1、第 22 卷 第 8 期 长 春 大 学 学 报 Vol22 No82012 年 8 月 JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY Aug 2012收稿日期 : 2012-06-20作者简介 : 聂春燕 ( 1966-) ， 女 ， 吉林长春人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事信号分析与虚拟仪器等方面研究 。基于 LabVIEW 的 自动控制原理 教学平台设计与实现聂春燕 ， 吉淑娇( 长春大学 电子信息工程学院 ， 长春 130022)摘 要 :自动控制原理 是工科类自动化以及电信类专业比较重要的一门专业基础课 ， 理论性较强 ， 计算和分析的数学要求高 ， 过程比较烦
2、琐 。本设计以 LabVIEW 为平台 ， 利用控制系统设计与仿真工具包中的部分模块开发 自动控制原理 仿真平台 ， 平台基本涵盖了 自动控制原理 课程的全部主要内容 ， 包括自动控制系统的数学模型的建立 、控制系统的时域分析 、根轨迹分析以及频域分析 。本平台操作灵活 ， 易于扩展 ， 用于 自动控制原理 的课堂教学 ， 使教学更加形象直观 ， 也能够加深学生学习的感性认识和兴趣 。关键词 : 自动控制原理 ; 教学平台 ; 时域分析 ; 根轨迹中图分类号 : TN9117 文献标志码 : A 文章编号 : 1009 3907( 2012) 08 0923 030 引 言如今 ， 在大多数高
3、等院校的教学中 ， 传统的多媒体教学方式已经不能满足日益更新的教学内容 ， 尤其是在工程类专业学科方面 。单一的文字 、图片教学只能对课程内容进行字面上的解释 ， 而不能对课程的内涵进行很好的诠释 ， 因此我们迫切需要一种新的多媒体方式 ， 并使其能够在教学中大量应用 1。美国 NI 公司开发的 LabVIEW 是一种图形化编程语言和开发环境 ， 它被广泛地被工业界 、学术界和研究实验室所接受 。LabVIEW 提供的控制与设计与仿真工具包为开发控制应用程序的专用工具包 ， 为 LabVIEW 用于自动控制系统仿真提供了有力的保障 。本设计以 LabVIEW 为平台 ， 结合 自动控制原理 具
4、有模块化的特点 ， 开发了自动控制原理 的教学仿真平台 。1 自动控制原理 教学平台的组成与特点自动控制原理 是一门理论性较强的课程 ， 已形成了比较完整的体系 ， 但其计算和分析的数学要求高 ，过程比较烦琐 。教师课程讲解如果不形象直观 ， 很难加深学生的感性认识 ， 难以引起学习兴趣 。本平台基于LabVIEW 86 版本 ， 利用软件提供的控制模块进行仿真设计 ， 设计内容基本涵盖了 自动控制原理 的主要模块 。考虑到平台用于教学 ， 因此采用 LabVIEW 提供的树形结构和选项卡模块 ， 将所有子 VI 程序模块参照自动控制原理 课程的顺序排列 ， 形成二级目录 ， 再按照此顺序将子
5、 VI 程序与选项板控件链接在一起 ， 最后通过创建选项板属性节点 ， 将树形结构和选项板绑定在一起 ， 联合实现鼠标点击目录即出现相应内容的功能 ， 界面友好直观 ， 操作方便 ， 易于扩展 。2 教学平台的设计实现平台共设计了 5 个大的模块 ， 包括线性系统的数学模型 ， 实现了传递函数的求解和系统结构图的简化 ;线性系统是时域分析 ， 实现了一阶系统和二阶系统的时域分析 ; 系统的根轨迹分析 ， 实现了不同系统根轨迹的绘制 ; 线性系统的频域分析 ， 实现了系统的对数曲线和奈奎斯特曲线图的绘制 。21 系统时域分析在控制工程中 ， 二阶系统比较常见 。典型二阶系统结构系统闭环传递函数为
6、G( s) =2ns2+2ns +2n( 1)式中 称为阻尼系数或阻尼比 ， n为无阻尼自然频率 ， 二者为二阶系统的两个特征参数 。例如我们想对系统 G( s) =25s2+2s +25进行时域分析 。按照路径在 “控制设计与仿真 ” “Control Design” “Time Re-sponse”子选项板中选择 “CD Step Response vi”、“CD Impulse Response vi”、“CD Initial Response vi”、“CDLinear Simulation vi”， 分别连接 “CD Construct Transfer Function Model
7、 vi”。前面板 分别放置 4 个图形显示控件 ， 用来显示各种响应曲线 ， 并放置数组 ， 显示相应曲线的最大值 ， 峰值等各数值 。图 1 所示为二阶系统时域分析图 ， 输入是 w 和 zeta 的值分别为 5 和 02， 显示各响应曲线及系统参数 。通过改变输入值大小 ， 就可以观察其它系统的响应曲线 。图 1 二阶系统的时域响应前面板界面22 系统根轨迹图根轨迹法是一种简便的图解方法 ， 它的基本思想是当开环系统的一个或者多个参数发生变化时 ， 根据系统的开环零极点 ， 借助若干条绘制准则 ， 绘制出闭环特征根变化的轨迹 。通常系统开环传递函数为零极点形式 ， 例如想绘制的开环传递函数
8、表达式为 G( s) =10s( s +1) ( s +2)的闭环系统根轨迹 ， 首先采用 LabVIEW 中 “控制设计与仿真模块 ”提供 CD Construct Zero-Pole-Gain Model vi 模块 ， 输入该传函零极点的实部和虚部以及开环增益 ， 然后连接 CD Root Locus vi 就能绘制出该系统根轨迹 ，再由示波器 Root Locus Graph 图进行显示 ， 设计同时连接模块 CD Draw Zero-Pole-Gain Equation vi， 给出了系统开环传递函数的表达式 ， 设计详见图 2 所示 。由所绘制的闭环系统根轨迹可以看出 ， 有一部分
