作者：秦莉娜 王雪峰 吳學(xué)沖 （北京中科泛華測控技術(shù)有限公司 北京 100192）
源自：《控制工程》 2011年5月增刊
摘要：傳統(tǒng)的自動控制原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)備功能比較單一、操作復(fù)雜，靈活性和拓展性相對較弱。針對這一問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于柔性測試技術(shù)和ELVIS的自動控制原理實(shí)驗(yàn)課件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件平臺基于ELVIS實(shí)現(xiàn)，軟件基于NI LabVIEW實(shí)現(xiàn)。模塊化的設(shè)計(jì)保證了通過即插即拔的方式即可在一臺ELVIS上完成多個自動控制理論學(xué)科的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過直流電機(jī)PID控制和熱電偶溫度控制等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性，同時(shí)充分體現(xiàn)了柔性測試技術(shù)的靈活性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。
關(guān)鍵詞：LabVIEW; ELVIS; 自動控制原理;實(shí)驗(yàn)課件
Courseware System for Automation Control Theory Based on Flexible Testing Technology and ELVIS
QIN Li-Na，WANG Xue-Feng, WU Xue-Chong, GAO Zhi-Jun
(Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement & Control Technology Co., Ltd. (Pansino Ltd.) Beijing, 100192, China)
- Abstract: Traditional Automation Control Theory teaching equipment has simplex function, humdrum form, complex operation mode, feeblish flexibility and expansibility. In view of this kind of situation, an experimental courseware system developed with LabVIEW and ELVIS is designed in this paper. The hardware platform of the system is based on ELVIS and software platform is based on NI LabVIEW. Due to its modularization, the modules included in the system can be used plug and play with one ELVIS to complete various theoretical experiments. Two classical control experiments name PID control for DC motor and Thermocouple Temperature Control test and verify the feasibility and effectiveness of this system. The system fully embodies flexibility and expandability of Flexible Test Technology. Now the system is extensive used in experimental teaching.
Key word: LabVIEW; ELVIS; Automation Control Theory; Experiment Courseware.
1引言
隨著教育現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)在教學(xué)活動中的作用越來越重要，相對于理論教學(xué)而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具有直觀性、實(shí)踐性、科研性與創(chuàng)新性，在學(xué)生動手能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高方面有不可取代的作用。然而，傳統(tǒng)的自控理論實(shí)驗(yàn)有的是通過仿真軟件完成，無法提高學(xué)生的動手能力和發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性，有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要在面包板上搭建模擬電路，器件多，操作復(fù)雜，容易出錯，影響實(shí)驗(yàn)效果。
本文所設(shè)計(jì)的自動控制原理實(shí)驗(yàn)課件系統(tǒng)以柔性測試技術(shù)為設(shè)計(jì)思想，采用靈活的圖形化編程語言LabVIEW做為軟件平臺，其強(qiáng)大的調(diào)試功能和優(yōu)化的架構(gòu)使編程變得輕松自在[1]；便攜式的硬件平臺—NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite）多功能教學(xué)平臺[2]，具有USB即插即用的連接性，其開放性的PCI接口板設(shè)計(jì)大大提高了實(shí)驗(yàn)的可擴(kuò)展性；模塊化的實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)，操作簡單，使每個實(shí)驗(yàn)均可以獨(dú)立在ELVIS上完成，提高了整套系統(tǒng)的多功能性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
該系統(tǒng)以自動控制原理課程為理論基礎(chǔ)[4]，精選八個理論實(shí)驗(yàn)，并且設(shè)計(jì)了直流電機(jī)PID控制和熱電偶溫度控制這個兩個經(jīng)典控制類應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，理論實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的掌握，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)則更能強(qiáng)化學(xué)生對控制過程的了解和掌握，通過動手調(diào)節(jié)PID參數(shù)等，更加直觀地模擬控制過程。
整個系統(tǒng)共由十個實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，每個模塊都是一個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，通過更換模塊，能夠在一臺ELVIS上完成多個實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)了柔性測試技術(shù)的靈活性。
十個實(shí)驗(yàn)?zāi)K分別是：
- 典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)
- 典型系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和穩(wěn)定性分析
- 線性系統(tǒng)的根軌跡分析
- 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析
- 線性系統(tǒng)的校正
