基于LabVIEW的机械工程控制基础的实验

　　1 引 言

　　随着科学技术的迅猛发展，电子设备和技术向集成化、数字化和高速化方向发展，现在的理工科专业的教学科研过程中，要想紧跟技术的发展，就要不断更新教学和实验设备。而传统仪器下的院校实验教学，已经严重滞后于信息时代和工程实际的需要。虚拟仪器是计算机技术和电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，它通常是由个人计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。利用美国NI仪器公司的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台来体现“软件即仪器”的主要功能，从而建立起基于LabVIEW的工程控制基础的实验，灵活地服务于该课程的理论教学。

　　2实验平台设计和软件支撑

　　机械工程控制基础是一门理论性、实践性较强的工科专业基础课，实践环节对于学生理解与掌握课程中抽象的理论概念起着至关重要的作用。目前，该课程的实验以模拟实验装置的应用居多。模拟实验装置以运算放大器、电阻、电容及电位器等模拟器件为基础，通过接线可以构成控制系统中的典型环节、二阶及三阶以上的高阶系统，通过参数的选择，对控制工程的系统进行模拟。

　　本实验是以该课程的理论知识为基础，采用 LabVIEW软件的及其所包含的仿真工具包，编写了相应的 VI 程序来实现其仿真实验的功能，具有较好的教学效果。

　　3 内容设置

　　根据传统课程实验的要求，对该课程中控制系统的各个典型环节进行动态模拟仿真、控制系统的时域和频域响应及其稳定性研究、控制系统的校正分析等实验进行了程序设计和测试。

　　3.1控制系统典型环节的模拟仿真

　　本实验为演示性实验。其目的主要是为了学生在学习课程的过程中加深对控制系统几个典型环节(如积分、微分、惯性、振荡等)特性的理解。针对各个典型环节的传递函数，运用阶跃响应、乃奎斯特和频域工具函数对各环节的性质进行动态模拟和仿真演示，使特性效果对比明显，可以为教学提供实时的画面。图 1 和图 2 中给出了其中惯性环节的前后面板的模拟效果。

　　3.2 控制系统的时域模拟仿真

　　本实验是以一个二阶控制系统为例，利用 LabVIEW软件功能和时域响应工具对控制系统时域特点进行比较分析。通过对实际的二阶连续系统的传递函数建立模型，并在系统的固有频率和阻尼系数分别是一个定值时，调用程序软件中相应的函数工具，分别绘出了系统的脉冲响应曲线、阶跃响应曲线、零输入响应曲线和正弦激励下的响应曲线。在此基础上，还可以通过改变系统的固有频率和阻尼系数来观察各种曲线在参数不同时的变化情况。图 3 和图 4 给出了二阶系统时域分析的仿真图形和对应的程序。