自動控制原理虛擬實驗平臺的設(shè)計與應(yīng)用

楊繪弘

摘 要：采用虛擬實驗平臺對于提高實驗效率和準(zhǔn)確性有著積極的意義，目前在我國正成為研究、設(shè)計、開發(fā)的熱點。文章對自動控制原理虛擬實驗平臺的設(shè)計、研制、應(yīng)用進(jìn)行了分析，結(jié)合其特點和功能，提出了虛擬實驗平臺的一些設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；虛擬實驗平臺；設(shè)計；應(yīng)用

一、虛擬實驗平臺的設(shè)計

1.設(shè)計策略

在實驗中，如果用物理實驗設(shè)備作為檢測方法，那么需要實驗儀器（通常包括通用示波器、信號發(fā)生器、記錄儀、模擬計算機(jī)）中的三種同時工作，如果實驗的人數(shù)很多，那么就會用到大量的實驗儀器，非常不劃算，因此虛擬實驗平臺必須解決這一問題，在虛擬實驗平臺上實現(xiàn)每個實驗儀器的使用，提高實驗效率和實驗的科學(xué)性。

2.功能設(shè)計

虛擬實驗開始既要發(fā)揮通用示波器、信號發(fā)生器、記錄儀和模擬計算機(jī)等實驗儀器的作用，又要為驗證性試驗提供有效的分析工具，如頻率特性、時域特性等，還要為設(shè)計性實驗提供典型環(huán)節(jié)，如積分環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)等。

3.硬件設(shè)計

虛擬實驗平臺的硬件采用通用PC數(shù)據(jù)采集卡，主要的技術(shù)指標(biāo)為：16路模擬輸入，采樣速率100kHz，輸入電壓+10V，2路模擬輸出，輸出速率為100kHz，輸出電壓+10V。

4. 軟件設(shè)計

采用美國NI公司的虛擬儀器編程語言來進(jìn)行自動控制原理虛擬實驗平臺的軟件設(shè)計和研發(fā)，該編程語言以ANSIC為核心，將C語言與用于信息收集、分析和表達(dá)的專業(yè)工具巧妙地結(jié)合，其集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法大大提高了C語言的能力，對虛擬實驗平臺的軟件設(shè)計有巨大的幫助。

二、主要功能和技術(shù)指標(biāo)

1.PC數(shù)據(jù)采集卡的輸入/輸出接口設(shè)計

PC數(shù)據(jù)采集卡底層I/O操作的效率對虛擬實驗平臺的性能影響重大，也是虛擬實驗平臺的關(guān)鍵。因此必須選用高性能PC數(shù)據(jù)采集卡，同時運(yùn)用基于DMA的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，完成大吞吐量的模擬輸入信號采集。

2. 數(shù)據(jù)顯示、存儲和打印的設(shè)計

數(shù)據(jù)顯示是實驗教學(xué)過程中的常用功能，實時曲線能夠提供及時的數(shù)據(jù)變化情況，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，必須加強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲的功能，存儲方式、存儲速率對提高數(shù)據(jù)存儲的功能有著重要意義，而實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)打印的特點在于能將許多曲線繪制在一張圖上，能將許多張圖繪制在一張紙上并進(jìn)行標(biāo)注和詮釋。

3. 頻率特性測試的設(shè)計

通過信號發(fā)生器產(chǎn)生不同的信號，輸入到被檢測的系統(tǒng)中，再測量被檢測系統(tǒng)的輸出，計算獲得幅頻特性，同理可得相頻特性。

4. 通用超前—滯后環(huán)節(jié)的實現(xiàn)

可分為模擬式實現(xiàn)和數(shù)字式實現(xiàn)。其中，模擬式實現(xiàn)是運(yùn)用連續(xù)系統(tǒng)仿真技術(shù)，在短時間間隔內(nèi)實現(xiàn)上述環(huán)節(jié)的實時計算，這種環(huán)節(jié)性能甚至比模擬計算機(jī)更加穩(wěn)定。

三、應(yīng)用實例

1. 測量二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)測試

由虛擬實驗平臺的信號發(fā)生器產(chǎn)生周期為1600x10ms、幅值為2000mv的方波信號，通過測試得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，減小系統(tǒng)的開環(huán)增益，通過虛擬實驗平臺的瀏覽波形功能，將開環(huán)增益變化前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形重疊顯示，通過對比分析，掌握比例控制對系統(tǒng)性能造成的影響。

2. 線性系統(tǒng)性能分析和串聯(lián)校正

已知單位反饋系統(tǒng)不可變部分的開環(huán)傳遞函數(shù)，要求系統(tǒng)校正后滿足相關(guān)指標(biāo)：靜態(tài)速度誤差系數(shù)為30，截止頻率為7rad/s，相角裕度不小于45°，設(shè)計一個串聯(lián)校正裝置。為了滿足這些要求，取開環(huán)增益為30，帶入原系統(tǒng)求得截止頻率為9.75rad/s，相角裕度為-17.2°，系統(tǒng)不穩(wěn)定，需減小截止頻率，可通過串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)的方式使截止頻率和相角裕度滿足要求。

自動控制原理虛擬實驗平臺自從問世以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，在實踐應(yīng)用中，虛擬實驗平臺的功能得到不斷的完善，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，自動控制原理虛擬實驗平臺將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，推動社會的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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