论文总字数：18804字

摘 要

《控制工程基础》是材料成型及控制工程学科中一门重要的专业必修课程,该课程理论性较强，并且对学生的数学能力要求较高。鉴于上述情况，实验教学成为了本课程教学的重要环节。但传统实验教学有空间、时间、经济及教学效果方面的局限性。随着计算机及其软件技术的进步、实验教学的不断改革，用虚拟仿真实验代替实际实验已是实验教学的趋势。本文拟利用虚拟仪器开发环境LabVIEW设计控制工程基础实验系统，实现该实验的可视化仿真，以突破传统实验的局限性，增强实验教学效果。

开发平台LabVIEW具有界面直观、操作简便、功能丰富等特点。故本文利用LabVIEW2012及控制设计与仿真工具包设计控制工程基础实验系统，主要包括以下几个方面的工作：

(1) 建立了一个包含典型环节模拟、时域分析、频域分析、系统稳定性分析以及系统校正五个功能模块的控制工程基础课程实验体系；

(2) 进行实验系统界面设计以及操作界面的设计；

(3) 利用LabVIEW以及控制设计与仿真工具包对上述五个实验模块进行独立设计，并对设计结果进行测试；

利用LabVIEW设计的实验软件界面简洁，操作方便，便于进行实验教学。经过测试，软件可以稳定运行，实现了控制工程基础实验的可视化仿真。

关键词：控制工程基础；LabVIEW；虚拟实验系统；实验模块

Abstract

Introduction to Control Engineering is an important and compulsory course in material forming and control engineering major. It is highly theoretical, and it requires high mathematical ability of students. To sum up, experimental teaching has played a very important role in this course. But the traditional experimental teaching has some limitations, such as space, time, economy and teaching effect. With the progress of computer technology and the development of teaching reform, computer software has been gradually applied in experimental teaching. This paper intends to use LabVIEW, a virtual instrument development environment, to design the Introduction to Control Engineering’s experiment system and realize the visual simulation of the experiment, so as to break through the limitations of the traditional experiment teaching and enhance the experimental teaching effect.

The development platform LabVIEW has the features of intuitive interface, simple operation and powerful functions. So this paper uses LabVIEW and Control Design＆Simulation tool kit to design Introduction to Control Engineering’s experiment system, mainly including the following aspects:

(1) Establish the experimental system of Introduction to Control Engineering, mainly including five functional modules of typical link simulation, time-domain analysis, frequency-domain analysis, system stability analysis and system correction;

(2) Design the interface of the experimental system and the operation interface;

(3) Independently designed the above five experimental modules with LabVIEW and Control Design＆Simulation tool kit, and tested the design results;

The interface of the experimental system designed by LabVIEW is brief, and the system is easy to operate and convenient for experimental teaching. After testing, the software can run stably and complete the visual simulation of Introduction to Control Engineering.

Key Words: Introduction to Control Engineering; LabVIEW; virtual experimental system; experimental modules

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 研究现状 2

1.3 LabVIEW平台概述 3

1.4 论文结构 4

第2章 实验平台总体设计 5

2.1 系统的总体设计 5

2.2 主界面设计 5

第3章 功能模块的设计实现 7

3.1 典型环节模拟 7

3.1.1 比例环节的模拟 7

3.1.2 积分环节 8

3.1.3 比例积分环节 9

3.1.4 惯性环节 9

3.2 时域分析 10

3.2.1 一阶系统时域分析 11

3.2.2 二阶系统时域分析 11

3.3 频域分析 15

3.3.1 比例环节 16

3.3.2 积分环节 17

3.3.3 微分环节 17

3.3.4 惯性环节 18

3.3.5 一阶微分环节 18

3.3.6 振荡环节 19

3.3.7 二阶微分环节 20

3.4 系统稳定性分析 21

3.5 系统校正 23

3.5.1 相位超前校正 23

3.5.2 滞后校正 23

3.5.3 PD校正器 24

3.5.4 PI校正器 25

3.5.5 PID校正器 26

第4章 总结与展望 27

4.1 总结 27

4.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 29

附录1 30

附录2 31

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

《控制工程基础》是材料成型及控制工程学科中一门重要的专业必修课程,课程的主要内容包括：控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的频域分析法、控制系统的校正等。由于本课程较为抽象，理论性强，且需要复变函数、微积分、线性代数等数学学科作为先修课程，对学生的数学能力要求较高，学生普遍反应课程内容难以感性理解。为了将抽象理论知识可视化、方便学生理解和学习，实验教学成为了本课程教学的重要一环，是学生学好该课程的保障^[1]。传统控制工程基础实验是利用电路试验箱、信号源和示波器等硬件进行实验，存在接线单一、可调整参数少、实验教学模式刻板、重复等教学问题，除此之外，还存在实验教室紧缺的空间问题；试验箱种类多、数量大导致采购成本较高、耗材消耗严重、仪器损坏率等经济问题。这些都或多或少影响了实验教学的效果^[2][3]。

