自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用
自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发
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关 键 词 ：ＭＡＴ ＡＢ语 言 ； Ｌ ＧＵＩ ；自动 控 制 原 理 ； 拟 实 验平 台 虚 中 图分 类 号 ： Ｐ ３ Ｔ １ 文献标志码 ： Ｂ 文 章 编 号 ： ０ ３８ ３ （０ Ｏ ０ — １ ７Ｏ １ ０ — ９０ ２ １ ）４ ０ ５ ４
Ｄｅ ｉ ｎｉ ｎｄ Ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ｆＶｉ ｔ ａ ｂ ｒ ｔ ｒ ａ ｆ ｒ ｆ ｒ ｓ ｇ ｎｇ ａ ｖ ｌ ｐ ｎｔｏ ｒ ｕ ｌＬａ ｏ ａ ｏ ｙ Ｐｌ ｔ ｏ ｍ ｏ
《 自动控制 原 理 》 电类 专 业 重 要 的学 科 基 础 是
课， 因此 除学好 本 课 程 的 理 论 部 分外 ， 般 还 应 设 一 置相应 的实验 内容 。 目前很 多 高校 该课 程的 实验 教 学还 处于传 统 模拟 实验 阶段 ， 用集 成封 闭 的实验 利 箱 ， 相应 的有 源 网 络 模 块 连 接 成 典 型 环 节 或 系 将 统 ， 施加 典 型信 号 ， 过示 波器 观 察实 验结 果 。 再 通 这 种实 验方 法有 一定 的局 限性 ， 现在 以下几 方面 ： 表 （ ） 验设 备高 度集 成 ， 生 在 实验 中只 是 盲 １ 实 学 目地 接线 和调 节元 件参 数 值 ， 于所 调 节 的参数 与 对 系统 性能 的关 系难 以理 解 ， 很容 易 造成 硬件 电路 的 损坏 ， 也不 利 于课 堂 内容 的消化 ＿ ； １
基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验平台
电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering软件开发与应用Software Development And Application基于M ATLAB的自动控制原理虚拟实验平台潘建伟(武成职业学院甘肃省武成市733000 )摘要：本文搭建了基于M A T L A B的“自动控制原理”虛拟实验平台，利用M A T L A B中的SIM ULINK仿真软件包的强大功能设计实验模型，不仅拓宽了学生的创新思维，而且保证了在应急情况下的实验。
关键词：虚拟实验；SIM U LIN K;M A T L A B1引言近十几年，国内的虚拟实验室的发展也突飞猛进。
结合虚拟实 验技术的特点以及它在理工教学中实际应用，尤其在电气自动化、电子信息工程、医学、建筑、生物化等学科有重要作用，国内的许 多高校都根据本院校的实际教学需求建立了各类虚拟实验室。
高职 院校的学生相对本科院校的学生，在课程的学习上存在一定难度，从而导致该课程的实验操作也困难，面对复杂的硬件电路，不知该 如何下手，对控制系统的模型也不是很了解，在实验过程中接错电 子元件很容易造成硬件电路的损坏，不仅没有达到实验的目的，而且导致学生对实验课程的排斥。
此外传统的硬件实验扩展性较 差，实验的内容逐渐脱离实际。
基于此，利用MATLAB软件的图 形用户开发工具（GUITOOLS)和SIMULINK搭建虚拟实验平台，SIMULINK是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包，不 仅支持线性和非线性系统，也支持连续和离散的混合系统，而且系 统可以是多进程的。
运作的工具箱和模块己覆盖航空、航天、通信、控制、信号处理、电力系统、机电系统等诸多领域，所涉及的内容 专业性越来越强，使用也越来越方便。
