方傳智+張婷婷

摘 要：《控制工程基礎(chǔ)》課程是機(jī)電相關(guān)專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程涉及數(shù)學(xué)、電路、機(jī)械等多個(gè)課程，理論性強(qiáng)，知識面廣，概念抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中極易感到乏味、枯燥。針對這一現(xiàn)象，提出基于LabVIEW虛擬儀器和CDS控制設(shè)計(jì)與仿真工具包制作圖形化仿真教學(xué)系統(tǒng)，將理論知識與工程應(yīng)用結(jié)合，能夠引領(lǐng)學(xué)生將理論和應(yīng)用綜合掌握，同時(shí)LabVIEW的圖形化編程語言制作形象化的仿真分析界面，能夠極大改善課程教學(xué)的枯燥乏味，激發(fā)學(xué)生積極性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；控制設(shè)計(jì)與仿真；控制工程基礎(chǔ)；圖形化仿真教學(xué)系統(tǒng)

1 引言

高?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》是機(jī)電、自動化相關(guān)專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、電學(xué)、機(jī)械等多門課程。課程以理論分析演算為主，內(nèi)容難度較大，課堂氛圍極易枯燥乏味[1]～[4]。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW虛擬儀器制作控制工程基礎(chǔ)教學(xué)仿真系統(tǒng)，利用LabVIEW CDS控制設(shè)計(jì)與仿真（Control Design and Simulation）工具包將工程應(yīng)用場景（本文以電工學(xué)RLC二階振蕩電路為例），系統(tǒng)激勵(lì)和響應(yīng)，傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)和頻域分析等模塊綜合成圖形化交互界面[5]～[6]。在這個(gè)仿真系統(tǒng)中學(xué)生可以根據(jù)電路調(diào)整RLC參數(shù)，輸入信號并進(jìn)行頻域分析。相對傳統(tǒng)教學(xué)能提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善課堂氣氛；相對MATLAB和C等其他仿真語言，本文基于LabVIEW CDS工具包編制的仿真系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)MATLAB等平臺的所有仿真功能，在圖形化界面上能更形象直觀的展示控制系統(tǒng)的整個(gè)流程，同時(shí)LabVIEW的圖形化G語言編程相對于文本語言編程更利于學(xué)生理解掌握。

2 基于CDS的RLC振蕩電路頻率響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW CDS控制設(shè)計(jì)與仿真工具包是圖形化編程語言LabVIEW軟件中工程應(yīng)用工具包中的一種，主要用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，使用者能夠載入已有控制系統(tǒng)或者創(chuàng)建新的系統(tǒng)，進(jìn)行時(shí)域和頻域性能分析。CDS工具包有若干函數(shù)塊組成，主要功能包括：控制與仿真循環(huán)，模型參數(shù)設(shè)定，信號生成，信號運(yùn)算，連續(xù)和離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，

本文演示一個(gè)《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)中時(shí)域和頻域都涉及的經(jīng)典案例，RLC二階振蕩電路系統(tǒng)， RLC振蕩電路由電阻R，電感L和電容C組成，系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型為：

其中S是拉普拉斯算子， 為無阻尼固有頻率， 為阻尼比。

在LabVIEW軟件中，首先設(shè)置R，L和C三個(gè)參數(shù)，為了更直觀表現(xiàn)，分別用圖形控件中的數(shù)字旋鈕和滑竿控制三個(gè)參數(shù)的輸入， 輸入信號Vi設(shè)置為交流電壓，演示時(shí)利用滑竿實(shí)時(shí)改變輸入頻率，通過控制系統(tǒng)函數(shù)再實(shí)時(shí)輸出響應(yīng)時(shí)域信號，設(shè)計(jì)好的整個(gè)RLC振蕩電路教學(xué)仿真系統(tǒng)界面如下：

上面的仿真系統(tǒng)首先根據(jù)RLC振蕩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，圖示電阻值為100Ω，電感值為50mH，電容為100μF，仿真系統(tǒng)由程序?qū)崟r(shí)計(jì)算傳遞函數(shù)，輸入激勵(lì)信號在上圖左下角，利用滑竿設(shè)置信號頻率，信號幅值在圖中讀出峰值-1V～+1V，運(yùn)行程序后響應(yīng)信號在對應(yīng)圖形框中顯示。右側(cè)是表示系統(tǒng)頻域響應(yīng)的伯德圖，右側(cè)上下兩幅分別是幅頻譜圖和相頻譜圖。由RLC振蕩電路的原理可知其是一個(gè)單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思路是借由CDS工具包設(shè)計(jì)一個(gè)SISO系統(tǒng)，在輸入環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)（R，L和C參數(shù)值），再利用工具包中的時(shí)域和頻域相關(guān)分析函數(shù)計(jì)算時(shí)、頻域響應(yīng)結(jié)果，整個(gè)控制系統(tǒng)程序相對與MATLAB等文本編程語言簡單，能夠極大減少工作量，由于采用圖形化編程，編程錯(cuò)誤相對文本語言也會較大減少。

這種基于CDS的仿真系統(tǒng)教學(xué)方法可以在完成《控制工程基礎(chǔ)》理論授課后，在實(shí)驗(yàn)課上機(jī)環(huán)節(jié)完成。由于控制工程課程針對的是機(jī)電和測控專業(yè)學(xué)生，這兩類專業(yè)的學(xué)生都會開設(shè)LabVIEW課程，學(xué)生只需要簡單的LabVIEW基礎(chǔ)就可以完成這種仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文借助LabVIEW及其CDS工具包，設(shè)計(jì)了一種基于仿真系統(tǒng)的《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)方法，并以課程中常見的RLC振蕩電路系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)分析，模型制作，程序編寫，時(shí)域和頻域響應(yīng)結(jié)果輸出等方面介紹了仿真系統(tǒng)的制作運(yùn)行過程。利用圖形化編程和界面演示，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)利用LabVIEW對工程中的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以加深學(xué)生對理論知識和軟件應(yīng)用的理解，為提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力奠定基礎(chǔ)。

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