APP下载

基于LabVIEW的《控制工程基础》课程仿真系统教学方法

2017-03-18方传智张婷婷

科学与财富 2017年4期

方传智+张婷婷

摘 要:《控制工程基础》课程是机电相关专业必修的一门专业基础课程。课程涉及数学、电路、机械等多个课程,理论性强,知识面广,概念抽象,学生在学习过程中极易感到乏味、枯燥。针对这一现象,提出基于LabVIEW虚拟仪器和CDS控制设计与仿真工具包制作图形化仿真教学系统,将理论知识与工程应用结合,能够引领学生将理论和应用综合掌握,同时LabVIEW的图形化编程语言制作形象化的仿真分析界面,能够极大改善课程教学的枯燥乏味,激发学生积极性。

关键词:LabVIEW;控制设计与仿真;控制工程基础;图形化仿真教学系统

1 引言

高校《控制工程基础》是机电、自动化相关专业必修的一门专业基础课程,内容涉及数学、物理、电学、机械等多门课程。课程以理论分析演算为主,内容难度较大,课堂氛围极易枯燥乏味[1]~[4]。为了解决这些问题,本文设计了基于LabVIEW虚拟仪器制作控制工程基础教学仿真系统,利用LabVIEW CDS控制设计与仿真(Control Design and Simulation)工具包将工程应用场景(本文以电工学RLC二阶振荡电路为例),系统激励和响应,传递函数设计和频域分析等模块综合成图形化交互界面[5]~[6]。在这个仿真系统中学生可以根据电路调整RLC参数,输入信号并进行频域分析。相对传统教学能提升学生学习兴趣,改善课堂气氛;相对MATLAB和C等其他仿真语言,本文基于LabVIEW CDS工具包编制的仿真系统不仅能实现MATLAB等平台的所有仿真功能,在圖形化界面上能更形象直观的展示控制系统的整个流程,同时LabVIEW的图形化G语言编程相对于文本语言编程更利于学生理解掌握。

2 基于CDS的RLC振荡电路频率响应系统设计

LabVIEW CDS控制设计与仿真工具包是图形化编程语言LabVIEW软件中工程应用工具包中的一种,主要用于控制系统设计与分析,使用者能够载入已有控制系统或者创建新的系统,进行时域和频域性能分析。CDS工具包有若干函数块组成,主要功能包括:控制与仿真循环,模型参数设定,信号生成,信号运算,连续和离散系统设计和优化设计等,

本文演示一个《控制工程基础》课程教学中时域和频域都涉及的经典案例,RLC二阶振荡电路系统, RLC振荡电路由电阻R,电感L和电容C组成,系统传递函数模型为:

其中S是拉普拉斯算子, 为无阻尼固有频率, 为阻尼比。

在LabVIEW软件中,首先设置R,L和C三个参数,为了更直观表现,分别用图形控件中的数字旋钮和滑竿控制三个参数的输入, 输入信号Vi设置为交流电压,演示时利用滑竿实时改变输入频率,通过控制系统函数再实时输出响应时域信号,设计好的整个RLC振荡电路教学仿真系统界面如下:

上面的仿真系统首先根据RLC振荡系统的传递函数模型设置系统参数,图示电阻值为100Ω,电感值为50mH,电容为100μF,仿真系统由程序实时计算传递函数,输入激励信号在上图左下角,利用滑竿设置信号频率,信号幅值在图中读出峰值-1V~+1V,运行程序后响应信号在对应图形框中显示。右侧是表示系统频域响应的伯德图,右侧上下两幅分别是幅频谱图和相频谱图。由RLC振荡电路的原理可知其是一个单输入单输出(SISO)系统,设计思路是借由CDS工具包设计一个SISO系统,在输入环节设计参数(R,L和C参数值),再利用工具包中的时域和频域相关分析函数计算时、频域响应结果,整个控制系统程序相对与MATLAB等文本编程语言简单,能够极大减少工作量,由于采用图形化编程,编程错误相对文本语言也会较大减少。

这种基于CDS的仿真系统教学方法可以在完成《控制工程基础》理论授课后,在实验课上机环节完成。由于控制工程课程针对的是机电和测控专业学生,这两类专业的学生都会开设LabVIEW课程,学生只需要简单的LabVIEW基础就可以完成这种仿真系统设计。

4 结论

本文借助LabVIEW及其CDS工具包,设计了一种基于仿真系统的《控制工程基础》教学方法,并以课程中常见的RLC振荡电路系统为例,从系统分析,模型制作,程序编写,时域和频域响应结果输出等方面介绍了仿真系统的制作运行过程。利用图形化编程和界面演示,丰富了课堂教学内容,提高学生的学习兴趣,同时利用LabVIEW对工程中的控制系统进行仿真,可以加深学生对理论知识和软件应用的理解,为提高学生的工程应用能力奠定基础。

参考文献:

[1] 朱利民, 王明婓. 关于高校《自动控制原理》课程改革的探索[J].甘肃科技,2010,26(8):168-170.

[2]王伟,申爱明.《控制工程基础》课程教学改革研究与探索[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2007,30(2):139—141.

[3] 张段芹, 王辉. 面向“卓越计划”的“控制工程基础”教学改革探索[J]. 中国电力教育,2013,(7):72-73.

[4]顾玉萍,石剑锋.MATLAB在《机械控制工程基础》教学中的应用 [J].职业教育研究,2007,(4):168—169.

[5]郑对元.精通LabVIEW 虚拟仪器程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012.

[6]孙建伟, 韩连英, 关英俊. 机械工程控制基础教材的改革研究[J]. 长春工业大学学报: 高教研究版,2013,(2):84-85.