基于LabVIEW和Multisim的自動控制實驗設計

李智 李青萌

摘要：? 針對傳統(tǒng)的“自動控制理論”課程的實驗教學存在硬件設備老化、實驗手段滯后等問題，為進一步改進大學自動控制實驗效果，本文采用LabVIEW軟件，開發(fā)了能夠讀取Multisim設計的控制系統(tǒng)電路圖、顯示電路的時間響應仿真波形，并對系統(tǒng)時域性能指標進行自動提取的一個交互分析系統(tǒng)。同時，以串聯(lián)超前校正實驗為例，說明了實驗系統(tǒng)的便捷性、實用性。仿真與實驗結(jié)果表明，本實驗系統(tǒng)可以方便、直觀地模擬真實實驗，有助于鞏固和完善自動控制理論教學內(nèi)容，提高教學效率、改善實驗效果、降低實驗費用。該設計有利于更好地培養(yǎng)學生的自主性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：? 虛擬實驗; 自動控制; LabVIEW; Multisim; 實驗教學軟件; 時域性能

中圖分類號： TP391.9文獻標識碼： A

作者簡介： ?李智（1965-），男，副教授，主要從事測控技術(shù)與儀器、虛擬儀器技術(shù)的教學與研究工作。 Email： lizhiqd65@qq.com

目前，高校里自動控制原理實驗普遍使用的是一些傳統(tǒng)實驗儀器設備，如自動控制實驗箱、示波器以及傳統(tǒng)的函數(shù)信號發(fā)生器等。盡管這些實驗儀器設備有一定的技術(shù)優(yōu)點，但是在實驗中還是存在諸如測量誤差大、數(shù)據(jù)結(jié)果不精準、實驗效率不高和穩(wěn)定性差等問題[1]。近年來，隨著高校本科招生人數(shù)的增多，無法滿足學生對實驗儀器設備和資源的巨大需求，而且實驗設備價格昂貴、更新速度慢、維護升級費用越來越高。隨著科技的發(fā)展，越來越多的老舊設備被淘汰，原有的硬件設備除了老化損壞等問題外，也不能達到新時代新教學實驗的要求。為進一步提高現(xiàn)代化實驗教學水平、培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型現(xiàn)代科技人才，需要有意識地采用新的教學方法和新的教學思路[210]。因此，本文利用LabVIEW和Multisim軟件平臺設計自動控制原理的一些實驗，操作者可以在一臺電腦上直接進行虛擬實驗，將抽象的理論知識和復雜的分析結(jié)果圖像化、具體化，操作者只需用電腦進行簡單的實驗電路圖搭建和繪制，并通過虛擬實驗系統(tǒng)就可輕松查看和分析實驗結(jié)果，易于使用和操作。該設計既可減輕高校實驗室建設的壓力，也能提升學生的學習實踐興趣，同時對學生的專業(yè)知識、綜合素養(yǎng)以及學生的創(chuàng)新和實踐能力均有所提高。虛擬實驗可以作為傳統(tǒng)實驗教學的一個重要補充和擴展，使實驗教學在知識時間的維度和知識空間的維度上都得到提升和延伸[11]。該設計對高校實驗教學具有重要意義。

1實驗系統(tǒng)操作界面

本文基于LabVIEW、Multisim及LabVIEW與Multisim的API工具包，設計了一個自動控制實驗系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上可以進行自動控制系統(tǒng)的時間響應實驗。打開用Multisim設計的系統(tǒng)電路原理圖，調(diào)整階躍輸入信號的參數(shù)，動態(tài)仿真系統(tǒng)階躍響應波形，并能對系統(tǒng)時域性能指標進行自動提取，消除了人工觀測讀數(shù)帶來的誤差和不便，減輕了學生在實驗過程中的計算量、復雜度及操作難度，提高了實驗效率。本虛擬實驗系統(tǒng)能改善教師單一的課堂教學模式，讓學生和教師可以在課堂、學校宿舍、圖書館等任何地點都能進行虛擬實驗操作，分析實驗結(jié)果等，突破了傳統(tǒng)實驗受時間、地點的限制。虛擬實驗系統(tǒng)操作界面如圖1所示。包括輸入信號設置、時間響應仿真波形及時域性能指標、電路原理圖3個區(qū)域。在輸入信號區(qū)域，可以設置階躍信號初始值、階躍值、階躍時間（min）、采樣率（點/min）、仿真測試時長（mim）、測試寬度和穩(wěn)態(tài)值測試精度。時間響應分析區(qū)域包括時間響應仿真波形及時間響應的峰值、穩(wěn)態(tài)值、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、峰值時間和上升時間等時域性能指標。首先打開采用Multisim設計好的系統(tǒng)電路原理圖，設置好階躍輸入信號的參數(shù)，按開始按鈕，系統(tǒng)會顯示電路的階躍響應動態(tài)仿真波形及時域性能指標。