- 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
- 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析
- 典型非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性測試
- 直流電機(jī)的速度控制實(shí)驗(yàn)
- 熱電偶溫度控制實(shí)驗(yàn)
該系統(tǒng)具有如下的功能和特點(diǎn)
- 實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以兼容ELVIS I和ELVIS II，具有良好的擴(kuò)展性。
- 該實(shí)驗(yàn)課件在整體結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)，每個實(shí)驗(yàn)?zāi)K都相互獨(dú)立。
- 即插即用的PCI接口設(shè)計(jì)可以方便地更換實(shí)驗(yàn)?zāi)K，使系統(tǒng)具有良好的多樣性。
- 采用可級聯(lián)線以及BNC端接線，輕松實(shí)現(xiàn)各個接線端口之間轉(zhuǎn)接。
- 自動識別ELVIS設(shè)備。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該課件系統(tǒng)硬件配置包含如下主要部分：
圖1自動控制原理實(shí)驗(yàn)課件系統(tǒng)硬件配置
Fig. 1 Hardware configuration of Courseware System for Automation Control Theory
① 便攜計(jì)算機(jī)：作為上位機(jī)，利用軟件完成對ELVIS的控制，顯示控制界面，采集數(shù)據(jù)。
② ELVIS II USB 線纜：完成上位機(jī)與ELVIS的通訊。
③ ELVIS II工作臺：ELVIS的硬件電路，完成信號采集、信號輸出、信號控制以及和信號處理等功能。
④ 實(shí)驗(yàn)?zāi)K：本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包含實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路，上表面是實(shí)驗(yàn)操作面板。
⑤ ELVIS II電源：ELVIS的供電電源。
⑥ 溫度模塊外部電源：為溫度模塊的驅(qū)動電路供電。
圖2 模塊功能區(qū)域分布
Fig.2 Areal distribution of module function
以實(shí)驗(yàn)一為例，每個實(shí)驗(yàn)?zāi)K表面都采用貼膜的方式標(biāo)注不同的功能區(qū)域，如圖2所示：
① 電子元件單元：提供實(shí)驗(yàn)中需要的不同種類和不同規(guī)格的電子元器件。操作和更換元器件及其便捷。
② 實(shí)驗(yàn)電路單元：該區(qū)域顯示模擬電路圖，電路圖作為實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，需要清晰地標(biāo)注輸入輸出以及電子元器件的接口，在本系統(tǒng)中采跳線方式接線，可以靈活地更改不同規(guī)格的元器件，從而可以看到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在不同器件下的不同響應(yīng)結(jié)果。
③ 階躍信號單元（可調(diào)電壓單元）：該區(qū)域是階躍信號或者可調(diào)電壓單元，可以輸出不同幅值的階躍信號或者可調(diào)電壓。
④ 數(shù)據(jù)采集單元：輸出信號接線端，將輸出信號接至示波器或者AI通道顯示。信號發(fā)生器輸出端，可以輸出正弦波、三角波、方波。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
作為課件系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟件具有新穎的歡迎界面以及豐富多樣的功能模塊界面，不但可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力，而且充分體現(xiàn)了柔性測試技術(shù)的優(yōu)勢。軟件歡迎界面如圖3所示。
軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個軟件由歡迎界面、實(shí)驗(yàn)主界面以及實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航界面三大部分組成，其中每個實(shí)驗(yàn)都通過導(dǎo)航界面進(jìn)入其下屬功能界面，每個實(shí)驗(yàn)都包括電路圖模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)結(jié)果模塊、實(shí)驗(yàn)幫助模塊以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊。整個軟件系統(tǒng)體現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)高耦合低內(nèi)聚的設(shè)計(jì)思想。
圖 3 軟件結(jié)構(gòu)圖
Fig. 3 Structure chart of software
軟件測試流程如圖4所示。通過LabVIEW對ELVIS進(jìn)行編程控制，首先對ELVIS進(jìn)行初始化掃描，待搭建完模擬電路圖并且進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)測試軟件后，軟件對ELVIS的示波器或者AI通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且將采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷、存儲等操作。軟件測試界面如圖5所示。
系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試
圖 5 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)測試界面
Fig. 5 Motor control experiment test pannel
在直流電機(jī)速度控制實(shí)驗(yàn)中，將電機(jī)模塊安裝到ELVIS工作臺后，按照指導(dǎo)書接線，在軟件中設(shè)置PID參數(shù)，PID參數(shù)設(shè)置的不同，系統(tǒng)會響應(yīng)不同的PID曲線，上圖中的PID曲線是其中一種結(jié)果，同時(shí)在界面中也可以看到代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖波形[4]。
結(jié)語
本文所設(shè)計(jì)的自動控制原理實(shí)驗(yàn)課件系統(tǒng)，采用柔性測試技術(shù)設(shè)計(jì)思想，運(yùn)用強(qiáng)大的圖形化開發(fā)語言LabVIEW和多功能ELVIS教學(xué)平臺，根據(jù)自動控制理論課程，配合量身定做的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，構(gòu)成了一套完整的自動控制原理實(shí)驗(yàn)課件系統(tǒng)。
目前課件系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)性能良好、穩(wěn)定，并且該設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得相關(guān)國家知識產(chǎn)權(quán)，可以稱為柔性測試技術(shù)在高校課件領(lǐng)域應(yīng)用的成功典范。
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