自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用.pdf

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1、中国科技论文%%%实%验%技%术%与%管%理%%61AB!"%C1B<%!"":%=!统计源期刊自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用王%瑛，蔡%勋，王%晶（南京航空航天大学自动化学院，南京%!$""$’）摘%要：本文对自动控制原理虚拟实验平台的设计、研制与应用进行了总结分析。结合自动控制原理实验设备的特点和使用功能，从硬件和软件两个方面介绍了一种较高性能价格比的虚拟实验平台设计思路，强调了虚拟实验平台在创新实验教学理念下的作用。关键词：自动控制原理；实验设备；虚拟实验平台；*+,-./01234567中图分类号：89:&$)&%

2、文献标识码：;%文章编号：$""!#<&=’（!"":）"<#""=!#"=!"引言随着计算机技术和测试技术的发展，以计算机为核心的测试方式正在冲击着传统测试设备，进而影响着现代实验教学的发展方向，以虚拟仪器为基础的虚拟实验平台应运而生。与虚拟实验平台相比，传统实验教学存在如下不足：!如果增加实验项目或实验规模，必然增加大量的实验设备，这需要大量的费用开支；"仪器设备如果操作不当，容易损坏，设备维护费高；#大多数仪器普遍存在着操作界面复杂、使用不方便的缺点。而采用虚拟实验平台后，学生通过操作栩栩如生的软件界面，就可以完成实验项目

3、。由于虚拟实验平台的强大生命力，目前正在我国形成研究、开发的热点。#"物理实验设备自动控制原理以反馈控制为基础，描述系统的时域特性、频域特性，是一门理论性、应用性都很强的专业基础课程。通过实验课程加深对基本控制原理的理解，并通过典型实验获得解决实际工程问题的能力，是自动控制原理实验课程的基本目标，不仅如此，实验课程还是激发创新能力、培养和训练动手能力的不可缺少的教学环节。通过对实验仪器设备的分类整理，实验课程通常需要如下<种常用仪器：!通用示波器、"信号发生器、#记录仪、$模拟计算机。（$）通用示波器%用于捕捉!>（"#）和!>

4、（"$）的波形，前者反映参数随时间变化的函数关系，后者反映两个参数之间的函数关系，自动控制原理中相平面就属于描述!>"（$）的关系。（!）信号发生器%控制系统需要若干种参考输入，不同的参考输入可激发系统的不同行为特性，这些不同特点的参考输入是研究控制系统的基本手段。信号发生器可产生常用的信号源：正弦信号、三角波、方波、脉冲信号等。（:）记录仪%通常采用两种记录仪：描笔式记录仪、?—@记录仪。描笔式记录仪用收稿日期：!""!#$"#"!作者简介：万方数据王%瑛（$&’(—），女，大学本科，工程师，实验中心副主任)自动控制原理虚拟实

5、验平台的设计与应用J’于记录!!（"#），即记录变量随时间变化的历程；"—#记录仪用于记录!!（"$），即记录两个变量之间的关系，通常应用于系统的相平面法的研究。（$）模拟计算机%模拟计算机提供了自动控制系统的若干基本环节，如积分环节、比例环节、加法器、微分环节、惯性环节、典型二阶环节等，利用这些基本环节，可以综合设计成多种复杂环节。模拟计算机特别适合开发性实验，是上述实验仪器中最富于变化的一类，最能激发学生的创新意识。!"虚拟实验平台的总体设计（&）设计策略%在实验过程中，若用物理实验设备作为测试手段，则至少需要上述实验仪器中

6、的’种同时工作，当实验人数较多时，需要占据大量的实验仪器，显得很不经济，为此虚拟实验平台应克服这种状况，尽可能在虚拟实验平台上实现上述每个实验仪器的功能，同时还要有综合的数据分析功能，使实验过程的效率大大提高，实验数据的处理更加直观，教学重点更加突出。（(）功能设计%一方面实现通用示波器、信号发生器、记录仪、模拟计算机等仪器的基本功能，更重要的是为验证性实验提供实用方便的分析工具，如频率特性、时域特性；也为设计性实验提供典型环节（比例、积分、惯性、加法器等），使学生能在虚拟实验平台上形成自己的控制算法。综合起来，虚拟实验平台的功

7、能定义如下。’%信号发生器、通用示波器和记录仪功能。在虚拟实验平台上，可将通用示波器和记录仪功能结合起来，不仅可预览波形，还可随意记录，不受记录仪需要特殊记录纸的限制。更不要区分描笔式记录仪和"—#记录仪的差异，虚拟实验平台很容易生成并记录!!（"#）和!!（"$）的波形。’%模拟计算机功能。模拟计算机提供的设计环境，也能在虚拟实验平台上得以实现。以比例、积分、惯性、加法器为基本环节，还提供通用超前网络、通用滞后网络、通用超前—滞后网络，设计者只需设计这些网络的参数。在虚拟实验平台上进行设计性实验的开发，界面友好、效率更高。’%

8、频率特性测试功能。对被测系统输入不同频率的正弦信号，实时采集被测系统的输出（幅值和相位），输出幅值和输入幅值之比就是频率特性的幅频曲线，输出相位与输入相位之差就是频率特性的相位曲线。（’）硬件设计%虚拟实验平台硬件采用通用的)*数据采集卡（+,-总线或)*+总线