随着计算机技术和软件技术的发展，利用计算机软件模拟仿真现实事物的技术已经被广泛应用到了各个行业领域，用虚拟仿真软件代替传统实验设备是实验教学发展的方向并逐渐应用和普及。虚拟实验平台的开发具有许多积极意义：在社会层面上，虚拟实验平台的开放性、交互性和可扩展性符合《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高（2012）4号）的精神，其指出：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物^[4][5]。在健康与安全问题上，传统的试验箱方法需要人工接线，如操作失误，则有可能造成电路元器件短路、过载等状况，不仅破坏实验仪器，甚至有可能对所操作学生造成安全威胁，而虚拟仿真软件则避免了上述安全问题。在成本方面，开发虚拟仿真软件或虚拟实验平台也需要投资人力物力及维护成本，但相比于传统实验需要周期性的购买实验器材，高频率的检查与维护，在成本上节省了不少。

综上所述，虚拟实验系统相较于传统实验有着诸多的优势，在社会等各方面具有积极意义，并且用虚拟仿真实验代替实际实验已是国内外教学科研的趋势^[6]，主流虚拟仿真软件LabVIEW具有人机界面友好，操作方便等特点^[7]，软件自带的多种设计工具包，使其成为开发控制系统的理想选择^[8]，故本课题利用LabVIEW软件构建“控制工程基础”虚拟试验系统，该虚拟实验系统的开发与应用，打破了传统实验方法对时间、空间和器材的限制，并且数据设置，参数改变更加灵活，提高了实验精度^[9][10]，加深了学生对理论知识的理解，提高了学习效率。

1.2 研究现状

鉴于传统实验方法的局限性，许多国家开始重视基于仿真软件开发的虚拟实验平台，并取得了不少研究成果，对提高教学质量和效率起了很大的推动作用。在国外，科研机构和高等院校设计的虚拟实验室已经应用到了教学实验、科研等领域。国内起步较晚，但已有不少高校在构建虚拟实验室上投入了很多精力，且成果显著，部分高校虚拟实验室已投入使用^[11]。

国外的虚拟实验平台已运用到各个领域。秘鲁天主教大学开发了为多变量过程控制设计的虚拟实验室环境，在进行实际物理系统实验之前，可以进行仿真和动画来模拟理论解决方案，具体设计内容为模拟四组耦合的水箱系统的控制过程，该虚拟试验系统可用于检查控制器的设计并进行系统辨识^[12]。西班牙米格尔·埃尔南德斯大学利用JavaScript语言开发了名为 m-PaRoLa 的教育虚拟实验室，用来对两个并联机器人进行运动学模拟，与其他虚拟实验平台不同的是，该平台的载体是移动设备，更加降低了实验对于场地空间的要求^[13]。波尔多大学计划在三维环境下开发专门用于尺寸和几何测量的计量实验室，提高了学生的学习兴趣，减缓了建立造价昂贵的实际计量实验室的资金压力，波尔多大学还计划将该虚拟实验平台与学生的网上教学及考试集成，形成完整的教学体系^[14]。

国内来说，浙江大学控制科学与工程学院基于LabVIEW虚拟仿真软件搭建的仿真实验软件，重点展示了线性系统的传递函数表示、状态空间表示、由传递函数转换为相应状态空间的过程、系统的可控可观性以及状态反馈等环节，便于学生直观的理解和掌握抽象的理论知识^[15]。辽宁大学化学院基于移动端开发的虚拟实验平台“moolsnet”，使实验课程不受时间、地点、条件和人数的限制，解决了由于实验学时不足、场地不够、试剂短缺、仪器设备缺、部分危险实验不便开展等进行实际实验所遇到的问题和困难^[16]。同济大学机械与能源工程学院采用Inventor构建了虚拟实验仪器、实验场景, 其以JetBrains Rider作为代码集成开发环境、以U-nity 3D作为虚拟仿真实验开发平台, 建设了液压虚拟仿真实验教学平台，该实验平台利用3D技术直观全面的展示了液压元件的外观和内部构造，并且可以开展在实际实验中有危险或破坏性的实验，提高了实验效率和学生的自主性^[17]。以上例子是国内外大学在不同领域内基于不同软件开发的虚拟实验平台，都取得了一定的成果，在相关领域有着广泛的应用。

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