基于虚拟技术《自动控制原理》课程仿真实验系统论文

基于虚拟技术的《自动控制原理》课程仿真实验系统【摘要】根据《自动控制原理》课程实验教学的实际需求，将虚拟技术引入到课程的实验教学中，开发了基于labvlew和matlab 的自动控制原理虚拟实验系统。通过教学实践表明，该虚拟实验仿真平台的建立和应用，改革了自动控制原理课程实验教学的形式和内容，培养了学生的兴趣和实践能力。

【关键词】虚拟技术；自动控制原理；实验系统

0 引言

《自动控制原理》是工学专业一门重要的专业基础课程，其教学目标是使学生掌握控制系统的基本性能特点，从而学会分析和设计控制系统的方法。这门课程教学特点鲜明，除理论教学外，实验教学也是其中不可缺少的环节。

然而，在硬件实验平台实现教学目标，每种仪器都必须配置多套，若要频繁改变系统参数或结构，必然要大量更换或调整相应元器件，随之而来的问题是：①即使实验教师工作量增大也很难对所有学生进行指导；②实验设备损坏及老化现象将加剧。这样不但影响教学效果，同时也使实验经费紧张的问题更加突出，因此仅仅进行硬件实验有很大的局限性。另一方面，目前“自动控制原理”实验的内容侧重于理论验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律。这种方式将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。滞后的实验设备和呆板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制约了实

验教学的发展和人才培养质量的提高。

基于以上分析，本文结合labview和matlab两种软件开发平台，设计开发了一套《自动控制原理》虚拟实验系统。它有效缓解了实验教学中实验设备不足和滞后等问题；同时在实验操作中也允许出现误操作，而维护保障的费用几乎为零，因此便于开展设备易损性、综合性、设计性实验。

1 虚拟实验系统的设计

实验系统主要针对经典控制理论的相关实验展开系统设计，附加少量现代控制理论实验，以满足不同学生的学习需求。其研究对象主要是线性定常的单输入、单输出系统，采用传递函数为系统数学模型，根据时域分析法和频率响应法分析和设计系统。系统开发了4个模块，可操作相关自动控制理论的大量实验，力求使用方便，操作简单，其主要组成部分包括：时域分析模块、频域分析模块、串联校正模块及状态空间分析模块。

系统通过主显示面板组织各个功能子模块，采用模块化设计的软件开发思想，当选定一个功能模块后，子面板上将显示相应的功能模块面板。

在各个实验子系统中，其输入参数可以做到连续滑动调节，同时各种性能指标、响应曲线实时随动变化，这种处理方法很大程度上降低了学生设计控制系统的难度，提高了设计效率。同时该系统不仅能方便的进行软件模拟实验，如果条件允许的情况下也可以与硬件电路相结合，进行硬件实验。

2 虚拟实验系统的实现

本文结合labview和matlab两种软件平台开发设计“自动控制原理”课程虚拟实验，系统的初始界面如图1所示。

在“自动控制原理”课程中，串联校正是自动控制系统分析教学中的重点和难点。下面，以实验系统中串联校正子系统为例，具体介绍实验平台的实验过程。

在设计串联校正实验子系统的过程中，根据实验需要，在前面板中添加了数据输入控件和输出控件、程序控制按钮、实验结果显示控件、实验内容介绍菜单以及实验帮助菜单，增强实验过程中的人机互动性。学生可以通过改变模型参数得到不同的响应曲线和静态性能指标，如超调量、过渡时间、调节时间等，从而更好地掌握串联校正的相关知识。

在串联校正子系统中，系统参数的动态调整时，可以通过示波器动态的观察系统响应情况及系统性能指标值，进而确定出合理的系统参数，响应过程如图2所示。

串联校正子系统的后台设计框图如图3所示。这种设计的特点是在参数的调节过程中，性能指标和结果曲线都是实时显示、动态更新，相对于传统的硬件实验平台，其使用更加方便，实验效率更高。

3 结束语

本文开发的虚拟实验系统主要应用于“自动控制原理”的实验教学。此虚拟实验系统操作简单，图形显示稳定、清晰，可显示以

往示波器无法显示的伯德图、奈奎斯特图等曲线，学生可以在此平台上进行新实验的开发，一方面，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，提高学生的学习效果和实验兴趣，培养学生的创新意识等都有极大的促进作用；另一方面，将来对虚拟实验系统进行适当改进，其既可以成为用于课堂教学的模拟实验软件，也可以结合硬件设备成为综合实验系统，这样可显著提高教学和实验效果，同时也降低了投入资金。

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[责任编辑：汤静]