作者：秦莉娜 王雪峰 吳學沖 （北京中科泛華測控技術有限公司 北京 100192）
源自：《控制工程》 2011年5月增刊
摘要：傳統的自動控制原理實驗的教學設備功能比較單一、操作復雜，靈活性和拓展性相對較弱。針對這一問題，設計開發了一套基于柔性測試技術和ELVIS的自動控制原理實驗課件系統。該系統的硬件平臺基于ELVIS實現，軟件基于NI LabVIEW實現。模塊化的設計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科的基礎實驗，通過直流電機PID控制和熱電偶溫度控制等實驗驗證了該系統的可行性和有效性，同時充分體現了柔性測試技術的靈活性和可擴展性。該系統目前已經廣泛應用在教學實驗中。
關鍵詞：LabVIEW; ELVIS; 自動控制原理;實驗課件
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
隨著教育現代化的迅速發展，實驗在教學活動中的作用越來越重要，相對于理論教學而言，實驗教學更具有直觀性、實踐性、科研性與創新性，在學生動手能力培養和綜合素質提高方面有不可取代的作用。然而，傳統的自控理論實驗有的是通過仿真軟件完成，無法提高學生的動手能力和發揮學生的創新性，有的實驗系統需要在面包板上搭建模擬電路，器件多，操作復雜，容易出錯，影響實驗效果。
本文所設計的自動控制原理實驗課件系統以柔性測試技術為設計思想，采用靈活的圖形化編程語言LabVIEW做為軟件平臺，其強大的調試功能和優化的架構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）多功能教學平臺[2]，具有USB即插即用的連接性，其開放性的PCI接口板設計大大提高了實驗的可擴展性；模塊化的實驗板設計，操作簡單，使每個實驗均可以獨立在ELVIS上完成，提高了整套系統的多功能性。
系統結構與功能
該系統以自動控制原理課程為理論基礎[4]，精選八個理論實驗，并且設計了直流電機PID控制和熱電偶溫度控制這個兩個經典控制類應用實驗，理論實驗可以加強學生對理論知識的掌握，應用實驗則更能強化學生對控制過程的了解和掌握，通過動手調節PID參數等，更加直觀地模擬控制過程。
整個系統共由十個實驗模塊組成，每個模塊都是一個獨立的實驗模塊，通過更換模塊，能夠在一臺ELVIS上完成多個實驗，充分體現了柔性測試技術的靈活性。
十個實驗模塊分別是：
- 典型環節的時域響應
- 典型系統的時域響應和穩定性分析
- 線性系統的根軌跡分析
- 線性系統的頻率響應分析
- 線性系統的校正
- 離散系統的穩定性分析
- 線性系統的狀態空間分析
- 典型非線性環節靜態特性測試
- 直流電機的速度控制實驗
- 熱電偶溫度控制實驗
該系統具有如下的功能和特點
- 實驗模塊可以兼容ELVIS I和ELVIS II，具有良好的擴展性。
- 該實驗課件在整體結構上采用模塊化設計，每個實驗模塊都相互獨立。
- 即插即用的PCI接口設計可以方便地更換實驗模塊，使系統具有良好的多樣性。
- 采用可級聯線以及BNC端接線，輕松實現各個接線端口之間轉接。
- 自動識別ELVIS設備。
系統硬件設計
該課件系統硬件配置包含如下主要部分：
圖1自動控制原理實驗課件系統硬件配置
Fig. 1 Hardware configuration of Courseware System for Automation Control Theory
① 便攜計算機：作為上位機，利用軟件完成對ELVIS的控制，顯示控制界面，采集數據。
② ELVIS II USB 線纜：完成上位機與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 實驗模塊：本系統的實驗模塊，包含實驗模擬電路，上表面是實驗操作面板。
⑤ ELVIS II電源：ELVIS的供電電源。
⑥ 溫度模塊外部電源：為溫度模塊的驅動電路供電。
圖2 模塊功能區域分布
Fig.2 Areal distribution of module function
以實驗一為例，每個實驗模塊表面都采用貼膜的方式標注不同的功能區域，如圖2所示：
① 電子元件單元：提供實驗中需要的不同種類和不同規格的電子元器件。操作和更換元器件及其便捷。
② 實驗電路單元：該區域顯示模擬電路圖，電路圖作為實驗的理論基礎，需要清晰地標注輸入輸出以及電子元器件的接口，在本系統中采跳線方式接線，可以靈活地更改不同規格的元器件，從而可以看到實驗系統在不同器件下的不同響應結果。
③ 階躍信號單元（可調電壓單元）：該區域是階躍信號或者可調電壓單元，可以輸出不同幅值的階躍信號或者可調電壓。
④ 數據采集單元：輸出信號接線端，將輸出信號接至示波器或者AI通道顯示。信號發生器輸出端，可以輸出正弦波、三角波、方波。
系統軟件設計
作為課件系統，該系統軟件具有新穎的歡迎界面以及豐富多樣的功能模塊界面，不但可以提高學生的學習興趣和動手能力，而且充分體現了柔性測試技術的優勢。軟件歡迎界面如圖3所示。
軟件模塊結構如圖3所示，整個軟件由歡迎界面、實驗主界面以及實驗導航界面三大部分組成，其中每個實驗都通過導航界面進入其下屬功能界面，每個實驗都包括電路圖模塊、實驗模塊、實驗結果模塊、實驗幫助模塊以及實驗指導模塊。整個軟件系統體現了軟件設計高耦合低內聚的設計思想。
圖 3 軟件結構圖
Fig. 3 Structure chart of software
軟件測試流程如圖4所示。通過LabVIEW對ELVIS進行編程控制，首先對ELVIS進行初始化掃描，待搭建完模擬電路圖并且進入到實驗測試軟件后，軟件對ELVIS的示波器或者AI通道進行數據采集，并且將采集上來的數據進行數據分析、判斷、存儲等操作。軟件測試界面如圖5所示。
系統的實現與測試
圖 5 電機控制實驗測試界面
Fig. 5 Motor control experiment test pannel
在直流電機速度控制實驗中，將電機模塊安裝到ELVIS工作臺后，按照指導書接線，在軟件中設置PID參數，PID參數設置的不同，系統會響應不同的PID曲線，上圖中的PID曲線是其中一種結果，同時在界面中也可以看到代表電機轉速的脈沖波形[4]。
結語
本文所設計的自動控制原理實驗課件系統，采用柔性測試技術設計思想，運用強大的圖形化開發語言LabVIEW和多功能ELVIS教學平臺，根據自動控制理論課程，配合量身定做的實驗模塊，構成了一套完整的自動控制原理實驗課件系統。
目前課件系統已經成功應用于某大學實驗課程，實驗性能良好、穩定，并且該設計已經獲得相關國家知識產權，可以稱為柔性測試技術在高校課件領域應用的成功典范。
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