9、根在 S 平面的右半部分 ， 这样的系统是不稳定的 。若想使系统的根全部落在 S 平面左半部分 ， 必须增加开环零点 ， 根据计算该零点的取值范围应在 ( 5， 0) 之间满足条件 ， 程序只把输入处添加一个实部在此范围的零点即可实现不同系统根轨迹的绘制 ， 图 2 显示系统在有零点 5 时的临界稳定闭环根轨迹图 。这种可视化和动态效果能使学生更好地理解零极点对系统的影响 ， 可以大大激发学生学习 、设计和创造的激情 ， 也使理论教学不再枯燥乏味 。图 2 系统根轨迹图23 线性系统的频域分析控制系统的频域分析是以系统的频域特性作为数学模型 ， 不必求解系统的微分方程 ， 便可直接根据频率特性
10、曲线分析系统性能 。本设计分别呈现出在不同输入下不同系统的伯德图 ( 又称对数曲线 ， 包括对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线 ) 和奈奎斯特曲线图 。当输入开环系统的零极点以及系统的增益 ， 界面右侧分别显示出对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线 2， 4。例如想分析系统 G( s) =5( s +1)( s +2) ( s +3)的频率429 长 春 大 学 学 报 第 22 卷特性 。系统按照路径在 “控制设计与仿真 ” “Control Design” “Frequency Response”子选项板中选择 “CDNyquist vi”和 “CD Bode vi”模块 ， 并与 “CD
11、Convert to Transfer Function Model vi”模块连接 。图 3 所示为系统的频域分析图 ， 当更改系统零极点时 ， 可快捷 、方便地看到其它系统的频率特性 ， 曲线也产生相应的变化 。图 3 系统频域分析图3 主界面的设计与集成31 主界面的整合为给使用者方便 、完整的教学平台 ， 必须把所有的模块放在一起 。通过菜单的方式把所有的自接口模块整合起来 。通过设计 ， 用 7 个子 VI 设计成 5 个大模块 。首先 ， 新建一个 VI 命名为 “主程序 vi”， 在前面板设置 “树结构 ”和 “标签卡 ”。然后建立一个列表按照的需要尽可能多编辑 “树结构 ”程序
12、 5 6。接下来把前面板的每个子 VI 一个接一个的放在 “标签卡 ”中 ， 与此同时 ， 它们的所有功能面板应该一个接一个的放在“主程序 vi”的功能面板后 。最后 ， 通过 “时间结构 ”的属性节点将它们连接起来 。为了使 VI 一直运行 ， 直到点击 “停止 ”按钮 ， 在功能面板上加上一个 “while 循环 ”。图 4 展示 “主程序 vi”的功能面板 。图 4 主程序 vi 的功能面板32 调用接口调用接口 : 双击鼠标 ( 单击或双击取决于 “事件结构 ”的集 ) 将会完成 。例如 ， 当想知道如何绘制某一系统的伯德图 ， 首先 ， 运行程序 ， 然后双击 “树结构 ”中的 “串
13、联校正 ”， 接下来 ， 输入各子系统的零极点 ， 界面的图形显示器便显示校正前后的结果 。图 5 是系统校正的调用窗口 ， 界面设计同时给出校正系统前后的各参数变化值 。图 5 系统校正的调用窗口( 下转第 948 页 )529第 8 期 聂春燕 ， 等 : 基于 LabVIEW 的 自动控制原理 教学平台设计与实现参考文献 : 1 王海涛 ， 张树仁 在 DELPHI 的环境下利用 MSCOMM 控件开发 RS232 串口通信软件 J 长春大学学报 ， 2012( 2) : 160 162 2 刘榴娣 ， 刘明奇 ， 党长民 实用数字图像处理 M 北京 : 北京理工大学出版 ， 2009
14、3 丁兆海 Delphi 基础教程 M 北京 : 电子工业出版社 ， 2007 4 王小华 Delphi 6 程序设计与控件参考 M 北京 : 电子工业出版社 ， 2008 5 董迎红 ， 于秀霞 基于 GIS 医院地理信息查询管理系统的设计与实现 J 长春大学学报 ， 2011( 12) : 32 35 6 段来盛 ， 郑城荣 曹恒 ， Delphi 实战演练 M 北京 : 人民邮政出版社 ， 2009 7 张化勋 ， 曹旭 基于 VB 环境下的聋哑大学生无障碍信息交流教学辅助系统的设计 J 长春大学学报 ， 2011( 8) : 1 5 8 张亚飞 精通 Delphi 结构化设计和开发 M
15、 北京 : 科学出版社 ， 2006 9 刘海涛 Delphi 程序设计基础 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2006 10 东方人华 ， 吕伟臣 Delphi7 入门与提高 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2007 11 刘骏 Delphi 数字图像处理及高级应用 M 北京 : 科学出版社 ， 2007责任编辑 : 吴旭云Design of the Experimental System of Digital Image Processing Based on DelphiLIU Shu-jie， ZHOU Xiao-feng( Attached Hospital to Changchu
