陳光輝

摘要：本文主要介紹了虛擬儀器的概念和特點(diǎn)，并且分析了虛擬儀器在機(jī)械控制基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用，從課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面分析介紹了Matlab虛擬儀器的應(yīng)用。實(shí)踐表明虛擬儀器的應(yīng)用能夠有效提高機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果，具有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;控制工程基礎(chǔ);教學(xué)應(yīng)用

1.虛擬儀器的概念和特點(diǎn)

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)上，利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件設(shè)備，由用戶完成設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件系統(tǒng)，它具有跟真實(shí)儀器一樣的操作面板，而且能夠像真實(shí)儀器以往完成相關(guān)測(cè)試功能。虛擬儀器在使用過(guò)程中呈現(xiàn)給用戶的面板是虛擬的，其能夠完成的測(cè)量功能是靠軟件程序來(lái)驅(qū)動(dòng)的。將具有不同功能的軟件模塊組合到一塊能夠完成不同類型的測(cè)試功能，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果。虛擬儀器一般由硬件和軟件兩個(gè)部分組成，其中硬件部分包括了計(jì)算機(jī)和I/O接口部分，其中I/O接口負(fù)責(zé)完成對(duì)信號(hào)的采集、放大和轉(zhuǎn)換等。軟件則包括了各種應(yīng)用程序和接口驅(qū)動(dòng)程序。虛擬儀器的硬件配置完成后，由軟件程序驅(qū)動(dòng)其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的一種，能夠完整一般測(cè)試儀器能夠完成的功能，但是跟傳統(tǒng)意義上的測(cè)試儀器相比，它具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

1.1成本低，用戶只需在計(jì)算機(jī)上安裝相應(yīng)的軟件應(yīng)用程序即可，省去了購(gòu)買(mǎi)儀器和設(shè)備所需要的成本。

1.2功能靈活，能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷更新其功能，且具有較強(qiáng)的可重配置性，能夠?qū)崿F(xiàn)多次復(fù)用。

1.3更新和維護(hù)成本低，如果虛擬儀器需要進(jìn)行性能改進(jìn)或者功能擴(kuò)展，只需要對(duì)其軟件進(jìn)行更新即可，且虛擬儀器不需要專門(mén)的人員對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和維修。

2.虛擬儀器在機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用

為了能夠讓學(xué)生能夠直觀的看到各種控制效果，我們采用Labview和matlab相結(jié)合進(jìn)行控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中的開(kāi)發(fā)。Labview屬于一種圖形化的編程軟件，能夠在計(jì)算機(jī)界面上完成圖形的動(dòng)態(tài)顯示，但是在控制工程中采用的算法計(jì)算中受到了很大的限制。而Matlab軟件中集成了大量的圖形和數(shù)值信息，能夠?yàn)閺?fù)雜計(jì)算提供可視化操作，但是它的界面開(kāi)發(fā)功能較差。鑒于二者的優(yōu)缺點(diǎn)，本文通過(guò)ActiveX技術(shù)將二者嵌套在一起進(jìn)行開(kāi)發(fā)，完成對(duì)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)相關(guān)課程的講解。利用他們強(qiáng)大的算法處理功能和圖形界面功能進(jìn)行虛擬操作平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程中的大量公式的計(jì)算、圖形的繪制和人機(jī)界面的顯示，下面我們通過(guò)對(duì)單容水箱的實(shí)例對(duì)虛擬儀器在控制工程基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2.1?Labview在機(jī)械控制工程前臺(tái)用戶界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

首先啟動(dòng)Labview軟件，選擇創(chuàng)建一個(gè)新的文件，進(jìn)入Labview的主界面。然后在Labview軟件的圖形選擇框中，選用立方形狀的水箱，并且用鼠標(biāo)將其拖到軟件的顯示界面中。同樣將單容水箱實(shí)驗(yàn)中需要用到的水管以及調(diào)節(jié)閥等元器件拖到界面的顯示區(qū)域，并且將各個(gè)零部件按照實(shí)驗(yàn)原理連接到一起，得到一個(gè)模擬的單容水箱系統(tǒng)。從Labview的工具欄中選中示波器對(duì)水箱中水位的變化情況進(jìn)行顯示。另外還要選中多個(gè)數(shù)字輸入框用來(lái)完成對(duì)單容水箱系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的輸入和顯示。

2.2?Matlab在機(jī)械控制工程后臺(tái)控制策略中的應(yīng)用

Labview軟件中采用圖形化的語(yǔ)言，將要完成的任務(wù)通過(guò)調(diào)用方式在軟件中以圖形方式顯示。界面顯示的所有元件都跟軟件中的程序一一對(duì)應(yīng)，用戶只需要將界面連接在一起，無(wú)需進(jìn)行其相關(guān)程序的設(shè)計(jì)。但是要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的真正控制，必須要采用Matlab來(lái)完成。而使用Matlab首先要解決兩個(gè)軟件之間數(shù)據(jù)的接口問(wèn)題。

本次設(shè)計(jì)中利用Labview軟件中提供的Matlab?script接口實(shí)現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)的連接，然后通過(guò)Matlab為單容水箱的被控對(duì)象參數(shù)K和T、單容水箱的水位信息以及控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊Matlab軟件的左邊框，系統(tǒng)會(huì)彈出相關(guān)對(duì)話框，然后選擇添加輸入，輸入相關(guān)參數(shù)的信息。為了便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，還需要利用Matlab中的時(shí)延控制器對(duì)實(shí)時(shí)曲線的顯示速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶選擇工具箱中的時(shí)延控制器，然后調(diào)節(jié)其旋鈕位置，完成對(duì)控制系統(tǒng)中輸入和輸出的設(shè)計(jì)，最后將系統(tǒng)所需要的PID控制算法輸入到軟件的中間程序中，即完成了對(duì)單容水箱整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

Labview和Matlab的應(yīng)用徹底解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法中需要進(jìn)行大量的計(jì)算，且繪制的曲線精度較低的問(wèn)題，同時(shí)教師在教學(xué)過(guò)程中可以通過(guò)演示，讓學(xué)生直觀看到其控制效果。所以借助Labview和Matlab軟件，教師的課程教學(xué)變得非常清晰明了，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)也比較輕松，起到了事半功倍的效果。另外Matlab軟件中提供的仿真功能，能夠在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有效排除外界因素對(duì)其實(shí)驗(yàn)過(guò)程造成的影響，Matlab實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，這是素質(zhì)教育教學(xué)的最終目標(biāo)，也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.結(jié)論

虛擬儀器的使用徹底改變了機(jī)械控制工程傳統(tǒng)意義上的教學(xué)觀念，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新性。同時(shí)虛擬儀器的使用打破了傳統(tǒng)設(shè)備儀器對(duì)時(shí)間器材的限制，能夠保證所學(xué)學(xué)生獨(dú)自完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容，并且能夠幫助學(xué)生進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行做好準(zhǔn)備工作。采用Labview和Matlab虛擬儀器進(jìn)行的機(jī)械控制工程教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬儀器的使用能夠促進(jìn)該課程的教學(xué)改革，提高機(jī)械控制工程課程的教學(xué)質(zhì)量。

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