聶春燕，吉淑嬌

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于LabVIEW的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聶春燕，吉淑嬌

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

《自動(dòng)控制原理》是工科類(lèi)自動(dòng)化以及電信類(lèi)專(zhuān)業(yè)比較重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，理論性較強(qiáng)，計(jì)算和分析的數(shù)學(xué)要求高，過(guò)程比較煩瑣。本設(shè)計(jì)以L(fǎng)abVIEW為平臺(tái)，利用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真工具包中的部分模塊開(kāi)發(fā)《自動(dòng)控制原理》仿真平臺(tái)，平臺(tái)基本涵蓋了《自動(dòng)控制原理》課程的全部主要內(nèi)容，包括自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、根軌跡分析以及頻域分析。本平臺(tái)操作靈活，易于擴(kuò)展，用于《自動(dòng)控制原理》的課堂教學(xué)，使教學(xué)更加形象直觀，也能夠加深學(xué)生學(xué)習(xí)的感性認(rèn)識(shí)和興趣。

自動(dòng)控制原理;教學(xué)平臺(tái);時(shí)域分析;根軌跡

0 引言

如今，在大多數(shù)高等院校的教學(xué)中，傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益更新的教學(xué)內(nèi)容，尤其是在工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)科方面。單一的文字、圖片教學(xué)只能對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行字面上的解釋?zhuān)荒軐?duì)課程的內(nèi)涵進(jìn)行很好的詮釋?zhuān)虼宋覀兤惹行枰环N新的多媒體方式，并使其能夠在教學(xué)中大量應(yīng)用［1］。美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，它被廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。LabVIEW提供的控制與設(shè)計(jì)與仿真工具包為開(kāi)發(fā)控制應(yīng)用程序的專(zhuān)用工具包，為L(zhǎng)abVIEW用于自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真提供了有力的保障。本設(shè)計(jì)以L(fǎng)abVIEW為平臺(tái)，結(jié)合《自動(dòng)控制原理》具有模塊化的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)仿真平臺(tái)。

1 《自動(dòng)控制原理》教學(xué)平臺(tái)的組成與特點(diǎn)

《自動(dòng)控制原理》是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，已形成了比較完整的體系，但其計(jì)算和分析的數(shù)學(xué)要求高，過(guò)程比較煩瑣。教師課程講解如果不形象直觀，很難加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，難以引起學(xué)習(xí)興趣。本平臺(tái)基于LabVIEW 8.6版本，利用軟件提供的控制模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容基本涵蓋了《自動(dòng)控制原理》的主要模塊。

考慮到平臺(tái)用于教學(xué)，因此采用LabVIEW提供的樹(shù)形結(jié)構(gòu)和選項(xiàng)卡模塊，將所有子VI程序模塊參照《自動(dòng)控制原理》課程的順序排列，形成二級(jí)目錄，再按照此順序?qū)⒆覸I程序與選項(xiàng)板控件鏈接在一起，最后通過(guò)創(chuàng)建選項(xiàng)板屬性節(jié)點(diǎn)，將樹(shù)形結(jié)構(gòu)和選項(xiàng)板綁定在一起，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)擊目錄即出現(xiàn)相應(yīng)內(nèi)容的功能，界面友好直觀，操作方便，易于擴(kuò)展。

2 教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)共設(shè)計(jì)了5個(gè)大的模塊，包括線(xiàn)性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了傳遞函數(shù)的求解和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化;線(xiàn)性系統(tǒng)是時(shí)域分析，實(shí)現(xiàn)了一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的時(shí)域分析;系統(tǒng)的根軌跡分析，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)根軌跡的繪制;線(xiàn)性系統(tǒng)的頻域分析，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的對(duì)數(shù)曲線(xiàn)和奈奎斯特曲線(xiàn)圖的繪制。

