《控制工程基础》虚拟实验教学软件的设计与开发

刘田正 李智

摘要：根据《控制工程基础》课程实验教学的需要，该文提出了建立基于Labview的虚拟实验教学软件。该软件包含了课程教学中的基础实验和综合实验，本软件的交互式接口和良好的界面特点可以出色地完成教学中的模拟实验，以便更好地帮助学生理解、消化、吸收学习内容，重点解决教学和实验过程中的一些难点问题。

关键词：《控制工程基础》;虚拟实验平台;教学;Labview

中图分类号：G482     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）14-0390-03

一、引言

《控制工程基础》课程是原理性强、理论性高的一门课程，本课程设计多个知识方面，需要抽象的理解，是一门具有一定难度的理论课程。对于该课程来说，知识理解是一方面，最重要的是实验动手能力。实践是领悟真理的前提，只有大量的实验积累才能对理论知识和原理内容有综合性的理解[1]。

随着我国经济与科技的不断进步与发展，软件与硬件的技术也在不断发展，仪器的虚拟化与软件化已经成为未来科学研究的发展方向，当虚拟技术被用于实验教学时，就不需要购进大批昂贵的实验器材与设备，针对某一实验，仅需拥有一套虚拟软件再利用电脑进行教学就可获得令人满意的教学实验成果。此软件可以在课堂上进行模拟实验，提高学生的学习兴趣，并且可以显著提高教学效果和实验效果。

二、总体设计

本实验系统基于美国NI公司生产的Labview软件，此软件方便、灵活、易操作，学生使用方便，能够随时随地地进行软件模拟实验，该软件系统还可提供《自动控制原理》课程中的实验，用于学生仿真与学习，弥补传统教学实验的不足。与传统实验方法相比，此软件可以使实验教学环节变得更为生动、有趣，提高学生的学习质量[2]。

本实验教学系统不仅具有《控制工程基础》课程中的基础实验，包括时域分析、频域分析、稳定性分析、稳态误差分析和综合与校正，而且根据学生实验中遇到的困难和实验教学改革的需要增加了通俗易懂的综合实验，其中包括飞机俯仰姿态控制系统和天线跟踪控制系统，增强了学生对控制工程抽象概念的理解。实验采用模块化思想，各个模块可独立使用，且当需要时可作为一个整体使用。虚拟实验整体平台如图1所示。在系统前面板的菜单栏选择要进行的实验就可以方便地进入该实验。

三、虚拟实验教学软件的实现

以Labview为基础设计的虚拟实验系统实验界面简单，参数改变方便，包含了《控制工程基础》中常见的五个虚拟实验子系统以及两个示例系统。在整合化的欢迎界面中，只需在菜单栏点击不同的实验即可进入，图2为开始界面。

下面以《控制工程基础》课程中的控制系统的综合与校正为例具体说明实验系统的使用。本实验目的在于通过串联校正系统调节闭环系统稳定性。校正是《控制工程基础》中的重难点，实践中常常会遇到设计出来的系统不能同时满足各项性能指标要求的问题，这时必须釆取校正措施来改善系统的性能，以满足性能指标的要求，但在教学中教师要做详细的推导与描述，花大量的时间推导对比校正前与校正后的系统，然后再通过理论分析让学生掌握校正概念，这样的教学枯燥无味，学生难以理解[3]。我们使用了Labview及其控制与仿真工具包仿真了校正系统。在前面板中，设置校正函数G1（S）与受控对象G2（S）参数，并确定选项测量元件H（S）后可得到闭环系统波特图和阶跃响应。例如设系统校正前为不稳定状态，经超前校正后系统变为稳定状态，通过图3与图4所示，可清晰地对比出校正前后波特图与阶跃响应的区别，使学生更加直观地理解与学习校正的概念。图5为校正系统程序框图。

四、综合示例的实现

在教学过程中，学生只通过课本上晦涩难懂的表达式以及推导过程难以理解概念，也无法对《控制工程基础》课程有综合性的掌握。示例实验可使教学变得更加直观，并且可以化抽象为具体，使控制工程基础的教学内容具体清晰，通俗易懂。以飞机俯仰姿态控制系统为例进行讲解，本示例通过建立如图6所示的飞机尾翼输入与俯仰姿态输出之间的传递函数，设计一个串联校正系统，通过调整补偿装置参数使系统满足条件，使其对阶跃输入的响应时间、超调量满足相应要求，如图7所示。因建模的传递函数只通过调整比例无法满足要求，所以必须加入校正系统，本示例从设置比例控制器开始到补偿装置设计再到调整超前补偿，引导学生一步步地学习如何加入校正、如何设置校正函数以及校正的作用，使学生对校正有了更加深层次的理解。

五、结语

本教学软件不仅含有《控制工程基础》课程中的基本实验，还具有综合示例系统，增强了学生对课程的深层次理解，让学生更好地理解控制的概念，提高了用控制系统解决实际问题的能力。将基于Labview的自动控制虚拟实验系统应用于《控制工程基础》教学中，充分发挥Labview编程语言的简易性与灵活性的特点，使《控制工程基础》课程中的分析方法和处理结果能够被学生直观地领会和理解，对提高学生的实验兴趣和实验效果以及调动学生的学习积极性都有非常好的作用与效果[4-6]。

參考文献：

[1]钟伟红，关宏伟，周翔.“自动控制原理”的LabVIEW辅助教学[D].北京：中国科技信息，2008.

[2]马志明.基于LabVIEW的虚拟自动控制实验系统开发[D].西安：西北大学，2013.

[3]燕涛，朱莉，翁智.“自动控制原理”实验教学改革探索与实践[D].上海：实验室研究与探索，2013.

[4]陈飞，陈惠侠.基于LabVIEW和Matlab的自动控制虚拟实验系统[D].成都：实验科学与技术，2009.

[5]赵剑锋，吴继平.基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统[D].南京：电气电子教学学报，2007.

[6]邵宏文.自动控制原理虚拟实验平台的设计开发[D].哈尔滨：科技创新与应用，2013.

Abstract：According to the need of experimental teaching in the course of "Control Engineering Foundation"，this paper puts forward the establishment of virtual experimental teaching software based on Labview.The software includes the basic experiment and comprehensive innovation experiment in the course of teaching.The interactive interface and good interface characteristics of the software can accomplish the simulation experiment in teaching excellently，so as to help students understand，digest and absorb the learning content better，and focus on solving some difficult problems in the course of teaching and experiment.

Key words："Control Engineering Foundation";virtual experiment platform;teaching;Labview