“自動控制原理”的LabVIEW輔助教學(xué)

曹科才，孔令燦

(南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210046)

“自動控制原理”不僅是自動化、電氣、電子信息等專業(yè)的必修課程，而且在機械、動力和化工等非電類工程專業(yè)的課程設(shè)置中也占有重要地位［1，2]。該課程主要研究自動控制的基本理論，自動控制系統(tǒng)的分析和綜合方法，對學(xué)生學(xué)習后續(xù)課程及從事工程實際工作有著重要的影響。

目前，該課程的實驗教學(xué)主要以仿真實驗為主，大多以Matlab作為輔助教學(xué)工具，仿真實驗程序代碼的編寫就讓很多學(xué)生望而卻步，以Matlab為基礎(chǔ)的仿真實驗效果并不理想。因此，尋找一種界面生動、編程簡單、兼顧仿真實驗與硬件實驗，同時又能有效擴充理論教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的學(xué)習興趣的輔助教學(xué)手段，對于改進自動控制原理課程的教學(xué)具有重要的作用［3，5]。

1 LabVIEW軟件優(yōu)勢

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的一種基于圖形的程序開發(fā)環(huán)境，它不是采用基于文本的程序語言，與Matlab最大區(qū)別在于它產(chǎn)生的程序是框圖的形式。基于G語言(圖形化編程語言)的LabVIEW使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測變得十分方便，且具有強大的數(shù)據(jù)運算與處理功能。

與傳統(tǒng)的Matlab輔助教學(xué)相比，LabVIEW具有如下優(yōu)勢。

(1)LabVIEW軟件使用方便，基于圖形化的編程語言使學(xué)生較容易上手。另外簡單明快的教學(xué)過程，使學(xué)生能很快體會到利用圖形化編程語言的樂趣和創(chuàng)造性。

(2)借助LabVIEW輔助教學(xué)手段產(chǎn)生的界面美觀大方，可以充分發(fā)揮可視化的教學(xué)功能，使得學(xué)生對于理論和實驗教學(xué)內(nèi)容的理解與運用能力大大提高。

(3)基于圖形化編程語言的LabVIEW虛擬實驗系統(tǒng)只需要調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)，就能將硬件電路的電信號采集到實驗系統(tǒng)中進行分析。因此基于LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)向硬件實驗擴展是十分方便的。通過LabVIEW不僅能方便地進行軟件模擬仿真實驗，而且能夠很好地與硬件實驗電路相結(jié)合進行硬件實驗，進一步提高學(xué)生知識運用能力和動手操作能力。

2 LabVIEW輔助教學(xué)

2.1 二階系統(tǒng)時域分析實例

學(xué)生在“自動控制原理”課程學(xué)習過程中碰到的第一個難點是二階系統(tǒng)的時域性能分析，各種可調(diào)參數(shù)與暫態(tài)性能指標的復(fù)雜計算使學(xué)生普遍感到難以理解。但由于二階系統(tǒng)在控制工程中的普遍應(yīng)用，以及二階系統(tǒng)在研究高階系統(tǒng)近似特性過程中的不可替代作用，使得該部分的學(xué)習對于課程后續(xù)理論知識的學(xué)習與理解具有重要的鋪墊作用。

本文通過如下一個典型的二階控制系統(tǒng)的時域分析實例，來闡明LabVIEW在該課程輔助教學(xué)過程中的作用。該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示為

式中，ζ為系統(tǒng)的阻尼比，ωn為系統(tǒng)的無阻尼自然頻率。

2.2 基于Matlab的二階系統(tǒng)時域分析

如果利用Matlab編程命令在不同阻尼與自然頻率情況下繪制靜態(tài)響應(yīng)曲線，其畫面演示比較單調(diào)，動態(tài)調(diào)節(jié)過程也無法形象展示。實踐教學(xué)過程中，學(xué)生須在實驗箱上搭建如圖1所示電路，然后通過示波器顯示響應(yīng)曲線的波形變化。由于學(xué)生將時間過多地花費在電路的搭建上，因而忽略了二階系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)對于整個系統(tǒng)響應(yīng)性能的影響。同時由于學(xué)生批次較多，搭建電路故障率較高以及二階系統(tǒng)時域暫態(tài)響應(yīng)指標的難以測算等原因，使得實驗教學(xué)的效果也不太理想。

