王萌

摘 要：《控制工程基礎》在理工科高校中扮演著重要角色，然而由于其復雜的數(shù)學計算模型和較強的理論性，學生學習起來尤為困難。為了培養(yǎng)學生分析系統(tǒng)、設計系統(tǒng)的能力，課題設計了一套基于LabView軟件的控制工程虛擬實驗平臺。該平臺集成了控制理論中的典型模型，且將其巧妙集成為目錄形式再生成可執(zhí)行文件，允許用戶在不安裝LabView開發(fā)系統(tǒng)的情況下運行該VI。此平臺操作靈活，易于擴展，具有一定的實驗教學價值。

關(guān)鍵詞：控制工程；LabView；系統(tǒng)仿真；實驗教學

中圖分類號：TP15 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.025

《控制工程基礎》是高等理工科院校一門重要的專業(yè)基礎課程，理論性強，數(shù)學計算和分析的要求比較高，需要學生掌握系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，從而達到分析系統(tǒng)、設計系統(tǒng)的目的。

為了培養(yǎng)學生這方面的能力，除了理論教學外，實驗教學也是其中不可缺少的環(huán)節(jié)。在硬件實驗臺上，同學們可以實際搭建電路，一方面，鍛煉自己的動手能力，另一方面，通過搭建電路能加深對實驗原理的理解。由于實驗設備本身老化或其他問題，會讓實驗結(jié)果存在很大誤差，所以，有必要開發(fā)虛擬實驗臺實現(xiàn)計算機模擬演示，以此作為對硬件實驗的補充。本課題設計了一套基于LabView軟件的控制工程虛擬實驗平臺，該平臺集成了控制理論中的典型模型，可以連續(xù)任意地改變參數(shù)觀測實驗現(xiàn)象，更有利于學生對知識點的理解，且將其巧妙地集成為目錄形式再生成可執(zhí)行文件，允許用戶在不安裝LabView開發(fā)系統(tǒng)的情況下運行該VI。

1 系統(tǒng)方案介紹

利用LabView軟件專業(yè)版的控制系統(tǒng)與仿真工具包中的部分模塊開發(fā)控制工程各個實驗模塊，并形成目錄。其涵蓋了《控制工程基礎》課程的內(nèi)容包括典型環(huán)節(jié)，一、二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，時域分析，頻域穩(wěn)定性研究，系統(tǒng)的校正，非線性系統(tǒng)和線性離散系統(tǒng)的分析以及典型特例仿真。根據(jù)內(nèi)容的不同，建立獨立的子VI程序，利用傳遞函數(shù)顯示出來的特性曲線可以在很大程度上減小誤差。另外，改變傳遞函數(shù)的參數(shù)，可以動態(tài)觀測系統(tǒng)特性曲線的變化。

為了完善系統(tǒng)的管理和應用，本設計還利用樹形控件將所含內(nèi)容集合為樹形目錄置于主程序之中，并在主程序中建立大小合適和位置合適的子板面。在后面板，利用事件結(jié)構(gòu)的屬性節(jié)點，通過目錄標識符從邏輯上將子VI與主程序鏈接起來。這樣使用起來更加方便，界面更加友好。

利用NI提供的項目管理工具生成可執(zhí)行文件和程序安裝包，允許用戶在不安裝LabView開發(fā)系統(tǒng)的情況下運行該VI。這樣做，在很大程度上方便用戶直接使用。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 虛擬實驗平臺創(chuàng)建過程

2.1 前面板設計

在LabView下創(chuàng)建文件并命名為“控制工程虛擬實驗室”， 在其前面板中添加“樹形”控件，命名為模塊選擇，并在樹形控件中編輯各子VI名稱，包括典型環(huán)節(jié)，一、二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，時域分析，頻域穩(wěn)定性研究，系統(tǒng)的校正，非線性系統(tǒng)和線性離散系統(tǒng)的分析等。根據(jù)邏輯關(guān)系，確定子VI的目錄等級，最終形成樹形目錄，之后在主程序中添加“子面板”控件來確定、顯示子VI的打開位置。主程序前面板如圖2所示。

2.2 后面板設計

在主程序后面板上利用“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”確定事件執(zhí)行的順序，在第一幀中建立“while循環(huán)”控件，以控制整個程序的運行，并添加“事件結(jié)構(gòu)”。利用其屬性節(jié)點調(diào)用和打開不同的子VI，在“事件結(jié)構(gòu)”中選擇添加事件分支選項，添加2個分支。

