基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统

电气电子教学学报

JOURNALOFEEE

Vol.29　No.1Feb.2007

基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统

赵剑锋,吴继平

(东南大学　电气工程学院,江苏南京210096)

①

摘　要:根据“自动控制原理”课程实验教学在高校实验实践中遇到的困难和实验教学改革的需要,本文提出了建立基于LabVIEW的自动控制虚拟实验系统方案。文中分析了目前常见的虚拟实验系统的优缺点,相应的应用LabVIEW编程语言实现了包含“自动控制原理”课程常见实验的虚拟实验系统,并提出了进行硬件实验扩充的设想。最后,利用Matlab语言编程进行对比分析,进行正确性验证。关键词:虚拟仪器;LabVIEW;自动控制实验;Matlab中图分类号:TP13;G642　　

文献标识码:B　　　　　　　文章编号:1008-0686(2007)01-0085-03

AutomaticControlTheoryVirtualExperimentSystemBasedonLabVIEW

ZHAOJian2feng,WUJi2ping

(ElectricalEngineeringInstituteofSoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:OnthebasisofproblemsencounteredinactualexperimentteachingofAutomaticControlTheoryinuniversitiesandneedofexperimentteachingrevolution,anewkindofautomaticcontroltheoryvirtualexperimentsystembasedonLabVIEWisadvanced.Strongpointandweaknessofcommonvirtualexperi2mentsystemsatpresentareanalyzedandavirtualexperimentsystemincludingcommonexperimentsinAutomaticControlTheoryiscompletedsuccessfullyusingLabVIEWequivalently.Inaddition,proposalforhardwareexperimentexpansionisputforward.Atlast,Matlabprogrammingisusedforcomparisonandaccuracycertification.

Keywords:virtualinstrument;LabVIEW;automaticcontrolexperiment;Matlab

0　引言

“自动控制原理”是电气工程专业一门重要的专

业基础课,要求学生掌握自动控制系统的分析及设计方法。自动控制课程中,实验是一种重要的教学手段,学生通过做实验,可以加深对所学知识的理解,提高动手能力,锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。但是目前自动控制实验教学存在一系列问题,例如实验设备和实验场地数量有限,实验设备老化严重以及严重缺乏实验指导教师等,因此各种虚拟实验方法相继提出。文献[3]和文献[6]均提

出基于Matlab的虚拟实验系统,用软件模拟了实际硬件的全部功能。解决了目前自动控制实验中的一些问题,并在一定程度上提高了目前“自动控制原理”教学效果。但是,由于Matlab的局限性,这些虚拟实验系统仅限于软件模拟,这样不能锻炼学生的动手能力和硬件调试能力,并且软件模拟实验给学生的印象并不如硬件实验那样深刻。另外,由于Matlab软件模拟往往需要学生对其有一定的熟悉和了解,这对于低年级的学生来说比较困难。所以,实验效果并不很理想。

随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发

①收稿日期:2006-11-13;修回日期:2006-11-28

作者简介:赵剑锋(1972-),男,浙江临海人,博士,副教授,主要从事自动控制原理教学工作和电力电子在电力系统中的应用研究;

吴继平(1984-),男,江西抚州人,硕士,主要研究电力系统故障分析。

86　　　　电气电子教学学报　　　　第29卷

展,采用NI公司的LabVIEW编程语言,开发出基

于LabVIEW虚拟实验系统,结合第三方公司提供的数据采集卡,对虚拟实验系统稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验,又能结合学校原有的硬件电路设备进行硬件实验的综合实验系统,可以显著提高教学效果和实验效果[4,5]。

要,在前面板上添加必要的数据输入控件和输出控件、程序说明标签、程序控制按钮及实验结果显示控件,得到的前面板如图1所示。

1　基于LabVIEW的虚拟实验系统的

设计

111　虚拟实验系统设计的基本原则

虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点。通过课堂上的模拟实验,可以更好地帮助学生理解、消化、吸收所学内容,重点解决教学及实验过程中的一些难点问题,如频域分析、根轨迹[6]。本文设计的虚拟实验系统具有实验界面简单,参数改变方便等特点,包含了“自动控制原理”中常见的9个虚拟实验子系统:

实验一:典型环节的模拟研究

实验二:典型二阶系统的时域特性研究

实验三:线性系统分析

实验四:线性系统的稳定性分析实验五:系统的稳定裕度研究实验六:根轨迹

实验七:典型二阶系统的频域特性分析实验八:二阶系统的超前-滞后校正实验九:二阶系统的PID调节112　虚拟实验子系统的实现

在“自动控制原理”课程中,典型二阶系统时域特性分析是自动控制系统分析的基础,也是教学的重点和难点。下面就此实验子系统进行分析。在自动控制原理课程中,典型二阶系统均具有如下形式:

2ω(s)nCΦ(s)=(1)=22

(s+2ξωns+ωR(s)n)

