基于labview的自动控制理论实验系统的设计与研究

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1、第20卷现代教育技术Vol.202010年第8期ModernEducationalTechnologyNo.82010*基于LabVIEW的自动控制理论实验系统的设计与研究张慧妍王晨凯翁贻方李裕梅（北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048）【摘要】基于综合提升学生的自主实验能力，以实验资源文档、仿真实验、模拟型实物实验和远程实验的方式构建了基于LabVIEW的自动控制理论实验平台。通过资源学习、任务驱动与探索学习等模式要求，为学生的思维与动手能力的培养提供教学思路与参考。【关键词】自动控制理论；LabVIEW；实验系统【中图分类号】G420【文献标识码】B【论文编号】100

2、9—8097（2010）08—0139—04一引言高等教育的质量与国家现代化建设密切相关，其中良好的教学实验设计对于人才的培养有着直接的影响。《自动控制理论》课程作为电气、自动化专业的一门重要的专业基础课，是联系前期基础课和后续专业课的桥梁。如何借助于实验课的辅助教学，生动、形象地帮助学生理解基本概念、建立理论与实际相结合的观点、培养大学生的初步工程实践能力，符合高校培养具有创新实践能力的高素质人才的需要。LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司推出的一种使用基于图形化编程方式的虚拟仪器软件开发环境。具有直观易图1实验系统总体结构图学、编程效率高，与Internet方便链接等特点。

3、通过改变、增1仿真实验减系统的功能、可方便地扩充系统的复杂性，能为各层次学LabVIEW在数据采集、工业控制等应用领域提供了一个生提供广阔的实验与实践空间。为此，建立基于LabVIEW的功能强大、方便灵活的虚拟仪器的集成开发环境。降低了环自动控制理论实验平台，开展设计性、综合性较强的系统实境干扰和系统误差对测量结果的影响，改善了以往费时、费验设计，不仅有利于通过直观形象的实验图形与结果激发学力的实验过程，便于学生集中精力对结果进行分析。生的学习兴趣，而且对于全面提升学生动手构建物理系统和以非线性系统的描述函数法为例，图2为非线性系统框[1-2]软硬件调试的综合能力具有重要意义。图，其

4、中线性部分的频率特性函数为G(jω)，非线性部分的二实验系统设计算子以N(•)表示。如何求取非线性系统的描述函数并进行分析，由于其独特的复杂性与抽象性，一直是自动控制理论教近年来基于计算机技术的实验系统，作为一种工程、教学的难点，理论计算繁琐，实验研究费时。学辅助工具，在简化问题、节约成本、缩短调试周期等方面特点突出，有利于发展学生借助计算机解决问题的能力。传统实物模拟实验，由于外部条件变化对实验结果及信息的影[3]响不同，则对于学生发现问题、通过理论联系实际综合解决问题能力的培养具有不可替代的作用。目前，远程实验的开图2非线性系统框图展也逐步获得关注重视。基于以上分析，所设计的La

5、bVIEW为此，采用基于图形化的计算机仿真的方法通过对非线自动控制理论综合实验平台，其系统结构如图1所示，可以性、线性环节的类型、参数进行选择，而后设定分析的频率融合以上三种实验模式的优点，力图通过交替互补，以不同范围、初值、步长、循环次数等，可有效避免繁复的频率调的实验要求，通过设立资源学习、任务驱动与探索学习这三整、计数、描点等工作，迅速获取系统的幅相特性曲线。友类学习模式，全方位提升学生的实验理论与技能。好的仿真实验界面如图3所示。139实际系统中真实的物理信号，并输入到计算机中，而后利用LabVIEW编制相应的应用软件实现数据的监测、记录、显示及分析，可以简化实验数据获取及后

6、续数据处理等过程。[4]目前本实验平台针对实物模拟实验设立了演示实验和学生设计实验两部分。演示实验包括RC电路暂态电压变化实验、数据采集及滤波处理实验以及直流电机转速测控实验。通过演示实验的展示与讲解，以帮助学生逐步掌握NIELVIS实验平台的使用与开发流程、技巧，为后续进行独立实验设计与研究奠定基础。而后，结合基于LabVIEW编程后提供的内置函数发生器和示波器等检测分析仪表，配合ELVIS提供的实验面包板，要求学生独立在实验板上通过模拟运放电路的搭建，完成二阶系统时域响应、典型环节频率特性、系统图3非线性系统仿真实验前面板串联校正等实物模拟实验，并与理论分析值进行比较、分析。若图

7、2中线性环节的频率特性函数为此处设定为任务驱动型学习方式，课内保留4学时用于提问、测试、成绩评定。G(jω)=15[jω(j0.1ω+1)(j0.2ω+1)]（1）如图5所示，为求取典型积分环节频率特性而构建的模非线性算子N(•)为饱和环节，则其数学描述为拟实验电路。⎧⎪(M/s)e(t)e(t)≤sn(t)=⎨（2）⎪⎩Msgne(t)e(t)>s设定线性区宽度s=1，饱和特性信号限幅M=2后，输入到实验室开发的如图3所示的仿真实验系统界面，运行后，即可