基于LabView的控制工程虚拟实验平台设计

王萌

摘 要：《控制工程基础》在理工科高校中扮演着重要角色，然而由于其复杂的数学计算模型和较强的理论性，学生学习起来尤为困难。为了培养学生分析系统、设计系统的能力，课题设计了一套基于LabView软件的控制工程虚拟实验平台。该平台集成了控制理论中的典型模型，且将其巧妙集成为目录形式再生成可执行文件，允许用户在不安装LabView开发系统的情况下运行该VI。此平台操作灵活，易于扩展，具有一定的实验教学价值。

关键词：控制工程；LabView；系统仿真；实验教学

中图分类号：TP15 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.025

《控制工程基础》是高等理工科院校一门重要的专业基础课程，理论性强，数学计算和分析的要求比较高，需要学生掌握系统参数变化对系统性能的影响，从而达到分析系统、设计系统的目的。

为了培养学生这方面的能力，除了理论教学外，实验教学也是其中不可缺少的环节。在硬件实验台上，同学们可以实际搭建电路，一方面，锻炼自己的动手能力，另一方面，通过搭建电路能加深对实验原理的理解。由于实验设备本身老化或其他问题，会让实验结果存在很大误差，所以，有必要开发虚拟实验台实现计算机模拟演示，以此作为对硬件实验的补充。本课题设计了一套基于LabView软件的控制工程虚拟实验平台，该平台集成了控制理论中的典型模型，可以连续任意地改变参数观测实验现象，更有利于学生对知识点的理解，且将其巧妙地集成为目录形式再生成可执行文件，允许用户在不安装LabView开发系统的情况下运行该VI。

1 系统方案介绍

利用LabView软件专业版的控制系统与仿真工具包中的部分模块开发控制工程各个实验模块，并形成目录。其涵盖了《控制工程基础》课程的内容包括典型环节，一、二阶系统，高阶系统数学模型的建立，时域分析，频域稳定性研究，系统的校正，非线性系统和线性离散系统的分析以及典型特例仿真。根据内容的不同，建立独立的子VI程序，利用传递函数显示出来的特性曲线可以在很大程度上减小误差。另外，改变传递函数的参数，可以动态观测系统特性曲线的变化。

为了完善系统的管理和应用，本设计还利用树形控件将所含内容集合为树形目录置于主程序之中，并在主程序中建立大小合适和位置合适的子板面。在后面板，利用事件结构的属性节点，通过目录标识符从逻辑上将子VI与主程序链接起来。这样使用起来更加方便，界面更加友好。

利用NI提供的项目管理工具生成可执行文件和程序安装包，允许用户在不安装LabView开发系统的情况下运行该VI。这样做，在很大程度上方便用户直接使用。该系统结构如图1所示。

2 虚拟实验平台创建过程

2.1 前面板设计

在LabView下创建文件并命名为“控制工程虚拟实验室”， 在其前面板中添加“树形”控件，命名为模块选择，并在树形控件中编辑各子VI名称，包括典型环节，一、二阶系统，高阶系统数学模型的建立，时域分析，频域稳定性研究，系统的校正，非线性系统和线性离散系统的分析等。根据逻辑关系，确定子VI的目录等级，最终形成树形目录，之后在主程序中添加“子面板”控件来确定、显示子VI的打开位置。主程序前面板如图2所示。

2.2 后面板设计

在主程序后面板上利用“平铺式顺序结构”确定事件执行的顺序，在第一帧中建立“while循环”控件，以控制整个程序的运行，并添加“事件结构”。利用其属性节点调用和打开不同的子VI，在“事件结构”中选择添加事件分支选项，添加2个分支。

2.3 子VI连接

分支0处理的事件为利用事件结构的属性节点，通过目录标识符从逻辑上与子VI连接起来，将标识符所代表的字符串与“.VI”用连接字符串控件连接起来，比如“二阶系统时域响应分析.VI”。同时，用拆分路径控件和创建路径控件将当前VI路径（如"E：＼labView＼控制工程虚拟实验室.VI"）与所选子VI连接起来，将路径改为"E：＼labView＼二阶系统时域响应分析.VI"，然后用“打开VI引用”控件并调用属性节点来打开当前路径所指的子VI文件，即完成一次子VI的打开。

2.4 主程序的退出

在分支1处理中添加停止按钮来退出当前子VI循环，但不能直接关闭主程序。为了解决这一问题，在“平铺式顺序结构”的第二帧中，用拆分路径控件和创建路径控件将当前路径更改为主程序所在路径，即"E：＼labVIew＼控制工程虚拟实验室.VI"，然后用“打开VI引用”控件并调用属性节点来关闭当前路径所指的VI文件，即退出主程序。其后面板如图3所示。

3 子系统介绍

控制工程虚拟实验平台的子系统包括典型环节，一、二阶系统，高阶系统数学模型的建立，时域分析，频域稳定性研究，系统的校正，非线性系统和线性离散系统的分析以及典型特例仿真。这里，我们选择二阶系统和系统校正加以介绍。

3.1 二阶系统

图4为二阶时域系统分析的前面板，它是利用LabView控制工具包模块仿真得到的一个典型的二阶系统单位阶跃响应曲线。从图中可以看到，二阶系统传递函数为，增益为1，阻尼比为0.5，固有频率为50 Hz。该系统存在一定的超调量，但是，系统会很快趋于稳定。左下方是阻尼比和固有频率滑动杆，通过移动滑动杆来改变系统参数，在右上方观察图形改变。调整改变阻尼滑动杆，系统时间、超调量都会发生改变；而改变固有频率，超调量不会发生变化。中间上半部分的显示控件显示，改变阻尼比和固有频率时，系统性能参数的具体数值与图形显示曲线变化规律一致。

对于频域特性的仿真，按照路径在“控制设计与仿真”＼＼“Control Design”＼＼“Frequency Response”子选项板中选择“CD Nyquist.VI”和“CD Bode.VI”模块，并与“CD Convert to Transfer Function Model.VI”模块连接，再增添相应的输入控件、显示控件、图形控件即可。图5为二阶系统的频域分析图，当更改系统增益和时间常数时，可快捷、方便地看到曲线发生相应的变化，分析其频率特性，判断其稳定性。

3.2 系统校正

系统的性能指标是根据它所要完成的具体任务规定的，而在一般情况下，几个性能指标的要求往往是相互矛盾的。例如，减小系统的稳态误差往往会降低系统的相对稳定性，甚至导致系统不稳定。此时，要满足主要性能指标，再通过校正环节达到所期望的性能指标。 该平台中建立了常用的3种系统校正方式，即串联校正、PID校正、反馈校正。PID系统校正如图6所示。从图6中可以看出，校正前，系统稳定在50 s左右，而加入PID校正后，虽然存在一定的超调量，但在20 s左右，系统就已经进入平稳状态。

4 结束语

本设计利用LabView软件完成了控制工程虚拟实验平台的设计，基于系统模型的建立加深对理论知识的学习和理解，以弥补当前实验硬件条件的不足，从而实现理论与实践相结合的教学目标。

参考文献

[1]孙军，刘海哲，欧道江.基于LabVIEW的控制系统设计与仿真[J].机电产品开发与创新，2011，24（5）.

[2]王麗.基于LabVIEW技术的控制工程实验系统设计[J].中国测试，2012，38（5）.

[3]张晓旭，马萍，刘泽军，等.LabVIEW&MATLAB混合编程在控制工程基础实验中的应用[J].黑龙江科技信息，2014（19）.

[4]杨叔子.机械工程控制基础[M].第六版.武汉：华中科技大学出版社，2011.