基于LabView的控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王萌

摘 要：《控制工程基礎(chǔ)》在理工科高校中扮演著重要角色，然而由于其復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算模型和較強(qiáng)的理論性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)尤為困難。為了培養(yǎng)學(xué)生分析系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力，課題設(shè)計(jì)了一套基于LabView軟件的控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了控制理論中的典型模型，且將其巧妙集成為目錄形式再生成可執(zhí)行文件，允許用戶(hù)在不安裝LabView開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的情況下運(yùn)行該VI。此平臺(tái)操作靈活，易于擴(kuò)展，具有一定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：控制工程；LabView；系統(tǒng)仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.025

《控制工程基礎(chǔ)》是高等理工科院校一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)計(jì)算和分析的要求比較高，需要學(xué)生掌握系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而達(dá)到分析系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目的。

為了培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力，除了理論教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是其中不可缺少的環(huán)節(jié)。在硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，同學(xué)們可以實(shí)際搭建電路，一方面，鍛煉自己的動(dòng)手能力，另一方面，通過(guò)搭建電路能加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身老化或其他問(wèn)題，會(huì)讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在很大誤差，所以，有必要開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬演示，以此作為對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。本課題設(shè)計(jì)了一套基于LabView軟件的控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了控制理論中的典型模型，可以連續(xù)任意地改變參數(shù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，且將其巧妙地集成為目錄形式再生成可執(zhí)行文件，允許用戶(hù)在不安裝LabView開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的情況下運(yùn)行該VI。

1 系統(tǒng)方案介紹

利用LabView軟件專(zhuān)業(yè)版的控制系統(tǒng)與仿真工具包中的部分模塊開(kāi)發(fā)控制工程各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并形成目錄。其涵蓋了《控制工程基礎(chǔ)》課程的內(nèi)容包括典型環(huán)節(jié)，一、二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，時(shí)域分析，頻域穩(wěn)定性研究，系統(tǒng)的校正，非線(xiàn)性系統(tǒng)和線(xiàn)性離散系統(tǒng)的分析以及典型特例仿真。根據(jù)內(nèi)容的不同，建立獨(dú)立的子VI程序，利用傳遞函數(shù)顯示出來(lái)的特性曲線(xiàn)可以在很大程度上減小誤差。另外，改變傳遞函數(shù)的參數(shù)，可以動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)特性曲線(xiàn)的變化。

為了完善系統(tǒng)的管理和應(yīng)用，本設(shè)計(jì)還利用樹(shù)形控件將所含內(nèi)容集合為樹(shù)形目錄置于主程序之中，并在主程序中建立大小合適和位置合適的子板面。在后面板，利用事件結(jié)構(gòu)的屬性節(jié)點(diǎn)，通過(guò)目錄標(biāo)識(shí)符從邏輯上將子VI與主程序鏈接起來(lái)。這樣使用起來(lái)更加方便，界面更加友好。

利用NI提供的項(xiàng)目管理工具生成可執(zhí)行文件和程序安裝包，允許用戶(hù)在不安裝LabView開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的情況下運(yùn)行該VI。這樣做，在很大程度上方便用戶(hù)直接使用。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)建過(guò)程

2.1 前面板設(shè)計(jì)

在LabView下創(chuàng)建文件并命名為“控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)室”， 在其前面板中添加“樹(shù)形”控件，命名為模塊選擇，并在樹(shù)形控件中編輯各子VI名稱(chēng)，包括典型環(huán)節(jié)，一、二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，時(shí)域分析，頻域穩(wěn)定性研究，系統(tǒng)的校正，非線(xiàn)性系統(tǒng)和線(xiàn)性離散系統(tǒng)的分析等。根據(jù)邏輯關(guān)系，確定子VI的目錄等級(jí)，最終形成樹(shù)形目錄，之后在主程序中添加“子面板”控件來(lái)確定、顯示子VI的打開(kāi)位置。主程序前面板如圖2所示。

2.2 后面板設(shè)計(jì)

在主程序后面板上利用“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”確定事件執(zhí)行的順序，在第一幀中建立“while循環(huán)”控件，以控制整個(gè)程序的運(yùn)行，并添加“事件結(jié)構(gòu)”。利用其屬性節(jié)點(diǎn)調(diào)用和打開(kāi)不同的子VI，在“事件結(jié)構(gòu)”中選擇添加事件分支選項(xiàng)，添加2個(gè)分支。

