基于Labview和myDAQ的自动控制原理实验软件平台开发

韦青燕， 徐爱民

(江苏省航空动力系统重点实验室; 南京航空航天大学 能源与动力学院， 江苏 南京 210016)

0 引 言

我校系统控制与仿真实验室原有的自动控制原理实验平台是基于ACL-8112PG开发的，使用时必须嵌在台式计算机主机箱ISA插槽中，不便随身携带，且已使用多年，稳定性变差，无法保证实验的正常开设，严重影响了实验教学的顺利进行。由于NI公司的myDAQ采样速度高、稳定性好、使用便捷，实验室在学校实验室修购基金资助下购置了20套myDAQ[1]。同时利用已有的自动控制综合实验仪作为被控对象，搭建了自动控制原理实验硬件平台[2,3]。基于图形化编程的Labview开发工具，易于学习和使用，能缩短软件平台的开发周期[4,5]。因此，本文采用myDAQ+Labview的开发架构，开发了自动控制原理时域和频率特性测试软件平台，加快了新旧实验平台的更新，其接口开放性好，便于实验项目和功能模块的更新。

1 系统平台及主要功能模块

myDAQ数据采集卡体积小，通过USB与计算机连接，使用方便[1]。基于myDAQ的自动控制原理实验硬件平台,由主控计算机、myDAQ数据采集卡和自动控制综合实验仪组成，采用模拟输入输出通道AI和AO与自动控制综合实验仪中被控对象进行数据通信， AO采用单端输出，而AI可采用单端或差分输入。此平台工作过程为：首先,Labview上位机软件给出一个数字激励信号，通过myDAQ的D/A模块转换成模拟信号经AO端口输送给被控对象，同时,将被控对象的响应输出连接到AI端口，经A/D模块转换成数字量，上位机软件实时读取此数字量，从而实现了数据采集。上位机软件功能模块框图见图1，主要包括被控对象激励信号的给定、数据采集、数据曲线保存和查看、参数测量、多点频率特性绘制和数据曲线打印[6-8]。

2 软件功能模块实现[4-5,9-15]

采用事件结构和条件结构实现软件平台中不同功能模块的切换。

2.1 典型环节的时域特性测定实验软件设计

其主程序前面板如图2所示。

图2 时域特性主程序前面板

2.1.1激励信号给定模块

典型环节的时域特性测定实验中需要为其提供阶跃激励信号，本上位机软件采用Labview-2012进行开发，其信号产生模块不直接提供阶跃信号，必须自行设计。采用条件结构实现激励信号给定的前面板和程序框图如图2所示，包括阶跃信号、正弦波信号、三角波信号、方波信号及锯齿波信号5种信号类型，每一种信号采用一个子VI实现，同时将其封装为更高一级的子VI(见图3中激励信号输出模块所示)，方便主程序调用，简化程序结构。

在主程序前面板首先选定激励信号类型，设定偏置、频率、幅值、采样长度、采样率等参数项，选定myDAQ采集卡的信号输出通道，点击“启动”后即可在对应的输出通道上得到预定的激励信号。

2.1.2数据采集模块

图3 激励信号输出及数据采集模块

2.1.3数据曲线保存模块

为进行事后参数测量、数据打印和分析，必须将采集到的被控对象响应数据曲线保存，其程序实现框图如图4所示。点击主程序前面板的“数据保存”按钮，则弹出子程序对话框前面板并输入指定文件名确定后，经文件I/O模块将2.1.2节移位寄存器中的数据以.dat格式保存到指定的文件夹中。

2.1.4数据曲线查看模块

图4 数据保存模块

图5 数据查看前面板

2.1.5参数测量模块

打开图5中“输入输出波形”的Graph Pallette，设定黄色和蓝色2个测量坐标点，通过图6所示程序模块实现响应曲线的参数测量。2个测量坐标点在横坐标上的投影距离为时间量，通过光标测量模块中“DX坐标”显示，而在纵坐标上的投影距离为幅值量，通过“DY坐标”显示。由此可实现控制系统时域指标σ%、ts、td、tp以及单点频率特性测量中幅值比和相位差等参数的在线测量，便于验证实验过程是否正确以进行及时更正，克服了事后手动测量参数的缺点。

2.1.6数据打印模块

在图5 “已保存的数据文件”中选中要打印出图的文件，“添加 ”到右边的“要打印的数据文件”列表中，点击“打印曲线”按钮，就能通过图7功能模块的For循环实现多个时域特性曲线同时打印,以便进行后续的数据处理。选中“要打印的数据文件”列表中某个文件，点击“删除”按钮，就能取消此数据文件的打印。

图6 参数测量模块图

图7 时域特性曲线打印模块

2.2 控制系统的频率特性测定软件设计

其主程序前面板如图8所示。

图8 频域特性主程序前面板

2.2.1单点频率测量模块

在控制系统的频率特性测定实验中，默认激励信号为正弦信号，在图8中设定偏置、频率、幅值、采样长度、采样率以及 myDAQ采集卡的输入输出通道。将要编辑的信号频率的一个单点“添加”到“要编辑的信号频率列表”中，点击“单点测试”即可采样到与激励信号同频率的被控对象正弦响应曲线，并通过2.1.3实现数据自动保存。点击“单点查看”可显示类似图5的界面，通过2.1.5参数测量模块测得输出响应曲线的幅值和相位，经计算得到对应频率点的幅值比和相位差。重复上述过程，分别选取不同频率点的正弦激励信号，可以得到多个频率点对应的输出输入信号幅值比和相位差，从而可以手工绘制被控对象的幅频特性和相频特性曲线。由此，学生能很好地掌握频率特性曲线绘制机理。

2.2.2多点频率特性测量与曲线绘制模块

在多点频率特性测量中，在图8中将多个要编辑的信号频率点按从小到大顺序“添加”到“要编辑的信号频率列表”中，点击“多点测试”后，程序会自动按频率列表中各频率点顺序循环进行单点频率测量，同时测量计算出各频率点对应的输入输出信号幅值比和相位差并进行数据保存。点击“频率特性”按钮显示图9所示的界面，双击“已保存的数据文件”列表中的数据文件，即可显示被控对象的幅频和相频特性曲线，并将各频率点对应的幅值比和相位差通过列表显示，学生一目了然，方便与单点测量结果进行比较。点击“打印曲线”通过图10程序模块实现幅频和相频特性曲线及幅值比相位差数据的打印，方便学生通过频率特性曲线测量出被控对象的转折频率、谐振峰值、峰值频率和带宽频率等频域指标，并与理论值进行对比分析。

图9 多点频率特性曲线绘制

图10 多点频率特性数据和曲线打印模块

3 结 语

本文基于Labview和myDAQ构架设计了自动控制实验软件平台，涵盖了自动控制原理课程有关时域和频域特性的相关内容。此实验平台的开发周期短、集成度高、使用方便、可维护性好，便于新旧实验平台的更替，为其他课程实验的开发提供了有效参考。在后续的工作中，会将发动机控制元件和发动机控制系统等控制类课程实验集成于此平台中，以形成控制实验系统，使各实验相互关联，更便于学生对不同实验内容的理解和融会贯通，提高实验水平。

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