2.3 子VI連接

分支0處理的事件為利用事件結(jié)構(gòu)的屬性節(jié)點，通過目錄標識符從邏輯上與子VI連接起來，將標識符所代表的字符串與“.VI”用連接字符串控件連接起來，比如“二階系統(tǒng)時域響應分析.VI”。同時，用拆分路徑控件和創(chuàng)建路徑控件將當前VI路徑（如"E：＼labView＼控制工程虛擬實驗室.VI"）與所選子VI連接起來，將路徑改為"E：＼labView＼二階系統(tǒng)時域響應分析.VI"，然后用“打開VI引用”控件并調(diào)用屬性節(jié)點來打開當前路徑所指的子VI文件，即完成一次子VI的打開。

2.4 主程序的退出

在分支1處理中添加停止按鈕來退出當前子VI循環(huán)，但不能直接關(guān)閉主程序。為了解決這一問題，在“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”的第二幀中，用拆分路徑控件和創(chuàng)建路徑控件將當前路徑更改為主程序所在路徑，即"E：＼labVIew＼控制工程虛擬實驗室.VI"，然后用“打開VI引用”控件并調(diào)用屬性節(jié)點來關(guān)閉當前路徑所指的VI文件，即退出主程序。其后面板如圖3所示。

3 子系統(tǒng)介紹

控制工程虛擬實驗平臺的子系統(tǒng)包括典型環(huán)節(jié)，一、二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，時域分析，頻域穩(wěn)定性研究，系統(tǒng)的校正，非線性系統(tǒng)和線性離散系統(tǒng)的分析以及典型特例仿真。這里，我們選擇二階系統(tǒng)和系統(tǒng)校正加以介紹。

3.1 二階系統(tǒng)

圖4為二階時域系統(tǒng)分析的前面板，它是利用LabView控制工具包模塊仿真得到的一個典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應曲線。從圖中可以看到，二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，增益為1，阻尼比為0.5，固有頻率為50 Hz。該系統(tǒng)存在一定的超調(diào)量，但是，系統(tǒng)會很快趨于穩(wěn)定。左下方是阻尼比和固有頻率滑動桿，通過移動滑動桿來改變系統(tǒng)參數(shù)，在右上方觀察圖形改變。調(diào)整改變阻尼滑動桿，系統(tǒng)時間、超調(diào)量都會發(fā)生改變；而改變固有頻率，超調(diào)量不會發(fā)生變化。中間上半部分的顯示控件顯示，改變阻尼比和固有頻率時，系統(tǒng)性能參數(shù)的具體數(shù)值與圖形顯示曲線變化規(guī)律一致。

對于頻域特性的仿真，按照路徑在“控制設計與仿真”＼＼“Control Design”＼＼“Frequency Response”子選項板中選擇“CD Nyquist.VI”和“CD Bode.VI”模塊，并與“CD Convert to Transfer Function Model.VI”模塊連接，再增添相應的輸入控件、顯示控件、圖形控件即可。圖5為二階系統(tǒng)的頻域分析圖，當更改系統(tǒng)增益和時間常數(shù)時，可快捷、方便地看到曲線發(fā)生相應的變化，分析其頻率特性，判斷其穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)校正

系統(tǒng)的性能指標是根據(jù)它所要完成的具體任務規(guī)定的，而在一般情況下，幾個性能指標的要求往往是相互矛盾的。例如，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差往往會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。此時，要滿足主要性能指標，再通過校正環(huán)節(jié)達到所期望的性能指標。 該平臺中建立了常用的3種系統(tǒng)校正方式，即串聯(lián)校正、PID校正、反饋校正。PID系統(tǒng)校正如圖6所示。從圖6中可以看出，校正前，系統(tǒng)穩(wěn)定在50 s左右，而加入PID校正后，雖然存在一定的超調(diào)量，但在20 s左右，系統(tǒng)就已經(jīng)進入平穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本設計利用LabView軟件完成了控制工程虛擬實驗平臺的設計，基于系統(tǒng)模型的建立加深對理論知識的學習和理解，以彌補當前實驗硬件條件的不足，從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學目標。

參考文獻

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