16、n University of Chinese Medicine， Changchun 130117， China)Abstract: This paper introduces a software development platform by using Object Pascal targeted object language Delphi 7 0 WithBussinessSkinForm interface control， the experimental system can simply process digital images and can append， modi
17、fy， save， delete，locate studentsinformation and inquire and manage them on conditionsKeywords: digital image processing; experimental system; Delphi 70( 上接第 925 页 )4 结语文中利用 LabVIEW 进行了 自动控制原理 教学平台的开发 ， 仿真及实验结果表明了 LabVIEW 在控制领域具有较强的应用性并且具有较好的扩展性 。在课堂教学应用中 ， 基于 LabVIEW 的课件生动形象 ， 更能吸引学生的注意力 ， 增强学生对所学知识
18、的感性认识 ， 提高对所学内容的理解能力 。本设计仅实现的是 自动控制原理 课程中连续系统的分析 ， 由于 LabVIEW 具有开放性的特点 ， 可根据不同层次实验者的要求设计出更多的虚拟自动控制系统 ， 比如 ， 添加多种校正系统以及实现离散系统的各种分析等 。参考文献 : 1 吴涛 ， 魏翀 ， 钟嘉健 ， 等 虚拟仪器在控制工程实验中的研究与实践 J， 实验室研究与探索 ， 2010， 11( 29) ， 263 266 2 王焕然 ， 徐颖秦 自动控制原理虚拟实验平台的设计 J， 电力系统及其自动化学报 ， 2010( 4) : 157 160 3 程雪敏 ， 仲蓁蓁 基于 LabVI
19、EW 的虚拟仪器实验教学系统的设计 J 广西轻工业 ， 2010( 10) : 90 91 4 丁红 ， 李学军 自动控制原理 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2006 5 侯国屏 ， 王坤 ， 叶齐鑫 LabVIEW71 编程与虚拟仪器设计 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2005 6 杨乐平 ， 李海涛 ， 杨磊 LabVIEW 程序设计与应用 M 2 版 北京 : 电子工业出版社 ， 2009责任编辑 : 吴旭云Design and Implementation of Teaching Platform aboutAutomatic Control Principle Based o
20、n LabVIEWNIE Chun-yan， JI Shu-jiao( College of Electronic Information Engineering， Changchun University， Changchun 130022， China)Abstract: Automatic Control Principle with strong theoretical property is an important specialized fundamental course for automation andtelecommunication major， in which t
21、he mathematical requirement of calculation and analysis is high and the process is more complicat-ed Based on LabVIEW， automatic control simulation platform is developed by some modules in automatic control system design andsimulation toolkit， covering the main content of automatic control principle
22、 and including the establishment of a mathematical model ofautomatic control system， time domain analysis， root locus analysis and frequency domain analysis of control system This platform isflexible to operate and easy to extend It is proved that the application of this teaching platform to Automatic Control Principle can maketeaching more intuitive and vivid， whats more， it is also able to enhance studentsperceptual knowledge and interestsKeywords: automatic control principle; teaching platform; time domain analysis; root locus849 长 春 大 学 学 报 第 22 卷
