自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用

杨绘弘

摘 要：采用虚拟实验平台对于提高实验效率和准确性有着积极的意义，目前在我国正成为研究、设计、开发的热点。文章对自动控制原理虚拟实验平台的设计、研制、应用进行了分析，结合其特点和功能，提出了虚拟实验平台的一些设计思路。

关键词：自动控制原理；虚拟实验平台；设计；应用

一、虚拟实验平台的设计

1.设计策略

在实验中，如果用物理实验设备作为检测方法，那么需要实验仪器（通常包括通用示波器、信号发生器、记录仪、模拟计算机）中的三种同时工作，如果实验的人数很多，那么就会用到大量的实验仪器，非常不划算，因此虚拟实验平台必须解决这一问题，在虚拟实验平台上实现每个实验仪器的使用，提高实验效率和实验的科学性。

2.功能设计

虚拟实验开始既要发挥通用示波器、信号发生器、记录仪和模拟计算机等实验仪器的作用，又要为验证性试验提供有效的分析工具，如频率特性、时域特性等，还要为设计性实验提供典型环节，如积分环节、比例环节、慣性环节等。

3.硬件设计

虚拟实验平台的硬件采用通用PC数据采集卡，主要的技术指标为：16路模拟输入，采样速率100kHz，输入电压+10V，2路模拟输出，输出速率为100kHz，输出电压+10V。

4. 软件设计

采用美国NI公司的虚拟仪器编程语言来进行自动控制原理虚拟实验平台的软件设计和研发，该编程语言以ANSIC为核心，将C语言与用于信息收集、分析和表达的专业工具巧妙地结合，其集成化开发平台、交互式编程方法大大提高了C语言的能力，对虚拟实验平台的软件设计有巨大的帮助。

二、主要功能和技术指标

1.PC数据采集卡的输入/输出接口设计

PC数据采集卡底层I/O操作的效率对虚拟实验平台的性能影响重大，也是虚拟实验平台的关键。因此必须选用高性能PC数据采集卡，同时运用基于DMA的高速数据采集技术，完成大吞吐量的模拟输入信号采集。

2. 数据显示、存储和打印的设计

数据显示是实验教学过程中的常用功能，实时曲线能够提供及时的数据变化情况，要对数据进行更加详细的分析，必须加强数据存储的功能，存储方式、存储速率对提高数据存储的功能有着重要意义，而实验结果和数据打印的特点在于能将许多曲线绘制在一张图上，能将许多张图绘制在一张纸上并进行标注和诠释。

3. 频率特性测试的设计

通过信号发生器产生不同的信号，输入到被检测的系统中，再测量被检测系统的输出，计算获得幅频特性，同理可得相频特性。

4. 通用超前—滞后环节的实现

可分为模拟式实现和数字式实现。其中，模拟式实现是运用连续系统仿真技术，在短时间间隔内实现上述环节的实时计算，这种环节性能甚至比模拟计算机更加稳定。

三、应用实例

1. 测量二阶系统的时域响应测试

由虚拟实验平台的信号发生器产生周期为1600x10ms、幅值为2000mv的方波信号，通过测试得到系统的阶跃响应，减小系统的开环增益，通过虚拟实验平台的浏览波形功能，将开环增益变化前后的系统阶跃响应波形重叠显示，通过对比分析，掌握比例控制对系统性能造成的影响。

2. 线性系统性能分析和串联校正

已知单位反馈系统不可变部分的开环传递函数，要求系统校正后满足相关指标：静态速度误差系数为30，截止频率为7rad/s，相角裕度不小于45°，设计一个串联校正装置。为了满足这些要求，取开环增益为30，带入原系统求得截止频率为9.75rad/s，相角裕度为-17.2°，系统不稳定，需减小截止频率，可通过串联滞后网络的方式使截止频率和相角裕度满足要求。

自动控制原理虚拟实验平台自从问世以来，已经在许多领域发挥了重要作用，在实践应用中，虚拟实验平台的功能得到不断的完善，随着技术的发展和进步，自动控制原理虚拟实验平台将会在更多领域发挥更重要的作用，推动社会的发展。

参考文献：

[1]王 瑛，蔡 勋，王 晶.自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用[J].实验技术与管理，2003（4）：52-56.

[2]邵宏文.自动控制原理虚拟实验平台的设计开发[J].科技创新与应用，2013（34）：20-21.endprint