李智 李青萌

摘要：? 針對(duì)傳統(tǒng)的“自動(dòng)控制理論”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在硬件設(shè)備老化、實(shí)驗(yàn)手段滯后等問題，為進(jìn)一步改進(jìn)大學(xué)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)效果，本文采用LabVIEW軟件，開發(fā)了能夠讀取Multisim設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)電路圖、顯示電路的時(shí)間響應(yīng)仿真波形，并對(duì)系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)提取的一個(gè)交互分析系統(tǒng)。同時(shí)，以串聯(lián)超前校正實(shí)驗(yàn)為例，說明了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的便捷性、實(shí)用性。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以方便、直觀地模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，有助于鞏固和完善自動(dòng)控制理論教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率、改善實(shí)驗(yàn)效果、降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。該設(shè)計(jì)有利于更好地培養(yǎng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：? 虛擬實(shí)驗(yàn); 自動(dòng)控制; LabVIEW; Multisim; 實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件; 時(shí)域性能

中圖分類號(hào)： TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作者簡介： ?李智（1965-），男，副教授，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器、虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)與研究工作。 Email： lizhiqd65@qq.com

目前，高校里自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)普遍使用的是一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，如自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱、示波器以及傳統(tǒng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等。盡管這些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有一定的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)中還是存在諸如測(cè)量誤差大、數(shù)據(jù)結(jié)果不精準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)效率不高和穩(wěn)定性差等問題[1]。近年來，隨著高校本科招生人數(shù)的增多，無法滿足學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和資源的巨大需求，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、更新速度慢、維護(hù)升級(jí)費(fèi)用越來越高。隨著科技的發(fā)展，越來越多的老舊設(shè)備被淘汰，原有的硬件設(shè)備除了老化損壞等問題外，也不能達(dá)到新時(shí)代新教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。為進(jìn)一步提高現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平、培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型現(xiàn)代科技人才，需要有意識(shí)地采用新的教學(xué)方法和新的教學(xué)思路[210]。因此，本文利用LabVIEW和Multisim軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制原理的一些實(shí)驗(yàn)，操作者可以在一臺(tái)電腦上直接進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，將抽象的理論知識(shí)和復(fù)雜的分析結(jié)果圖像化、具體化，操作者只需用電腦進(jìn)行簡單的實(shí)驗(yàn)電路圖搭建和繪制，并通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就可輕松查看和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，易于使用和操作。該設(shè)計(jì)既可減輕高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的壓力，也能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐興趣，同時(shí)對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、綜合素養(yǎng)以及學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力均有所提高。虛擬實(shí)驗(yàn)可以作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充和擴(kuò)展，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在知識(shí)時(shí)間的維度和知識(shí)空間的維度上都得到提升和延伸[11]。該設(shè)計(jì)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面

本文基于LabVIEW、Multisim及LabVIEW與Multisim的API工具包，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上可以進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。打開用Multisim設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路原理圖，調(diào)整階躍輸入信號(hào)的參數(shù)，動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形，并能對(duì)系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)提取，消除了人工觀測(cè)讀數(shù)帶來的誤差和不便，減輕了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的計(jì)算量、復(fù)雜度及操作難度，提高了實(shí)驗(yàn)效率。本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能改善教師單一的課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生和教師可以在課堂、學(xué)校宿舍、圖書館等任何地點(diǎn)都能進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面如圖1所示。包括輸入信號(hào)設(shè)置、時(shí)間響應(yīng)仿真波形及時(shí)域性能指標(biāo)、電路原理圖3個(gè)區(qū)域。在輸入信號(hào)區(qū)域，可以設(shè)置階躍信號(hào)初始值、階躍值、階躍時(shí)間（min）、采樣率（點(diǎn)/min）、仿真測(cè)試時(shí)長（mim）、測(cè)試寬度和穩(wěn)態(tài)值測(cè)試精度。時(shí)間響應(yīng)分析區(qū)域包括時(shí)間響應(yīng)仿真波形及時(shí)間響應(yīng)的峰值、穩(wěn)態(tài)值、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、峰值時(shí)間和上升時(shí)間等時(shí)域性能指標(biāo)。首先打開采用Multisim設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)電路原理圖，設(shè)置好階躍輸入信號(hào)的參數(shù)，按開始按鈕，系統(tǒng)會(huì)顯示電路的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真波形及時(shí)域性能指標(biāo)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立LabVIEW與Multisim間的通訊是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。LabVIEW與Multisim連接工具包是基于一組專門面向Multisim軟件后臺(tái)自動(dòng)化仿真api的軟件封裝應(yīng)用程序。Multisim自動(dòng)化的api封裝程序支持軟件的后臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化仿真和軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)采集，基于自動(dòng)化com的接口可以實(shí)現(xiàn)此功能，利用其接口進(jìn)行軟件后臺(tái)仿真時(shí)，無須手動(dòng)打開接口訪問Multisim，利用仿真引擎LabVIEW可以通過自動(dòng)化com的接口自動(dòng)訪問軟件后臺(tái)Multisim，并可利用該軟件后臺(tái)仿真引擎自動(dòng)采集軟件后臺(tái)仿真數(shù)據(jù)，并對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。

通過集成工具可動(dòng)態(tài)分析和評(píng)估仿真電路的性能。該工具包內(nèi)，封裝各種函數(shù)，如打開、關(guān)閉和查看電路的函數(shù)，以及開始運(yùn)行、暫停和停止仿真函數(shù)，若需要在LabVIEW中調(diào)用這些函數(shù)，不用再去訪問Active-X控件[12]。本系統(tǒng)在LabVIEW中讀取Multisim信號(hào)，LabVIEW讀取Multisim信號(hào)程序框圖如圖2所示，顯示波形程序框圖如圖3所示。

