基于虚拟仪器的《机械控制工程》实验平台开发

刘远韬,程军红,赵锦芝,赵则祥,门 钢

(中原工学院,郑州 450007)

基于虚拟仪器的《机械控制工程》实验平台开发

刘远韬,程军红,赵锦芝,赵则祥,门 钢

(中原工学院,郑州 450007)

利用LabV IEW进行了教学实验平台的开发,设计了基于LabV IEW的《机械控制工程》课程实验平台,对该实验平台各个模块进行了分析设计,描述了《机械控制工程》课程主要部分的设计过程.该平台已运用于教学实践,效果良好.关键词: LabV IEW;机械控制工程;教学实验平台

近年来,随着科学技术的飞速发展,在大学课程的教学过程中,计算机辅助教学得到了广泛应用.但是,对于一些专业性较强的理工学科来说,普通的计算机辅助教学技术已经很难达到让学生既可以深入学习专业理论技术,又可以紧密结合工程实践知识的目的.以《机械控制工程》为例,该课程内容难,知识点多,仅仅通过老师的课程讲授,学生很难将理论与实际相结合;而且,课程学习需要运用一定的数学知识,部分同学的数学基础较差,对一些数学推导计算无法掌握,这让他们在课程学习中望而却步.

为此,本文提出了一种基于LabV IEW的《机械控制工程》课程的教学课件制作方法,利用LabV IEW强大的分析功能和友好的用户界面[1-3],不但可以节省大量仪器设备的经费投入,也有助于学生从繁琐的运算中解放出来,用更多的时间去明确概念;与Lab-V IEW配套的硬件资源使获取实际对象的实时数据变得非常轻松,把课堂变成测试现场,能得到真实的分析与展示,活跃课堂教学.

目前,《机械控制工程》这门课程课后实验主要应用Matlab进行分析,本文将LabV IEW引入《机械控制工程》课程的教学和实验.

1 基于LabV IEW开发教学课件的研究

由于LabV IEW软件与众不同的特点,在基于LabV IEW进行教学实验研究时,必须对LabV IEW的2个面板(即前面板与程序面板)同时进行开发.

前面板是对实验平台的演示界面进行搭建,程序面板主要是对实验平台的各个程序进行设计,如子程序模块的建立与调用、调用方法节点、目录路径操作、LabV IEW数据库的搭建及调用以及各种典型实验的设计等.而且程序框图中还可以对信号数据的输入和输出进行制订,完成对虚拟仪器所具有的信号的采集、分析处理功能的操纵与控制.

鉴于LabV IEW开发环境的独特性,课件的实现很自然地分为了两条线,一条是课程内容的承载及演示,另一条则是演示过程的切换和控制.

这两条线分别对应于LabV IEW开发环境的前面板和后面板.课件的构成分为两大部分:一部分以课件页面的组织结构及逻辑关系为核心;另一部分则以实现页面的控制、切换和必要的仪器功能为核心.两部分之间应是一种映射的关系,并通过LabV IEW的内部机制进行关联[4-5].

课件的结构通过层来组织,可以将课件的结构分为3层,每一层的实现及控制分别对应于前面板和程序框图.各层之间从上到下为依赖关系,第1层为主界面层,由主程序模块控制实现,如图1所示;第2层为各章节子界面层,由章节子程序模块控制实现;第3层为页面层,由翻页程序模块控制实现.层内则是并列关系,可以通过增加层内的模块来扩充课件的内容.课件的程序设计采用了模块化结构,分为主程序模块、各个章节子程序模块和翻页控制子程序模块等.主程序模块以课件主界面的形式来体现,并控制各个章节子程序模块的动态加载及运行.

图1 课件主页面

基于LabV IEW的多媒体课件,除了具有传统课件所应有的演示页面、翻页控件及其他一些控制和显示控件等构成要素外,还具备其所独有的虚拟仪器单元,这是其最重要、最突出的特征.

课件框架主面板由4部分组成.最上一行为标题栏,显示课程名称以及各个章节名称;标题栏下方就是课件的主要内容,右面上方为当前时间,可有助于教师实时掌握时间,以便调节教学进度.其下方是章节导航区,展示章节目录以及每章节各小节目录,可以鼠标点选进行迅速切换,也可按“上页”、“下页”按钮选择页面.