2.3 子VI連接

分支0處理的事件為利用事件結(jié)構(gòu)的屬性節(jié)點(diǎn)，通過(guò)目錄標(biāo)識(shí)符從邏輯上與子VI連接起來(lái)，將標(biāo)識(shí)符所代表的字符串與“.VI”用連接字符串控件連接起來(lái)，比如“二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)分析.VI”。同時(shí)，用拆分路徑控件和創(chuàng)建路徑控件將當(dāng)前VI路徑（如"E：＼labView＼控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)室.VI"）與所選子VI連接起來(lái)，將路徑改為"E：＼labView＼二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)分析.VI"，然后用“打開(kāi)VI引用”控件并調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)來(lái)打開(kāi)當(dāng)前路徑所指的子VI文件，即完成一次子VI的打開(kāi)。

2.4 主程序的退出

在分支1處理中添加停止按鈕來(lái)退出當(dāng)前子VI循環(huán)，但不能直接關(guān)閉主程序。為了解決這一問(wèn)題，在“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”的第二幀中，用拆分路徑控件和創(chuàng)建路徑控件將當(dāng)前路徑更改為主程序所在路徑，即"E：＼labVIew＼控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)室.VI"，然后用“打開(kāi)VI引用”控件并調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)來(lái)關(guān)閉當(dāng)前路徑所指的VI文件，即退出主程序。其后面板如圖3所示。

3 子系統(tǒng)介紹

控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的子系統(tǒng)包括典型環(huán)節(jié)，一、二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，時(shí)域分析，頻域穩(wěn)定性研究，系統(tǒng)的校正，非線(xiàn)性系統(tǒng)和線(xiàn)性離散系統(tǒng)的分析以及典型特例仿真。這里，我們選擇二階系統(tǒng)和系統(tǒng)校正加以介紹。

3.1 二階系統(tǒng)

圖4為二階時(shí)域系統(tǒng)分析的前面板，它是利用LabView控制工具包模塊仿真得到的一個(gè)典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。從圖中可以看到，二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，增益為1，阻尼比為0.5，固有頻率為50 Hz。該系統(tǒng)存在一定的超調(diào)量，但是，系統(tǒng)會(huì)很快趨于穩(wěn)定。左下方是阻尼比和固有頻率滑動(dòng)桿，通過(guò)移動(dòng)滑動(dòng)桿來(lái)改變系統(tǒng)參數(shù)，在右上方觀察圖形改變。調(diào)整改變阻尼滑動(dòng)桿，系統(tǒng)時(shí)間、超調(diào)量都會(huì)發(fā)生改變；而改變固有頻率，超調(diào)量不會(huì)發(fā)生變化。中間上半部分的顯示控件顯示，改變阻尼比和固有頻率時(shí)，系統(tǒng)性能參數(shù)的具體數(shù)值與圖形顯示曲線(xiàn)變化規(guī)律一致。

對(duì)于頻域特性的仿真，按照路徑在“控制設(shè)計(jì)與仿真”＼＼“Control Design”＼＼“Frequency Response”子選項(xiàng)板中選擇“CD Nyquist.VI”和“CD Bode.VI”模塊，并與“CD Convert to Transfer Function Model.VI”模塊連接，再增添相應(yīng)的輸入控件、顯示控件、圖形控件即可。圖5為二階系統(tǒng)的頻域分析圖，當(dāng)更改系統(tǒng)增益和時(shí)間常數(shù)時(shí)，可快捷、方便地看到曲線(xiàn)發(fā)生相應(yīng)的變化，分析其頻率特性，判斷其穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)校正

系統(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)它所要完成的具體任務(wù)規(guī)定的，而在一般情況下，幾個(gè)性能指標(biāo)的要求往往是相互矛盾的。例如，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差往往會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。此時(shí)，要滿(mǎn)足主要性能指標(biāo)，再通過(guò)校正環(huán)節(jié)達(dá)到所期望的性能指標(biāo)。 該平臺(tái)中建立了常用的3種系統(tǒng)校正方式，即串聯(lián)校正、PID校正、反饋校正。PID系統(tǒng)校正如圖6所示。從圖6中可以看出，校正前，系統(tǒng)穩(wěn)定在50 s左右，而加入PID校正后，雖然存在一定的超調(diào)量，但在20 s左右，系統(tǒng)就已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用LabView軟件完成了控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，基于系統(tǒng)模型的建立加深對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，以彌補(bǔ)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)硬件條件的不足，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。

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