2.1 系統(tǒng)時(shí)域分析

在控制工程中，二階系統(tǒng)比較常見(jiàn)。典型二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中ε稱(chēng)為阻尼系數(shù)或阻尼比，ωn為無(wú)阻尼自然頻率，二者為二階系統(tǒng)的兩個(gè)特征參數(shù)。例如我們想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。按照路徑在“控制設(shè)計(jì)與仿真”\“Control Design”\“Time Response”子選項(xiàng)板中選擇“CD Step Response.vi”、“CD Impulse Response.vi”、“CD Initial Response.vi”、“CD Linear Simulation.vi”，分別連接“CD Construct Transfer Function Model.vi”。前面板 分別放置 4 個(gè)圖形顯示控件，用來(lái)顯示各種響應(yīng)曲線(xiàn)，并放置數(shù)組，顯示相應(yīng)曲線(xiàn)的最大值，峰值等各數(shù)值。圖1所示為二階系統(tǒng)時(shí)域分析圖，輸入是w和zeta的值分別為5和0.2，顯示各響應(yīng)曲線(xiàn)及系統(tǒng)參數(shù)。通過(guò)改變輸入值大小，就可以觀察其它系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖1 二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)前面板界面

2.2 系統(tǒng)根軌跡圖

根軌跡法是一種簡(jiǎn)便的圖解方法，它的基本思想是當(dāng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)，借助若干條繪制準(zhǔn)則，繪制出閉環(huán)特征根變化的軌跡。

通常系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為零極點(diǎn)形式，例如想繪制的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡，首先采用LabVIEW中“控制設(shè)計(jì)與仿真模塊”提供CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi模塊，輸入該傳函零極點(diǎn)的實(shí)部和虛部以及開(kāi)環(huán)增益，然后連接CD Root Locus.vi就能繪制出該系統(tǒng)根軌跡，再由示波器Root Locus Graph圖進(jìn)行顯示，設(shè)計(jì)同時(shí)連接模塊CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi，給出了系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式，設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖2所示。由所繪制的閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡可以看出，有一部分根在S平面的右半部分，這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。若想使系統(tǒng)的根全部落在S平面左半部分，必須增加開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算該零點(diǎn)的取值范圍應(yīng)在(－5，0)之間滿(mǎn)足條件，程序只把輸入處添加一個(gè)實(shí)部在此范圍的零點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)根軌跡的繪制，圖2顯示系統(tǒng)在有零點(diǎn)－5時(shí)的臨界穩(wěn)定閉環(huán)根軌跡圖。這種可視化和動(dòng)態(tài)效果能使學(xué)生更好地理解零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響，可以大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的激情，也使理論教學(xué)不再枯燥乏味。

圖2 系統(tǒng)根軌跡圖

2.3 線(xiàn)性系統(tǒng)的頻域分析

控制系統(tǒng)的頻域分析是以系統(tǒng)的頻域特性作為數(shù)學(xué)模型，不必求解系統(tǒng)的微分方程，便可直接根據(jù)頻率特性曲線(xiàn)分析系統(tǒng)性能。本設(shè)計(jì)分別呈現(xiàn)出在不同輸入下不同系統(tǒng)的伯德圖(又稱(chēng)對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，包括對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)和對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn))和奈奎斯特曲線(xiàn)圖。當(dāng)輸入開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的零極點(diǎn)以及系統(tǒng)的增益，界面右側(cè)分別顯示出對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)和對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)［2，4］。例如想分析系統(tǒng)特性。系統(tǒng)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。圖 3 所示為系統(tǒng)的頻域分析圖，當(dāng)更改系統(tǒng)零極點(diǎn)時(shí)，可快捷、方便地看到其它系統(tǒng)的頻率特性，曲線(xiàn)也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