在应用数学，电工电子，自动控制以及信号处理等多个专业的教学实验中均有广泛应用。
2虚拟实验平台的优越性虚拟实验是一个多功能的实验平台，不仅便于各个学科的实验 交叉而且便于实验功能的扩充，而且不受场地的限制、时间的限制，随时随地只需一台电脑就可以进行试验。
虚拟仿真技术在《自动控制原理》课程中的应用
文 章编 号：０ ５ ６ ３ （ ００）３ Ｏ １— ２ １０ — ０ ３ ２ １ ３ 一 １０ ０
Ｓ ＩＴ Ｃ Ｆ Ｒ Ａ Ｉ ＮＤ Ｖ Ｌ Ｉ Ｅ Ｔ＆Ｅ Ｏ Ｏ Ｙ Ｃ — Ｅ Ｈ Ｉ Ｏ Ｍ ＴＯ Ｅ Ｅ Ｏ Ｎ Ｎ Ｍ ＣＮＭ
２１年 ００
第２ 卷 ０
第 ３ 期 ３
Ｍ ＴＡ Ａ Ｌ Ｂ是辅助《 自动控制原理》 实验教学 的主要ｌ Ｔ具。利Ｊ 甘
它进 行 实验 项 目的 开发 ， 够有 效 弥补 某些 传统 实 验 的不 足 ， 能 同时 由于其 不 受场 地 环境 和 设 备 的 限制 ， 时 有 些不 容易 实现 的综合 平
性系统实验或硬件实验箱不能完成的实验都可 以利． ＇ Ａ Ｉ ＭＡＩ Ｂ ｛ ｊ ’ Ｌ 仿真的方法轻而易举地实现。通过 ＭＡｒＡ ｒ Ｂ仿真实验 ， Ｌ 使学生更
拿 于 问题 的解 决方 法 ， 学 生 的 自学 能 力 ， 宽 学生 研究 分析 注 提高 拓 的 视野 ； 同时 ， 放 式 的 虚拟 平 台 能 使学 生 熟 悉 ＭＡ Ｌ Ｂ软件 和 开 ＴＡ
也允许｝现误操作 ， Ｊ Ｉ 获得“ 维护保障 ， 零” 便于开展设备易损性 、 综
合 性 、 计 性实 验 。 此 ， 用 虚拟 技术 开展 《 设 利 自动控 制原 理 》 实验 有 利 于补 充 、 善 课程 的实 验教 学 。 完 本文以《 自动 控 制 原理 》 ＰＤ参 数控 制 实 验 为 例 ， 析 基 巾 Ｉ 分 于 ＭＡ１Ａ … Ｂ开 发 的 虚拟 实 验 仿 真系 统 ， 有 方便 、 Ｌ 具 直观 、 便捷 、 不
不稳 定等问题 ， 如何让学生直观 、 便捷地 了解《 自动控制原理》 的
基裾Ｉ Ｉ 知识 ， 准确 、 方便 地从 实 验 结果 中进 行 推 理 是 实 验 教 学 改 革 的一 个 重 要 问 题 。虚 拟 实验 是 现代 实 验教 学 的 发展 模式 ， 有效 它 地 补 充和完 善 了传 统 实验 ， 缓解 了实 验设 备 不 足和滞 后 等 问题 ㈨ ；
《自动控制原理》虚拟实验室探讨
高 校 论 坛
缸科 技 ２ １年第７ ０２ 期
《自动控制 原理 》虚拟 实验 室探讨
韩 耀 飞 樊 晓 虹 赵 张 飞
河 南城建 学院 电气与 电子工程 系 ４ ７ ３ 河 南 平 顶 山 ６０ ６ 摘 要 本文针对专 业基 础课 自 动控 制原理课程理论 性强学 生难 以接 受的特点 ，探 讨利 用现代教 育技 术手段～虚 拟实验 室这一新 的实验教 学模 式，从 实验 教学模式的理论基础和 可行 性等方面进行分析 ？
关键词 实验教 学模 式 理论基础 可行性 效 果评价 ． 话 ，用户可 以设置 系统 的模 型 ，根据用户的要求该软件可 图形 分析与
“ 自动控制原理 ”是 自动化类专业的专业基础 课。该课程的特点 是理 论性强 以及相对较抽 象 ，以致使得学生难于理解 ，需要借助实验 加 深对课堂学 习内容 的理解 、培 养学生创新能 力。河南城 建学院开设 的该 课程实验 ，仍处于传统模拟 实验阶段 ，实验时首 先把 系统分解成 典 型环节 ，利用 实验箱 ，将 相应 的有源 Ｒ 网络 模块连 接 ，最 后通过 Ｃ 示波器观察实验结果 。这 样的实验方式虽然直观 ，但是存在很大 的弊 端 ：学生进行实验时候 ，面对 复杂的硬件 电路 ，不能从 中看出控制系 统 的实际参数 ，对于控制 系统 的参数 。不知 如何调整 ，更不知道调整 的参数对应的是控制 系统 的哪些 具体参数 。在实 际操作 中 ，自动控制 原理 的实验 中大部分时 间被连 接电路和检查硬件错 误占据 ，没有达到 效 果。为此 ，迫切需要一 种直观 、方便 、能够对 自动控制原理进一步 理解 的实验教学补充形式 ，虚拟 实验室作为一种新型 的实验教学方法
