鈕，就能通過圖7功能模塊的For循環(huán)實現(xiàn)多個時域特性曲線同時打印,以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。選中“要打印的數(shù)據(jù)文件”列表中某個文件，點擊“刪除”按鈕，就能取消此數(shù)據(jù)文件的打印。

圖6 參數(shù)測量模塊圖

圖7 時域特性曲線打印模塊

2.2 控制系統(tǒng)的頻率特性測定軟件設計

其主程序前面板如圖8所示。

圖8 頻域特性主程序前面板

2.2.1單點頻率測量模塊

在控制系統(tǒng)的頻率特性測定實驗中，默認激勵信號為正弦信號，在圖8中設定偏置、頻率、幅值、采樣長度、采樣率以及 myDAQ采集卡的輸入輸出通道。將要編輯的信號頻率的一個單點“添加”到“要編輯的信號頻率列表”中，點擊“單點測試”即可采樣到與激勵信號同頻率的被控對象正弦響應曲線，并通過2.1.3實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動保存。點擊“單點查看”可顯示類似圖5的界面，通過2.1.5參數(shù)測量模塊測得輸出響應曲線的幅值和相位，經(jīng)計算得到對應頻率點的幅值比和相位差。重復上述過程，分別選取不同頻率點的正弦激勵信號，可以得到多個頻率點對應的輸出輸入信號幅值比和相位差，從而可以手工繪制被控對象的幅頻特性和相頻特性曲線。由此，學生能很好地掌握頻率特性曲線繪制機理。

2.2.2多點頻率特性測量與曲線繪制模塊

在多點頻率特性測量中，在圖8中將多個要編輯的信號頻率點按從小到大順序“添加”到“要編輯的信號頻率列表”中，點擊“多點測試”后，程序會自動按頻率列表中各頻率點順序循環(huán)進行單點頻率測量，同時測量計算出各頻率點對應的輸入輸出信號幅值比和相位差并進行數(shù)據(jù)保存。點擊“頻率特性”按鈕顯示圖9所示的界面，雙擊“已保存的數(shù)據(jù)文件”列表中的數(shù)據(jù)文件，即可顯示被控對象的幅頻和相頻特性曲線，并將各頻率點對應的幅值比和相位差通過列表顯示，學生一目了然，方便與單點測量結果進行比較。點擊“打印曲線”通過圖10程序模塊實現(xiàn)幅頻和相頻特性曲線及幅值比相位差數(shù)據(jù)的打印，方便學生通過頻率特性曲線測量出被控對象的轉折頻率、諧振峰值、峰值頻率和帶寬頻率等頻域指標，并與理論值進行對比分析。

圖9 多點頻率特性曲線繪制

圖10 多點頻率特性數(shù)據(jù)和曲線打印模塊

3 結 語

本文基于Labview和myDAQ構架設計了自動控制實驗軟件平臺，涵蓋了自動控制原理課程有關時域和頻域特性的相關內(nèi)容。此實驗平臺的開發(fā)周期短、集成度高、使用方便、可維護性好，便于新舊實驗平臺的更替，為其他課程實驗的開發(fā)提供了有效參考。在后續(xù)的工作中，會將發(fā)動機控制元件和發(fā)動機控制系統(tǒng)等控制類課程實驗集成于此平臺中，以形成控制實驗系統(tǒng)，使各實驗相互關聯(lián)，更便于學生對不同實驗內(nèi)容的理解和融會貫通，提高實驗水平。

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