圖3 系統(tǒng)頻域分析圖

3 主界面的設(shè)計(jì)與集成

3.1 主界面的整合

為給使用者方便、完整的教學(xué)平臺(tái)，必須把所有的模塊放在一起。通過(guò)菜單的方式把所有的自接口模塊整合起來(lái)。通過(guò)設(shè)計(jì)，用7個(gè)子VI設(shè)計(jì)成5個(gè)大模塊。首先，新建一個(gè)VI命名為“主程序.vi”，在前面板設(shè)置“樹(shù)結(jié)構(gòu)”和“標(biāo)簽卡”。然后建立一個(gè)列表按照的需要盡可能多編輯“樹(shù)結(jié)構(gòu)”程序［5－6］。接下來(lái)把前面板的每個(gè)子VI一個(gè)接一個(gè)的放在“標(biāo)簽卡”中，與此同時(shí)，它們的所有功能面板應(yīng)該一個(gè)接一個(gè)的放在“主程序.vi”的功能面板后。最后，通過(guò)“時(shí)間結(jié)構(gòu)”的屬性節(jié)點(diǎn)將它們連接起來(lái)。為了使VI一直運(yùn)行，直到點(diǎn)擊“停止”按鈕，在功能面板上加上一個(gè)“while循環(huán)”。圖4展示“主程序.vi”的功能面板。

圖4 主程序.vi的功能面板

3.2 調(diào)用接口

調(diào)用接口:雙擊鼠標(biāo)(單擊或雙擊取決于“事件結(jié)構(gòu)”的集)將會(huì)完成。例如，當(dāng)想知道如何繪制某一系統(tǒng)的伯德圖，首先，運(yùn)行程序，然后雙擊“樹(shù)結(jié)構(gòu)”中的“串聯(lián)校正”，接下來(lái)，輸入各子系統(tǒng)的零極點(diǎn)，界面的圖形顯示器便顯示校正前后的結(jié)果。圖5是系統(tǒng)校正的調(diào)用窗口，界面設(shè)計(jì)同時(shí)給出校正系統(tǒng)前后的各參數(shù)變化值。

圖5 系統(tǒng)校正的調(diào)用窗口

4 結(jié)語(yǔ)

文中利用LabVIEW進(jìn)行了《自動(dòng)控制原理》教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了LabVIEW在控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用性并且具有較好的擴(kuò)展性。在課堂教學(xué)應(yīng)用中，基于LabVIEW的課件生動(dòng)形象，更能吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，提高對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解能力。本設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)的是《自動(dòng)控制原理》課程中連續(xù)系統(tǒng)的分析，由于LabVIEW具有開(kāi)放性的特點(diǎn)，可根據(jù)不同層次實(shí)驗(yàn)者的要求設(shè)計(jì)出更多的虛擬自動(dòng)控制系統(tǒng)，比如，添加多種校正系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)離散系統(tǒng)的各種分析等。

［1］ 吳濤，魏翀，鐘嘉健，等.虛擬儀器在控制工程實(shí)驗(yàn)中的研究與實(shí)踐［J］，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，11(29)，263－266.

［2］ 王煥然，徐穎秦.自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010(4):157－160.

［3］ 程雪敏，仲蓁蓁.基于LabVIEW的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.廣西輕工業(yè)，2010(10):90－91.

［4］ 丁紅，李學(xué)軍.自動(dòng)控制原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］ 侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［6］ 楊樂(lè)平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

Design and Implementation of Teaching Platform about Automatic Control Principle Based on LabVIEW

NIE Chun-yan，JI Shu-jiao

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

Automatic Control Principle with strong theoretical property is an important specialized fundamental course for automation and telecommunication major，in which the mathematical requirement of calculation and analysis is high and the process is more complicated.Based on LabVIEW，automatic control simulation platform is developed by some modules in automatic control system design and simulation toolkit，covering the main content of automatic control principle and including the establishment of a mathematical model of automatic control system，time domain analysis，root locus analysis and frequency domain analysis of control system.This platform is flexible to operate and easy to extend.It is proved that the application of this teaching platform to Automatic Control Principle can make teaching more intuitive and vivid，what’s more，it is also able to enhance students’perceptual knowledge and interests.

automatic control principle;teaching platform;time domain analysis;root locus

TN911.7

A

1009－3907(2012)08－0923－03

2012-06-20

聶春燕(1966-)，女，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士，主要從事信號(hào)分析與虛擬儀器等方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云