自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发
自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发
王焕然;徐颖秦
【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》
【年(卷),期】2010(022)004
【摘要】利用MATLAB语言及其图形用户界面GUI(graphical user interfaces)功能和Simulink工具箱,通过设置图形窗口、调整控件、设置属性、编写M文件等,设计和开发了<自动控制原理>虚拟实验平台和仿真软件,通过创建现场菜单完成了对各实验界面的集成.该平台既能完成自动控制原理各种实验的仿真,又可以进行实际系统的分析、综合与研究开发,从而达到激发学生学习和创新激情的目的.【总页数】4页(P157-160)
【作者】王焕然;徐颖秦
【作者单位】江南大学通信与控制工程学院,无锡,214122;江南大学通信与控制工程学院,无锡,214122
【正文语种】中文
【中图分类】TP13
【相关文献】
1.自动控制原理虚拟实验平台的设计开发 [J], 邵宏文
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3.基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验教学平台设计 [J], 刘惠敏
4.基于Web和Matlab自动控制原理虚拟实验平台的设计 [J], 高嵩;姚娜
5.自动控制原理课程虚拟实验平台的开发 [J], 徐凤霞; 朱玲; 范明清; 荆丽秋; 胡遵河
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自动控制原理虚拟实验平台的设计开发
自动控制原理虚拟实验平台的设计开发自动控制原理课程具有理论难度较大，教学内容相对抽象的特点，高职学生对于掌握本门课程具有一定的难度。
因此开发自动控制原理虚拟实验平台对于课程的实践性教学环节的开展，对课程学习效果的提升都具有重要的作用。
提出了自动控制原理虚拟实验平台建立的基本方案、分析了实验平台的使用以及在教学过程中的实践。
标签：自动控制；虚拟实验平台；课程；Labview；Matlab引言“自动控制原理”是自动化类专业重要的专业基础课程，主要分析了控制系统的基本概念、控制系统物理对象建立数学模型的方案、控制系统时域、变换域求解的基本方案、系统的稳定性等方案。
对学生掌握自动控制系统的分析与设计方法，为工程应用方面的自动控制系统的设计调试奠定了重要的基础。
为了适应高职教学理实一体化的教学要求，增强学生对于抽象知识的理解，在课程讲授过程中，实验具有不可替代的重要作用。
通过一定的实验学生能够加深对于理论知识的理解，提升实践技能以及分析解决问题的方案。
自动化控制系统的实验设备和实验场地收到了一定的限制，因此采用虚拟的实验平台进行课程实验的教学就显得尤为重要。
随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展，采用NI公司的Labview编程语言，开发出基于Labview虚拟实验系统，结合第三方公司提供的数据采集卡，对虚拟实验系统稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验，又能结合学校原有的硬件电路设备进行硬件实验的综合实验系统，可以显著提高教学效果和实验效果。