計(jì)算時(shí)域性能指標(biāo)程序框圖[1314]如圖4所示。最新版的Multisim提供了LabVIEW和Multisim之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流的新工程設(shè)計(jì)方式——聯(lián)合模擬仿真。通過聯(lián)合仿真既能在LabVIEW中實(shí)時(shí)更改階躍電壓的數(shù)值等在以前的Multisim中不方便修改的參數(shù)，還可以直觀的看到實(shí)時(shí)仿真波形圖，并可以對(duì)波形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真程序框圖如圖5所示。

3實(shí)驗(yàn)案例

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)需要使用多種儀器設(shè)備，具有一定的局限性。通常通過示波器的波形提取各個(gè)參數(shù)，計(jì)算時(shí)域的各個(gè)指標(biāo)，容易出現(xiàn)讀數(shù)不準(zhǔn)確，同時(shí)在計(jì)算處理各個(gè)參數(shù)時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，計(jì)算量比較大，不夠直觀，影響實(shí)驗(yàn)效果。用本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠自動(dòng)讀取Multisim中電路的響應(yīng)波形，調(diào)整輸入階躍信號(hào)的參數(shù)，并能對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算和提取，消除了人工觀測(cè)讀數(shù)帶來的誤差和不便，減輕了學(xué)生在校正實(shí)驗(yàn)中的壓力和計(jì)算量。本交互式的試驗(yàn)系統(tǒng)還能使教師可以方便地判斷當(dāng)前控制電路的性能指標(biāo)能否符合校正實(shí)驗(yàn)的要求，提高了設(shè)計(jì)效率。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以用于串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)，還可用于各種需要對(duì)電路時(shí)間響應(yīng)波形進(jìn)行讀取和分析的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化，提高實(shí)驗(yàn)效率。以系統(tǒng)串聯(lián)超前校正實(shí)驗(yàn)為例[1516]，采用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)一個(gè)預(yù)設(shè)閉環(huán)電路系統(tǒng)進(jìn)行校正，設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求，已知未校正閉環(huán)控制系統(tǒng)電路圖如圖6所示。圖中，U1～U4為四個(gè)運(yùn)放，系統(tǒng)中其他元件參數(shù)為C1=C2=1 μF，R4=510 kΩ，R1=R2=R3=R5=R6=R7=200 kΩ，R8=100 kΩ。該系統(tǒng)的預(yù)期時(shí)域性能指標(biāo)為調(diào)量Mp≤5%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts≤1 s，系統(tǒng)斜坡響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差ess≤5%。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域性能分析，并設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)[17]。

根據(jù)系統(tǒng)電路圖，經(jīng)分析、計(jì)算得未校正閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

LO（s）=255（051s+1）s（1）

利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)未校正系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，未校正系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)仿真波形及性能指標(biāo)如圖7所示。

時(shí)域性能指標(biāo)為超調(diào)量Mp=6211%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=203 s，上升時(shí)間tr=008 s，峰值時(shí)間tp=123 s。系統(tǒng)的性能指標(biāo)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。

采用串聯(lián)相位超前校正環(huán)節(jié)為現(xiàn)有系統(tǒng)提供附加的超前相角，改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[1820]。相位超前校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

式中，Kc為比例系數(shù);τ為一階微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù);T為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。將校正環(huán)節(jié)串聯(lián)至未校正系統(tǒng)電路中，得到校正后系統(tǒng)電路[17]，校正后系統(tǒng)電路圖如圖8所示。

校正后閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

L（s）=LO（s）Gc（s）=255（051s+1）sKcτs+1Ts+1（3）

按照預(yù)期的時(shí)域性能指標(biāo)，對(duì)超前校正環(huán)節(jié)電路中各個(gè)元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算得：Kc=08，τ=05，T=0025;各元件參數(shù)C3=10 μF，R11=25 kΩ，R6=R10=100 kΩ，R9=250 kΩ[17]。利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)校正后閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析和測(cè)試，該閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)指標(biāo)為Mp=43%，tr=0103 s，tp=0154 s，ts=0236 s。上述時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的超前校正環(huán)節(jié)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)，與在實(shí)驗(yàn)室用傳統(tǒng)儀器做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，與傳統(tǒng)儀器一樣有效，在有些場(chǎng)所可以用虛擬實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，解決了當(dāng)前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的一些問題。

4結(jié)束語

本文用Multisim為控制系統(tǒng)搭建電路，用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，一定程度上拓展和改善了控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程，提高了自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的便捷性，具有一定的適用性、實(shí)用性，比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置更具有靈活性。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了新的工具，改善了教師單一的課堂理論教學(xué)模式，通過形象直觀的教學(xué)演示，加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論的深入理解和領(lǐng)會(huì)。同時(shí)，學(xué)生和教師還可以在學(xué)生宿舍、圖書館等地點(diǎn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的理論實(shí)踐水平和技能。

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Abstract：? Aiming at the problems of hardware aging and lagging experimental means in the traditional experimental teaching of "automatic control theory"， in order to further improve the effect of automatic control experiment in University， an interactive analysis system is developed with LabVIEW， which can read the circuit diagram of control system designed by Multisim， display the time response simulation waveform of the circuit， and automatically extract the time-domain performance parameters of the system. Taking the series lead compensation experiment as an example， the convenience and practicability of the experimental system are illustrated. The simulation and experimental results show that the experimental system can easily and intuitively simulate the real experiment， help to consolidate and perfect the teaching content of automatic control theory， improve the teaching efficiency， improve the experimental effect， reduce the experimental cost， and better cultivate the students′ autonomy and innovation.

Key words： virtual experiment; automatic control; LabVIEW; Multisim; experimental teaching software; time domain performance