其中:ω,为阻尼比。n为振荡频率ξ当典型二阶系统加上单位阶跃输入时,需要分析该系统的输出响应。由于LabVIEW中并没有象Matlab那样直接提供计算阶跃响应的函数,所以必须自己利用LabVIEW提供的数学函数实现响应结果。

首先设计实验子系统的实验界面。根据实验需

图1　典型二阶系统阶跃特性分析界面

根据式(2)自动控制理论,典型二阶系统的单位

阶跃响应经过拉普拉斯逆变换得到时域响应结果,都具有如下形式[1]:

h(t)=1-

11-ζ

e2

ωnt-ζ

sin(ωn2

ζ)1-ζt+αcos

(2)　　　　　　(0<ζ<1)

其中振荡频率ωn和阻尼比ξ为可改变参数。

根据式(2),对实验系统的后面板进行设计,面

板程序图如图2所示。

图2　典型二阶系统后面板程序图

在实现时域结果的程序中,采用LabVIEW中常用的公式节点,使得程序简洁易懂,对于不同的输

入参数,得到不同的输出结果。并且将整个程序放入一个大的循环程序中,可以对改变输入参数得到及时的响应,提高实验的对比性。

在这个实验中,在实验界面的左侧输入实验参数,便可得到典型二阶系统的参数:振荡频率、阻尼

第1期赵剑锋等:基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统87

比和虚拟示波器显示参数(采样点数)。改变了二阶系统的参数就改变阶跃响应的波形,改变采样点数可改变波形的长度。本实验子系统除了能显示二阶系统的阶跃响应波形外,还能计算出时域指标:上升时间、延迟时间、峰值时间、调节时间、超调量和稳态误差,并将理论值和测量值进行比较。113　虚拟实验系统的扩展

在实际“自动控制原理”的教学和实验过程中,通常不仅需要进行软件的模拟实验时,还需要利用硬件设备进行硬件实验。由于语言的特性,在基于LavBIEW的虚拟实验系统中进行扩展时只需要调

　　采用Matlab软件提供的控制系统分析函数仿真得到的实验波形(图3)。

得到的实验结果与虚拟实验结果如表1所示。

表1　典型二阶系统时域性能理论值与测量值比较

超调量

理论值

LABVIEW中测量Matlab中测量

011630116301163

稳态误差

000

上升时间

延迟时间

峰值时间

01362

调节时间

0164

01152101128011640117

01128013628015280113

0136

0152

　　分析上述理论结果和仿真结果可以看出:三者的结果基本吻合。故LabVIEW的仿真精度与Matlab的仿真精度基本一致。用数据采集卡设备提供商提供的数据采集函数,就能将硬件电路的电信号采集到实验系统中,再对采集到的信号进行分析。因此该虚拟实验系统扩展是十分方便的,这也是其他类型的虚拟实验系统所不能做到的。

3　结语本实验系统基于LabVIEW语言,充分利用了其灵活、开放、用软件代替仪器功能的特点,人机界面友好,学生使用方便,并且具有良好的可扩展性,不仅能方便的进行软件模拟实验,而且能够很好的与硬件实验电路相结合,进行硬件实验。

将基于LabVIEW的自动控制虚拟实验系统应用于“自动控制原理”的教学,使学生能直观地领会和理解自动控制原理课程的分析方法和处理结果,对调动学生的学习积极性以及提高学生的实验效果和实验兴趣都是有相当大的作用。参考文献:

[1]　胡寿松1自动控制原理[M]1北京:科学出版社,2002

[2]　魏克新,王云亮,陈志敏等1Matlab语言与自动控制系统设计

[M]1北京:机械工业出版社,2004

[3]　董海瑞等1基于MATLAB的“自动控制原理”虚拟实验仿真

2　实验子系统Matlab的仿真和正确性验证

　　在设计虚拟实验系统中,为了对设计好的实验

子系统进行验证,采用Matlab软件进行仿真,对实验波形和实验结果进行对比分析[2]。

对于典型二阶系统的时域特性分析实验,设定w=10,ξ=0.5,由Matlab语言编程为:

sys1=tf(100,[1,10,100]);　　

t=0:0.01:2;y1=step(sys1,t);plot(t,[y1,y2,y3]),grid;

平台[J]1上海:实验室研究与探索,2005,24(增刊)

[4]　马蔷等1基于虚拟仪器的自动控制原理实验系统[J]1上海:

实验室研究与探索,2005,24(增刊)

[5]　周民1虚拟仪器在高校实验教学中的应用及开发设计[D]1西

安:陕西科技大学硕士学位论文,2003

[6]　陈卫红等1“自动控制教学与实验系统”CAI软件的研究与实

现[J]1南京:电气电子教学学报,2002,24(3)

图3　典型二阶系统阶跃系统的Matlab仿真