楊繪弘

摘 要：采用虛擬實驗平臺對于提高實驗效率和準確性有著積極的意義，目前在我國正成為研究、設(shè)計、開發(fā)的熱點。文章對自動控制原理虛擬實驗平臺的設(shè)計、研制、應(yīng)用進行了分析，結(jié)合其特點和功能，提出了虛擬實驗平臺的一些設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；虛擬實驗平臺；設(shè)計；應(yīng)用

一、虛擬實驗平臺的設(shè)計

1.設(shè)計策略

在實驗中，如果用物理實驗設(shè)備作為檢測方法，那么需要實驗儀器（通常包括通用示波器、信號發(fā)生器、記錄儀、模擬計算機）中的三種同時工作，如果實驗的人數(shù)很多，那么就會用到大量的實驗儀器，非常不劃算，因此虛擬實驗平臺必須解決這一問題，在虛擬實驗平臺上實現(xiàn)每個實驗儀器的使用，提高實驗效率和實驗的科學(xué)性。

2.功能設(shè)計

虛擬實驗開始既要發(fā)揮通用示波器、信號發(fā)生器、記錄儀和模擬計算機等實驗儀器的作用，又要為驗證性試驗提供有效的分析工具，如頻率特性、時域特性等，還要為設(shè)計性實驗提供典型環(huán)節(jié)，如積分環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)等。

3.硬件設(shè)計

虛擬實驗平臺的硬件采用通用PC數(shù)據(jù)采集卡，主要的技術(shù)指標為：16路模擬輸入，采樣速率100kHz，輸入電壓+10V，2路模擬輸出，輸出速率為100kHz，輸出電壓+10V。

4. 軟件設(shè)計

采用美國NI公司的虛擬儀器編程語言來進行自動控制原理虛擬實驗平臺的軟件設(shè)計和研發(fā)，該編程語言以ANSIC為核心，將C語言與用于信息收集、分析和表達的專業(yè)工具巧妙地結(jié)合，其集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法大大提高了C語言的能力，對虛擬實驗平臺的軟件設(shè)計有巨大的幫助。

二、主要功能和技術(shù)指標

1.PC數(shù)據(jù)采集卡的輸入/輸出接口設(shè)計

PC數(shù)據(jù)采集卡底層I/O操作的效率對虛擬實驗平臺的性能影響重大，也是虛擬實驗平臺的關(guān)鍵。因此必須選用高性能PC數(shù)據(jù)采集卡，同時運用基于DMA的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，完成大吞吐量的模擬輸入信號采集。

2. 數(shù)據(jù)顯示、存儲和打印的設(shè)計

數(shù)據(jù)顯示是實驗教學(xué)過程中的常用功能，實時曲線能夠提供及時的數(shù)據(jù)變化情況，要對數(shù)據(jù)進行更加詳細的分析，必須加強數(shù)據(jù)存儲的功能，存儲方式、存儲速率對提高數(shù)據(jù)存儲的功能有著重要意義，而實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)打印的特點在于能將許多曲線繪制在一張圖上，能將許多張圖繪制在一張紙上并進行標注和詮釋。

3. 頻率特性測試的設(shè)計

通過信號發(fā)生器產(chǎn)生不同的信號，輸入到被檢測的系統(tǒng)中，再測量被檢測系統(tǒng)的輸出，計算獲得幅頻特性，同理可得相頻特性。

4. 通用超前—滯后環(huán)節(jié)的實現(xiàn)

可分為模擬式實現(xiàn)和數(shù)字式實現(xiàn)。其中，模擬式實現(xiàn)是運用連續(xù)系統(tǒng)仿真技術(shù)，在短時間間隔內(nèi)實現(xiàn)上述環(huán)節(jié)的實時計算，這種環(huán)節(jié)性能甚至比模擬計算機更加穩(wěn)定。

三、應(yīng)用實例

1. 測量二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)測試

由虛擬實驗平臺的信號發(fā)生器產(chǎn)生周期為1600x10ms、幅值為2000mv的方波信號，通過測試得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，減小系統(tǒng)的開環(huán)增益，通過虛擬實驗平臺的瀏覽波形功能，將開環(huán)增益變化前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形重疊顯示，通過對比分析，掌握比例控制對系統(tǒng)性能造成的影響。

2. 線性系統(tǒng)性能分析和串聯(lián)校正

已知單位反饋系統(tǒng)不可變部分的開環(huán)傳遞函數(shù)，要求系統(tǒng)校正后滿足相關(guān)指標：靜態(tài)速度誤差系數(shù)為30，截止頻率為7rad/s，相角裕度不小于45°，設(shè)計一個串聯(lián)校正裝置。為了滿足這些要求，取開環(huán)增益為30，帶入原系統(tǒng)求得截止頻率為9.75rad/s，相角裕度為-17.2°，系統(tǒng)不穩(wěn)定，需減小截止頻率，可通過串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)的方式使截止頻率和相角裕度滿足要求。

自動控制原理虛擬實驗平臺自從問世以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，在實踐應(yīng)用中，虛擬實驗平臺的功能得到不斷的完善，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，自動控制原理虛擬實驗平臺將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，推動社會的發(fā)展。

參考文獻：

[1]王 瑛，蔡 勛，王 晶.自動控制原理虛擬實驗平臺的設(shè)計與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2003（4）：52-56.

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