基于Labview的設施環(huán)境自動控制教學實驗改革

錢稷　周娟　唐娟　邸葆

摘 要：根據(jù)設施農業(yè)科學與工程專業(yè)對《設施環(huán)境自動控制》課程實驗的需要，本文利用Labview軟件設計了一套課程實驗教學系統(tǒng)。本實驗系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，在實驗環(huán)節(jié)設置上，除了《自動控制原理》課程中常見的基礎性實驗外，還包括水位控制系統(tǒng)設計、溫濕度控制系統(tǒng)設計和綜合實驗等。此系統(tǒng)解決了實驗教學中儀器設備缺少的問題，便于學生學習和使用，提高學生學習的興趣，非常適合該專業(yè)學生的實驗教學。

關鍵詞：Labview;設施環(huán)境自動控制;實驗系統(tǒng)

0 引言

設施農業(yè)科學與工程專業(yè)是一門農業(yè)與工程相結合的新興專業(yè)。《設施環(huán)境自動控制》是該專業(yè)中的工程類專業(yè)基礎課程之一，是一門講述在農業(yè)生產實踐中如何應用自動控制理論的重要課程。該課程理論性較強，教學內容抽象，又與工程數(shù)學緊密結合，所以在學習過程中需要通過實驗教學環(huán)節(jié)輔助學生深刻理解和運用理論知識[1]。由于設施農業(yè)科學與工程專業(yè)是一個交叉學科，單方面的工程或農業(yè)技術并不能滿足它的實驗教學需求，與之配套的相關實驗儀器少之又少。同時在傳統(tǒng)的自動控制實驗教學中，電子儀器起著主導作用，這些儀器大多是以電子元器件等硬件或固化的軟件形式存在的[2]，不利于該專業(yè)學生對實驗原理的理解和掌握，同時也不適合《設施環(huán)境自動控制》實驗的要求。所以有必要研究一套適合該專業(yè)學生開展《設施環(huán)境自動控制》實驗的系統(tǒng)。

Labview是一種基于圖形開發(fā)、調試和運行的集成化環(huán)境，它通過計算機軟件把通用計算機和基本的信號采集硬件有機結合起來，完成傳統(tǒng)儀器所具有的和無法具有的功能。虛擬儀器以其應用方案靈活、性能提高快、系統(tǒng)尺寸更小、易集成和擴展及更低的綜合成本，給測量測試和自動化領域以及教學實驗和科學研究帶來了巨大變化，在實驗室的現(xiàn)代化建設中應用虛擬儀器已成為一大趨勢，并得到廣泛的應用。

將Labview技術應用于《設施環(huán)境自動控制》的實驗教學，開發(fā)一套實驗教學軟件，可以克服該專業(yè)教學實驗儀器設備缺少的現(xiàn)狀;由于其圖形化的編程語言，大大減少了學習和開發(fā)時間，給程序開發(fā)帶來了便利;同時該教學軟件人機交互界面良好，便于學習和使用，能夠提高學生學習的興趣，非常適合該專業(yè)學生的實驗教學。

1 實驗系統(tǒng)總體方案設計

本實驗系統(tǒng)在實驗項目設置上根據(jù)學生理論課程的學習進度和對理論知識的理解程度，將實驗劃分為基礎性項目和拓展性項目兩大類。具體內容如圖1所示。

圖1 實驗項目設置

2 實驗系統(tǒng)實現(xiàn)方法

本實驗系統(tǒng)不僅能夠完成《設施環(huán)境自動控制》課程中針對于系統(tǒng)分析、設計的實驗內容，還可以進行綜合實驗，各個實驗模塊作為實驗系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用Labview實現(xiàn)時均為子VI的形式。學生在做實驗時打開軟件以后進入到系統(tǒng)主界面，在主界面中包含了所有實驗模塊的子VI調用控件，控件的標簽名稱為該實驗項目的名稱。實驗項目分為基本項目和拓展項目兩大類，學生可以根據(jù)理論學習的進展和深度選擇合適的實驗項目。

2.1主程序設計

運行Labview應用程序，在文件中選擇創(chuàng)建VI項目。在其前面板上添加十個布爾開關控件，標簽顯示為實驗項目的名稱，在程序框圖界面將各個控件分別連接到各個實驗模塊（即各個獨立的實驗模塊以子VI的形式出現(xiàn)在主程序中，等待調用），當點擊要操作實驗項目的名稱即可進入相應程序的界面。

程序框圖，通過while循環(huán)以及條件結構，將各個實驗模塊以子VI的形式連接到對應標簽的布爾開關控件上。

2.2實驗模塊設計

以二階系統(tǒng)階躍響應實驗模塊為例，該實驗可以觀察在不同阻尼比ζ和角頻率ω作為輸入時二階系統(tǒng)的輸出隨時間變化的曲線，并且可以求出時域性能指標，包括超調量σ%、峰值時間tp和調節(jié)時間ts[3]。

運行Labview應用程序，創(chuàng)建新VI項目，將會彈出項目的前面板和程序框圖面板，在前面板中添加兩個系統(tǒng)-修飾-系統(tǒng)標簽控件，分別作為實驗模塊的標題和實驗內容介紹;兩個數(shù)值輸入控件，分別用于輸入二階系統(tǒng)參數(shù)阻尼比ζ和角頻率ω;三個數(shù)值顯示控件，分別顯示系統(tǒng)性能指標σ%、tp和ts;一個圖形顯示控件，功能是顯示二階系統(tǒng)響應曲線;一個布爾開關控件，用于停止系統(tǒng)運行;最后合理調整各個控件的擺放位置，保持整齊美觀，界面如圖3所示。

在程序框圖面板中添加MATLAB腳本控件、重排數(shù)組維數(shù)控件、時鐘控件。MATLAB腳本控件上添加輸入輸出，寫入文本程序，最后對應連接各個控件，為了配合輸入量的改變時系統(tǒng)可以持續(xù)輸出對應曲線，此系統(tǒng)也添加了While循環(huán)結構。添加延時為100ms，期間檢測到ζ和ω改變，其變化曲線會顯示在前面板的圖形控件上，靜態(tài)指標也會對應的顯示。

點擊前面板菜單欄運行按鈕，設置系統(tǒng)的阻尼比為0.5，角頻率為5，顯示出對應的欠阻尼情況下系統(tǒng)響應曲線以及對應的動態(tài)性能指標的值。

3 結論

本文設計的基于虛擬儀器的實驗教學系統(tǒng)使用簡單、方便，人機交互界面友好，開發(fā)成本低、時間短，很好地解決了傳統(tǒng)實驗教學中存在的實驗室資源受限的問題，同時加強了學生對理論知識的理解，提高了學生學習的主動性，增強了學生將理論知識應用于實踐的能力。

參考文獻

[1]熊姍霞，蘇韜.基于LabVIEW的自動控制原理實驗教學改革的思考[J].科技創(chuàng)新與應用，2015，33：103.

[2]孫炳達.自動控制原理[M].機械工業(yè)出版社，2016.

作者簡介：

錢稷：河北農業(yè)大學園藝學院，講師，研究方向：環(huán)境調控與逆境生理。

項目支撐：河北農業(yè)大學第十批教學研究項目2018YB71。