1 虚拟开发工具Labview简介虚拟仪器作为现代仪器仪表发展方向，已迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用已经十分普及，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
Labview是一种基于图形的集成化程序开发环境的图形化编程软件，软件在数据采集、仪器仪表控制以及数值分析方面具有重要的应用价值，很好地实现了虚拟仪器的概念。
基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计
2.1 基于 LabVIEW 自动控制原理虚拟实验系统 本文设计的基于 LabVIEW 的自动控制原理虚拟实 验系统界面简单，输入参数方便，点击按钮即可操作。自 动控制原理虚拟实验系统设计了课程中常见的 8 个实 验。具体 LabVIEW 虚拟实验系统包括以下子实验。实 验一：一阶系统时域分析；实验二：二阶系统时域分析；实
总 655 期第十期 2018 年 10 月
河南科技 Henan Science and Technology
信息技术
基于 LabVIEW 的自动控制原理虚拟实验系统设计
吕恩胜
（河南应用技术职业学院机电工程学院，河南 郑州 450042）
摘 要：自动控制原理实验是电气、控制和机械专业学生学习自动控制原理课程的一个重要环节。本文设计
收稿日期：2018-09-16 基金项目：2015 年河南省教育技术装备和实践教育研究项目（GZS003）；河南省职业教育教学改革研究项目 （ZJB17231）。 作者简介：吕恩胜（1981—），男，硕士，副教授，研究方向：电路理论与应用、通信信号处理。
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2.2 基于 LabVIEW 二阶系统时域分析实验系统
在“自动控制原理”课程中，输入信号为 R(s) ，输出信
号 C(s) ，典型二阶系统，拉普拉斯逆变换得到时域响应结
本文以“自动控制原理”课程中典型二阶系统的瞬态 响应分析为例，阐述实验平台的设计思想和使用方法。 在控制系统中，机械系统的质量-弹簧-阻尼器，电气系统 的电阻-电感-电容等，控制的类型和元件在物理结构上 千差万别，但在微分方程上都是二阶微分系统，即使是高 阶系统，在一定条件下也可以降阶为二阶系统，足见二阶 系统在控制系统中的重要性。接下来以二阶系统的瞬态 响应分析实验子系统。
工业自动控制系统中的虚拟控制实验教学平台研究
工业自动控制系统中的虚拟控制实验教学平台研究近年来，随着我国工业化进程加快，工业自动化一直处于高速发展的状态，而工业自动化控制，是实现工业自动化需要掌握的关键技术之一。
对于工业自动化控制这门学科，实践性非常重要，而虚拟控制实验室，正是如今教育改革中十分重要的一部分。
虚拟控制实验室已成为当前工业自动控制系统教学中常见的一种形式，尤其是在大学教育中。
本文将就工业自动控制系统中的虚拟控制实验教学平台进行探讨和研究。
一、虚拟控制实验教学平台背景介绍虚拟控制实验教学平台一般是以电脑软件或云端服务的形式呈现，非常便于学生在学习和实践中使用。
虚拟控制实验教学平台模拟指令、算法、控制系统、传感器、执行器和现场设备的交互式控制过程，便于用户观察并随时调试各种参数。
因此，虚拟实验室提供了学习者体验现实操作时所未必能够获得的多个维度的交互环境。
虚拟实验搭配多媒体教学、网络教学等等，可以有效地提高学生的学习兴趣，也可以降低实验成本，能够满足大量学生的需求。
二、虚拟控制实验教学平台的特点1.虚拟实验平台可以在学校任何时间授课，学生可以随时进行学习，甚至还可以在家里完成实验的部分工作，非常的便捷。
2.虚拟实验平台可以真实地模拟真实环境下的各类操作行为。
