基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统

第29卷 第1期2007年2月

电气电子教学学报

JO U RN A L O F EEE

Vol.29 No.1

Feb.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)

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M atlab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;M atlab

中图分类号:T P13;G642 文献标识码:B 文章编号:1008-0686(2007)01-0085-03 Automatic Control Theory Virtual Experiment System Based on LabVIEW

ZHAO Jian feng,WU Ji ping

(E lec tr ic al E ngineer ing Institute of S outheast Univ e rsity,Nanj ing210096,China)

Abstract:On the basis o f problems encounter ed in actual ex periment teaching of Auto matic Contr ol T heory in univer sities and need o f ex periment teaching revolutio n,a new kind of autom atic contro l theory v irtual ex periment system based on LabV IEW is adv anced.Stro ng point and w eakness of com mon virtual experi m ent systems at present ar e analyzed and a virtual exper im ent system including co mmo n ex periments in Autom atic Contr ol Theory is completed successfully using LabVIEW equivalently.In additio n,pro posal fo r hardw are experiment ex pansion is put forw ard.At last,Matlab prog ramming is used for compar ison and accuracy certification.

Keywords:virtual instrument;LabV IEW;automatic control ex perim ent;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M atlab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M atlab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M atlab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

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。

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]。

1 基于LabVIEW的虚拟实验系统的

设计

1 1 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

1 2 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:

(s)=C(s)

R(s)=

2n

(s2+2 n s+ 2n)

(1)

其中: n为振荡频率,为阻尼比。

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。

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)=1-1

1-!2

e-! n t sin( n1-!2t+∀co s!) (0

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

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