曹科才，孔令燦

(南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210046)

“自動(dòng)控制原理”不僅是自動(dòng)化、電氣、電子信息等專(zhuān)業(yè)的必修課程，而且在機(jī)械、動(dòng)力和化工等非電類(lèi)工程專(zhuān)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(dòng)控制的基本理論，自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和綜合方法，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程及從事工程實(shí)際工作有著重要的影響。

目前，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以仿真實(shí)驗(yàn)為主，大多以Matlab作為輔助教學(xué)工具，仿真實(shí)驗(yàn)程序代碼的編寫(xiě)就讓很多學(xué)生望而卻步，以Matlab為基礎(chǔ)的仿真實(shí)驗(yàn)效果并不理想。因此，尋找一種界面生動(dòng)、編程簡(jiǎn)單、兼顧仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又能有效擴(kuò)充理論教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的輔助教學(xué)手段，對(duì)于改進(jìn)自動(dòng)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(shì)

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的一種基于圖形的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，它不是采用基于文本的程序語(yǔ)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(yǔ)言(圖形化編程語(yǔ)言)的LabVIEW使得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)變得十分方便，且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)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(shì)。

(1)LabVIEW軟件使用方便，基于圖形化的編程語(yǔ)言使學(xué)生較容易上手。另外簡(jiǎn)單明快的教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生能很快體會(huì)到利用圖形化編程語(yǔ)言的樂(lè)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(duì)于理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解與運(yùn)用能力大大提高。

(3)基于圖形化編程語(yǔ)言的LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)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(hào)采集到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行分析。因此基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)向硬件實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展是十分方便的。通過(guò)LabVIEW不僅能方便地進(jìn)行軟件模擬仿真實(shí)驗(yàn)，而且能夠很好地與硬件實(shí)驗(yàn)電路相結(jié)合進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力和動(dòng)手操作能力。

2 LabVIEW輔助教學(xué)

2.1 二階系統(tǒng)時(shí)域分析實(shí)例

學(xué)生在“自動(dòng)控制原理”課程學(xué)習(xí)過(guò)程中碰到的第一個(gè)難點(diǎn)是二階系統(tǒng)的時(shí)域性能分析，各種可調(diào)參數(shù)與暫態(tài)性能指標(biāo)的復(fù)雜計(jì)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(guò)程中的不可替代作用，使得該部分的學(xué)習(xí)對(duì)于課程后續(xù)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解具有重要的鋪墊作用。

本文通過(guò)如下一個(gè)典型的二階控制系統(tǒng)的時(shí)域分析實(shí)例，來(lái)闡明LabVIEW在該課程輔助教學(xué)過(guò)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(wú)阻尼自然頻率。

2.2 基于Matlab的二階系統(tǒng)時(shí)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(huà)面演示比較單調(diào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程也無(wú)法形象展示。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生須在實(shí)驗(yàn)箱上搭建如圖1所示電路，然后通過(guò)示波器顯示響應(yīng)曲線的波形變化。由于學(xué)生將時(shí)間過(guò)多地花費(fèi)在電路的搭建上，因而忽略了二階系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)性能的影響。同時(shí)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(shí)域暫態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的難以測(cè)算等原因，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果也不太理想。

圖1 二階系統(tǒng)的時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)電路圖

2.3 基于LabVIEW二階系統(tǒng)時(shí)域分析

采用LabVIEW軟件進(jìn)行二階控制系統(tǒng)時(shí)域分析輔助教學(xué)時(shí)，首先創(chuàng)建一個(gè)能反映式(1)傳遞函數(shù)的平臺(tái)。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(tái)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(shí)域分析前面板

通過(guò)圖3所示平臺(tái)的后面板，可以看出整個(gè)編程過(guò)程都是基于圖形的模塊化編程，學(xué)生只需要簡(jiǎn)單連線就可以完成整個(gè)程序的編寫(xiě)過(guò)程，具有Matlab等基于文本編程語(yǔ)言所不具有的優(yōu)勢(shì)。圖4分別為階躍信號(hào)下，不同阻尼比時(shí)二階系統(tǒng)的時(shí)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(shí)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(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響)

基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生只需要簡(jiǎn)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(qiáng)了師生之間的互動(dòng)性;又可在實(shí)驗(yàn)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(shí)域響應(yīng)信號(hào)得到二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間以及超調(diào)量等暫態(tài)性能指標(biāo)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要利用復(fù)雜拉氏反變換進(jìn)行計(jì)算的缺點(diǎn)。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(guò)程，使學(xué)生將更多的時(shí)間與精力集中到系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)對(duì)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的知識(shí)性與趣味性。

3 結(jié)語(yǔ)

LabVIEW不僅在二階系統(tǒng)的時(shí)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(dòng)控制原理”的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中?；诒疚慕榻B的LabVIEW“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用多媒體和校園網(wǎng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，可進(jìn)一步構(gòu)建基于LabVIEW“自動(dòng)控制原理”遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改變目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊張與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室非開(kāi)放性的缺點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本，為進(jìn)一步推進(jìn)該課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

［1] 田玉平.探索“自動(dòng)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(bào)，2008，30(3):8-11

［2] 李世華.智能控制概論課程的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2):65-68

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

［4] 張慧妍，王晨凱，翁貽方，李裕梅.基于LabVIEW的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(ài)華.自動(dòng)控制原理課程的Matlab輔助教學(xué)［J] .北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(12):91-93