基于柔性测试技术和ELVIS的自动控制原理实验课件系统

作者：秦莉娜 王雪峰 吴学冲 （北京中科泛华测控技术有限公司 北京 100192）

 

源自：《控制工程》 2011年5月增刊

摘要：传统的自动控制原理实验的教学设备功能比较单一、操作复杂，灵活性和拓展性相对较弱。针对这一问题，设计开发了一套基于柔性测试技术和ELVIS的自动控制原理实验课件系统。该系统的硬件平台基于ELVIS实现，软件基于NI LabVIEW实现。模块化的设计保证了通过即插即拔的方式即可在一台ELVIS上完成多个自动控制理论学科的基础实验，通过直流电机PID控制和热电偶温度控制等实验验证了该系统的可行性和有效性，同时充分体现了柔性测试技术的灵活性和可扩展性。该系统目前已经广泛应用在教学实验中。

关键词：LabVIEW; ELVIS; 自动控制原理;实验课件

 

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

随着教育现代化的迅速发展，实验在教学活动中的作用越来越重要，相对于理论教学而言，实验教学更具有直观性、实践性、科研性与创新性，在学生动手能力培养和综合素质提高方面有不可取代的作用。然而，传统的自控理论实验有的是通过仿真软件完成，无法提高学生的动手能力和发挥学生的创新性，有的实验系统需要在面包板上搭建模拟电路，器件多，操作复杂，容易出错，影响实验效果。

本文所设计的自动控制原理实验课件系统以柔性测试技术为设计思想，采用灵活的图形化编程语言LabVIEW做为软件平台，其强大的调试功能和优化的架构使编程变得轻松自在[1]；便携式的硬件平台—NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite）多功能教学平台[2]，具有USB即插即用的连接性，其开放性的PCI接口板设计大大提高了实验的可扩展性；模块化的实验板设计，操作简单，使每个实验均可以独立在ELVIS上完成，提高了整套系统的多功能性。

 

系统结构与功能

该系统以自动控制原理课程为理论基础[4]，精选八个理论实验，并且设计了直流电机PID控制和热电偶温度控制这个两个经典控制类应用实验，理论实验可以加强学生对理论知识的掌握，应用实验则更能强化学生对控制过程的了解和掌握，通过动手调节PID参数等，更加直观地模拟控制过程。
整个系统共由十个实验模块组成，每个模块都是一个独立的实验模块，通过更换模块，能够在一台ELVIS上完成多个实验，充分体现了柔性测试技术的灵活性。

十个实验模块分别是：

• 典型环节的时域响应
• 典型系统的时域响应和稳定性分析
• 线性系统的根轨迹分析
• 线性系统的频率响应分析
• 线性系统的校正
• 离散系统的稳定性分析
• 线性系统的状态空间分析
• 典型非线性环节静态特性测试
• 直流电机的速度控制实验
• 热电偶温度控制实验

该系统具有如下的功能和特点

• 实验模块可以兼容ELVIS I和ELVIS II，具有良好的扩展性。
• 该实验课件在整体结构上采用模块化设计，每个实验模块都相互独立。
• 即插即用的PCI接口设计可以方便地更换实验模块，使系统具有良好的多样性。
• 采用可级联线以及BNC端接线，轻松实现各个接线端口之间转接。
• 自动识别ELVIS设备。

系统硬件设计

    该课件系统硬件配置包含如下主要部分：

图1自动控制原理实验课件系统硬件配置

Fig. 1 Hardware configuration of Courseware System for Automation Control Theory

① 便携计算机：作为上位机，利用软件完成对ELVIS的控制，显示控制界面，采集数据。
② ELVIS II USB 线缆：完成上位机与ELVIS的通讯。
③ ELVIS II工作台：ELVIS的硬件电路，完成信号采集、信号输出、信号控制以及和信号处理等功能。
④ 实验模块：本系统的实验模块，包含实验模拟电路，上表面是实验操作面板。
⑤ ELVIS II电源：ELVIS的供电电源。
⑥ 温度模块外部电源：为温度模块的驱动电路供电。

 

图2 模块功能区域分布

Fig.2 Areal distribution of module function

以实验一为例，每个实验模块表面都采用贴膜的方式标注不同的功能区域，如图2所示：
① 电子元件单元：提供实验中需要的不同种类和不同规格的电子元器件。操作和更换元器件及其便捷。
② 实验电路单元：该区域显示模拟电路图，电路图作为实验的理论基础，需要清晰地标注输入输出以及电子元器件的接口，在本系统中采跳线方式接线，可以灵活地更改不同规格的元器件，从而可以看到实验系统在不同器件下的不同响应结果。
③ 阶跃信号单元（可调电压单元）：该区域是阶跃信号或者可调电压单元，可以输出不同幅值的阶跃信号或者可调电压。
④ 数据采集单元：输出信号接线端，将输出信号接至示波器或者AI通道显示。信号发生器输出端，可以输出正弦波、三角波、方波。

 

系统软件设计

作为课件系统，该系统软件具有新颖的欢迎界面以及丰富多样的功能模块界面，不但可以提高学生的学习兴趣和动手能力，而且充分体现了柔性测试技术的优势。软件欢迎界面如图3所示。
软件模块结构如图3所示，整个软件由欢迎界面、实验主界面以及实验导航界面三大部分组成，其中每个实验都通过导航界面进入其下属功能界面，每个实验都包括电路图模块、实验模块、实验结果模块、实验帮助模块以及实验指导模块。整个软件系统体现了软件设计高耦合低内聚的设计思想。

 

图 3 软件结构图

Fig. 3 Structure chart of software

软件测试流程如图4所示。通过LabVIEW对ELVIS进行编程控制，首先对ELVIS进行初始化扫描，待搭建完模拟电路图并且进入到实验测试软件后，软件对ELVIS的示波器或者AI通道进行数据采集，并且将采集上来的数据进行数据分析、判断、存储等操作。软件测试界面如图5所示。

 

图4 软件操作流程

Fig. Software operation procedure

 

系统的实现与测试

      
图 5 电机控制实验测试界面
Fig. 5 Motor control experiment test pannel

 

在直流电机速度控制实验中，将电机模块安装到ELVIS工作台后，按照指导书接线，在软件中设置PID参数，PID参数设置的不同，系统会响应不同的PID曲线，上图中的PID曲线是其中一种结果，同时在界面中也可以看到代表电机转速的脉冲波形[4]。

 

结语

本文所设计的自动控制原理实验课件系统，采用柔性测试技术设计思想，运用强大的图形化开发语言LabVIEW和多功能ELVIS教学平台，根据自动控制理论课程，配合量身定做的实验模块，构成了一套完整的自动控制原理实验课件系统。

目前课件系统已经成功应用于某大学实验课程，实验性能良好、稳定，并且该设计已经获得相关国家知识产权，可以称为柔性测试技术在高校课件领域应用的成功典范。
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