2系統(tǒng)設計

建立LabVIEW與Multisim間的通訊是本系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。LabVIEW與Multisim連接工具包是基于一組專門面向Multisim軟件后臺自動化仿真api的軟件封裝應用程序。Multisim自動化的api封裝程序支持軟件的后臺進行自動化仿真和軟件后臺數(shù)據(jù)采集，基于自動化com的接口可以實現(xiàn)此功能，利用其接口進行軟件后臺仿真時，無須手動打開接口訪問Multisim，利用仿真引擎LabVIEW可以通過自動化com的接口自動訪問軟件后臺Multisim，并可利用該軟件后臺仿真引擎自動采集軟件后臺仿真數(shù)據(jù)，并對仿真數(shù)據(jù)進行實時處理和分析。

通過集成工具可動態(tài)分析和評估仿真電路的性能。該工具包內(nèi)，封裝各種函數(shù)，如打開、關(guān)閉和查看電路的函數(shù)，以及開始運行、暫停和停止仿真函數(shù)，若需要在LabVIEW中調(diào)用這些函數(shù)，不用再去訪問Active-X控件[12]。本系統(tǒng)在LabVIEW中讀取Multisim信號，LabVIEW讀取Multisim信號程序框圖如圖2所示，顯示波形程序框圖如圖3所示。

計算時域性能指標程序框圖[1314]如圖4所示。最新版的Multisim提供了LabVIEW和Multisim之間進行數(shù)據(jù)交流的新工程設計方式——聯(lián)合模擬仿真。通過聯(lián)合仿真既能在LabVIEW中實時更改階躍電壓的數(shù)值等在以前的Multisim中不方便修改的參數(shù)，還可以直觀的看到實時仿真波形圖，并可以對波形圖數(shù)據(jù)進行計算和處理。LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真程序框圖如圖5所示。

3實驗案例

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗需要使用多種儀器設備，具有一定的局限性。通常通過示波器的波形提取各個參數(shù)，計算時域的各個指標，容易出現(xiàn)讀數(shù)不準確，同時在計算處理各個參數(shù)時費時費力，計算量比較大，不夠直觀，影響實驗效果。用本虛擬實驗系統(tǒng)能夠自動讀取Multisim中電路的響應波形，調(diào)整輸入階躍信號的參數(shù)，并能對系統(tǒng)的時域性能指標進行自動計算和提取，消除了人工觀測讀數(shù)帶來的誤差和不便，減輕了學生在校正實驗中的壓力和計算量。本交互式的試驗系統(tǒng)還能使教師可以方便地判斷當前控制電路的性能指標能否符合校正實驗的要求，提高了設計效率。本實驗系統(tǒng)不僅可以用于串聯(lián)校正實驗，還可用于各種需要對電路時間響應波形進行讀取和分析的實驗，同時，可根據(jù)不同的實驗要求對系統(tǒng)進行擴展和優(yōu)化，提高實驗效率。以系統(tǒng)串聯(lián)超前校正實驗為例[1516]，采用本實驗系統(tǒng)進行實驗，對一個預設閉環(huán)電路系統(tǒng)進行校正，設計校正環(huán)節(jié)使其達到設計要求。