圖1 二階系統(tǒng)的時域分析實驗電路圖

2.3 基于LabVIEW二階系統(tǒng)時域分析

采用LabVIEW軟件進行二階控制系統(tǒng)時域分析輔助教學(xué)時，首先創(chuàng)建一個能反映式(1)傳遞函數(shù)的平臺。然后將系統(tǒng)增益、阻尼比以及自然頻率等可調(diào)參數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)曲線一起放置到該平臺的前面板上，該前面板的布局大方直觀，如圖2所示。

圖2 基于labVIEW的二階系統(tǒng)時域分析前面板

通過圖3所示平臺的后面板，可以看出整個編程過程都是基于圖形的模塊化編程，學(xué)生只需要簡單連線就可以完成整個程序的編寫過程，具有Matlab等基于文本編程語言所不具有的優(yōu)勢。圖4分別為階躍信號下，不同阻尼比時二階系統(tǒng)的時域輸出響應(yīng)曲線圖?？梢钥闯觯梅抡媲€與理論結(jié)果完全一致。

圖3 基于labVIEW的二階系統(tǒng)時域分析的后面板

圖4 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(ξ對系統(tǒng)響應(yīng)的影響)

基于LabVIEW的實驗平臺，學(xué)生只需要簡單調(diào)節(jié)輸入增益K、阻尼比ξ、自然頻率ωn等數(shù)值，就可以得到二階系統(tǒng)在不同阻尼比和自然頻率下的階躍響應(yīng)曲線。方便直觀的可調(diào)參數(shù)既便于課堂理論教學(xué)的演示，增強了師生之間的互動性;又可在實驗教學(xué)中利用LabVIEW的CDSim和PIDFuzzy子模塊所提供的的相應(yīng)子程序，直接從時域響應(yīng)信號得到二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的上升時間、峰值時間、調(diào)節(jié)時間以及超調(diào)量等暫態(tài)性能指標，克服了傳統(tǒng)實驗過程中需要利用復(fù)雜拉氏反變換進行計算的缺點。與傳統(tǒng)的Matlab基于代碼編程方式相比，免去了繁瑣的編程過程，使學(xué)生將更多的時間與精力集中到系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)對于二階系統(tǒng)性能分析上，發(fā)現(xiàn)被控系統(tǒng)響應(yīng)特性隨參數(shù)變化的規(guī)律性，提高了整個實驗過程的知識性與趣味性。

3 結(jié)語

LabVIEW不僅在二階系統(tǒng)的時域分析中得到了良好的應(yīng)用，還可以適用于根軌跡、頻域分析和系統(tǒng)校正等“自動控制原理”的理論教學(xué)與實驗教學(xué)中?；诒疚慕榻B的LabVIEW“自動控制原理”實驗平臺，利用多媒體和校園網(wǎng)等計算機技術(shù)，可進一步構(gòu)建基于LabVIEW“自動控制原理”遠程虛擬實驗系統(tǒng)，改變目前實驗設(shè)備緊張與傳統(tǒng)實驗室非開放性的缺點，提高實驗效率、降低實驗成本，為進一步推進該課程的理論教學(xué)與實驗教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

［1] 田玉平.探索“自動控制原理”課程教學(xué)體系改革之路［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008，30(3):8-11

［2] 李世華.智能控制概論課程的仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，28(2):65-68

［3] 趙劍鋒，吳繼平.基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(1):85-87

［4] 張慧妍，王晨凱，翁貽方，李裕梅.基于LabVIEW的自動控制理論實驗系統(tǒng)的設(shè)計與研究［J] .北京:現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20(8):139-141

［5] 查曉春，黃愛華.自動控制原理課程的Matlab輔助教學(xué)［J] .北京:實驗技術(shù)與管理，2007，24(12):91-93