2 实验设计

在《机械控制工程》中,学习者必须学习和掌握大量的数学知识,如控制系统的微分方程、非线性数学模型的线性化等,并且学生还要进行一系列的数学推导计算,如拉氏变换与反变换、传统函数的运算、控制系统的时域分析、控制系统的频域特性分析以及控制系统的稳定性分析等[6-8].

以二阶传递系统为例,在系统传递过程中,必须要考虑到外界干扰因素以及系统自身干扰因素对系统传递函数的影响.

首先,要考虑当输入为单位阶跃信号,外界干扰因素为零,系统自身内部稳定时,系统闭环传递函数的特性分析;其次,要考虑当输入为单位阶跃信号,并有外界干扰因素,以及系统自身内部不稳定时,系统闭环传递函数的特性分析(如图2、图3所示).

经分析可知,当输入为单位阶跃信号,并有外界干扰因素,以及系统自身内部不稳定时,系统闭环传递函数并不稳定,并且传递函数的误差较大.因此,为减少干扰对系统的影响,需要进行调节,经过调整放大器增益,使闭环传递获得更好的性能系统.

自动控制系统的稳定性分析是其理论研究的主要课题之一.控制系统稳定的首要条件是其传递系统必须稳定,一个不稳定的系统是不能工作的.经典控制理论为我们提供了多种判别系统稳定性的方法,也被称为系统的稳定性判据.控制系统的稳定性是指去掉作用于控制系统上的外界干扰后,系统输出y(t)能足够精确地恢复到原来的平衡位置[9-10].

为此,在基于LabV IEW的教学实验平台开发实验中,我们对传递系统的稳定性分析进行开发,如图4所示.

在上述实验中,首先,我们对传递函数进行变换,并求出这个传递函数的所有极点,根据这些极点的状态来判定传递函数是否稳定;如果稳定,可进行传递函数不同信号的分析与演示.

图4 传递函数稳定性分析

3 结 语

本文主要针对目前许多大学理工类课程的教学过程中,大多学生对抽象的专业概念性知识难以理解,并被困扰在复杂的公式运算之中的情况,进行了基于LabV IEW的教学实验平台的开发.基于LabV IEW的教学实验平台开发使虚拟仪器技术融人于课堂教学,发挥了虚拟仪器在教学过程中的作用,增强了课件的交互功能,对教学改革具有一定的实际意义.

[1]王磊.LabV IEW 7.1测试技术与仪器应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]杨乐平,李海涛,杨磊.LabV IEW程序设计与应用(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]雷振山.LabV IEW 7 Exp ress实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[4]王恒升,邢义忠.基于LabV IEW的理工科类教学课件设计[D].长沙:中南大学,2006.

[5]孙宁,黄惟公.基于LabV IEW与单片机的教学实验系统[J].中国仪器仪表,2005(12):104-107.

[6]左健民.机电控制工程[M].北京:清华大学出版社,2000.

[7]王积伟,吴振顺.控制工程基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[8]周昌民,陆世宏,周江扬.自动控制理论实验教程[M].上海:上海大学出版社,2004.

[9]高蒿.自动控制理论实验与计算机仿真[M].长沙:国防科技大学出社,2004.

[10]李伟.LabV IEW在电子测量与仪器多媒体教学中的应用[J].电气电子教学学报,2003,20(1):93-96.

Development of Experiment Test Platform for《Mechanical Control Engineering》Course Based on Virtual Instrument Technology

L IU Yuan-tao,CHENG Jun-hong,ZHAO Jin-zhi,ZHAO Ze-xiang,M EN Gang(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Abstrat:Labview is used in this article to develop teaching and experiment test p latform of《Mechanical Control Engineering》course.M any experiment modules are designed to describe《Mechanical Control Engineering》course in various parts of the design p rocess.Computer technology and LabV IEW are introduced into all aspects of《Mechanical Control Engineering》course.

LabV IEW;mechanical control engineering;teaching and experiment test p latform

TP274.4

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.04.016

1671-6906(2011)04-0072-03

2011-06-27

刘远韬(1969-),男,辽宁绥中人,讲师,硕士.