實驗設計需求，已知未校正閉環(huán)控制系統(tǒng)電路圖如圖6所示。圖中，U1～U4為四個運放，系統(tǒng)中其他元件參數(shù)為C1=C2=1 μF，R4=510 kΩ，R1=R2=R3=R5=R6=R7=200 kΩ，R8=100 kΩ。該系統(tǒng)的預期時域性能指標為調(diào)量Mp≤5%，調(diào)節(jié)時間ts≤1 s，系統(tǒng)斜坡響應穩(wěn)態(tài)誤差ess≤5%。對系統(tǒng)進行時域性能分析，并設計校正環(huán)節(jié)[17]。

根據(jù)系統(tǒng)電路圖，經(jīng)分析、計算得未校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

LO（s）=255（051s+1）s（1）

利用本實驗系統(tǒng)對未校正系統(tǒng)進行測試分析，未校正系統(tǒng)時間響應仿真波形及性能指標如圖7所示。

時域性能指標為超調(diào)量Mp=6211%，調(diào)節(jié)時間ts=203 s，上升時間tr=008 s，峰值時間tp=123 s。系統(tǒng)的性能指標未達到設計要求，需要對系統(tǒng)進行校正。

采用串聯(lián)相位超前校正環(huán)節(jié)為現(xiàn)有系統(tǒng)提供附加的超前相角，改進系統(tǒng)的動態(tài)性能[1820]。相位超前校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

式中，Kc為比例系數(shù);τ為一階微分環(huán)節(jié)時間常數(shù);T為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。將校正環(huán)節(jié)串聯(lián)至未校正系統(tǒng)電路中，得到校正后系統(tǒng)電路[17]，校正后系統(tǒng)電路圖如圖8所示。

校正后閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

L（s）=LO（s）Gc（s）=255（051s+1）sKcτs+1Ts+1（3）

按照預期的時域性能指標，對超前校正環(huán)節(jié)電路中各個元件參數(shù)進行設計、計算得：Kc=08，τ=05，T=0025;各元件參數(shù)C3=10 μF，R11=25 kΩ，R6=R10=100 kΩ，R9=250 kΩ[17]。利用本實驗系統(tǒng)對校正后閉環(huán)系統(tǒng)進行分析和測試，該閉環(huán)系統(tǒng)的時域響應指標為Mp=43%，tr=0103 s，tp=0154 s，ts=0236 s。上述時域響應性能指標滿足設計要求，所設計的超前校正環(huán)節(jié)達到了預期目標。利用本實驗系統(tǒng)在計算機上進行的虛擬實驗，與在實驗室用傳統(tǒng)儀器做的實驗結(jié)果一致，與傳統(tǒng)儀器一樣有效，在有些場所可以用虛擬實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，解決了當前自動控制實驗教學存在的一些問題。

4結(jié)束語

本文用Multisim為控制系統(tǒng)搭建電路，用LabVIEW設計虛擬實驗系統(tǒng)進行自動控制系統(tǒng)的時間響應實驗，一定程度上拓展和改善了控制系統(tǒng)實驗過程，提高了自動控制實驗的便捷性，具有一定的適用性、實用性，比傳統(tǒng)的實驗教學裝置更具有靈活性。本實驗系統(tǒng)為控制理論實驗教學的開展提供了新的工具，改善了教師單一的課堂理論教學模式，通過形象直觀的教學演示，加深學生對自動控制理論的深入理解和領會。同時，學生和教師還可以在學生宿舍、圖書館等地點進行虛擬實驗，提高了學生的理論實踐水平和技能。

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Abstract：? Aiming at the problems of hardware aging and lagging experimental means in the traditional experimental teaching of "automatic control theory"， in order to further improve the effect of automatic control experiment in University， an interactive analysis system is developed with LabVIEW， which can read the circuit diagram of control system designed by Multisim， display the time response simulation waveform of the circuit， and automatically extract the time-domain performance parameters of the system. Taking the series lead compensation experiment as an example， the convenience and practicability of the experimental system are illustrated. The simulation and experimental results show that the experimental system can easily and intuitively simulate the real experiment， help to consolidate and perfect the teaching content of automatic control theory， improve the teaching efficiency， improve the experimental effect， reduce the experimental cost， and better cultivate the students′ autonomy and innovation.

Key words： virtual experiment; automatic control; LabVIEW; Multisim; experimental teaching software; time domain performance