学习者可以直接操作设备的各个部分，不但可以感受到实验过程中的持续性、整体性和材料性，还可以感受到物体的形态、硬度和质地，从而加深对于实验过程的理解。
3.虚拟实验平台的模拟过程直观、操作方便，可以帮助学习者快速掌握自动控制原理和应用技术，还有助于巩固相关知识点、吸收实践方面的经验。
4.虚拟实验平台通常可以对所有学习数据进行记录，学生可以查看自己的学习记录、实践成果和掌握程度，以便于更好地了解自己当前的状态、需求和发展方向。
同时也可以帮助教师和学院更好地把握学生的学术水平和掌握状态、评估学生的学习质量等等。
三、虚拟控制实验教学平台应用虚拟实验平台在教育学习上广泛应用，尤其对于从事自动化、电气、机电等专业人员的数字化化学习，更为重要。
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自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用
采用虚拟实验平台对于提高实验效率和准确性有着积极的意义，目前在我国正成为研究、设计、开发的热点。
文章对自动控制原理虚拟实验平台的设计、研制、应用进行了分析，结合其特点和功能，提出了虚拟实验平台的一些设计思路。
标签：自动控制原理；虚拟实验平台；设计；应用
一、虚拟实验平台的设计
1.设计策略
在实验中，如果用物理实验设备作为检测方法，那么需要实验仪器（通常包括通用示波器、信号发生器、记录仪、模拟计算机）中的三种同时工作，如果实验的人数很多，那么就会用到大量的实验仪器，非常不划算，因此虚拟实验平台必须解决这一问题，在虚拟实验平台上实现每个实验仪器的使用，提高实验效率和实验的科学性。
2.功能设计
虚拟实验开始既要发挥通用示波器、信号发生器、记录仪和模拟计算机等实验仪器的作用，又要为验证性试验提供有效的分析工具，如频率特性、时域特性等，还要为设计性实验提供典型环节，如积分环节、比例环节、慣性环节等。
3.硬件设计
虚拟实验平台的硬件采用通用PC数据采集卡，主要的技术指标为：16路模拟输入，采样速率100kHz，输入电压+10V，2路模拟输出，输出速率为100kHz，输出电压+10V。
4. 软件设计
采用美国NI公司的虚拟仪器编程语言来进行自动控制原理虚拟实验平台的软件设计和研发，该编程语言以ANSIC为核心，将C语言与用于信息收集、分析和表达的专业工具巧妙地结合，其集成化开发平台、交互式编程方法大大提高了C语言的能力，对虚拟实验平台的软件设计有巨大的帮助。
二、主要功能和技术指标
1.PC数据采集卡的输入/输出接口设计
PC数据采集卡底层I/O操作的效率对虚拟实验平台的性能影响重大，也是虚拟实验平台的关键。
因此必须选用高性能PC数据采集卡，同时运用基于DMA
的高速数据采集技术，完成大吞吐量的模拟输入信号采集。
2. 数据显示、存储和打印的设计
数据显示是实验教学过程中的常用功能，实时曲线能够提供及时的数据变化情况，要对数据进行更加详细的分析，必须加强数据存储的功能，存储方式、存储速率对提高数据存储的功能有着重要意义，而实验结果和数据打印的特点在于能将许多曲线绘制在一张图上，能将许多张图绘制在一张纸上并进行标注和诠释。
3. 频率特性测试的设计
通过信号发生器产生不同的信号，输入到被检测的系统中，再测量被检测系统的输出，计算获得幅频特性，同理可得相频特性。
4. 通用超前—滞后环节的实现
可分为模拟式实现和数字式实现。
其中，模拟式实现是运用连续系统仿真技术，在短时间间隔内实现上述环节的实时计算，这种环节性能甚至比模拟计算机更加稳定。
三、应用实例
1. 测量二阶系统的时域响应测试
由虚拟实验平台的信号发生器产生周期为1600x10ms、幅值为2000mv的方波信号，通过测试得到系统的阶跃响应，减小系统的开环增益，通过虚拟实验平台的浏览波形功能，将开环增益变化前后的系统阶跃响应波形重叠显示，通过对比分析，掌握比例控制对系统性能造成的影响。
2. 线性系统性能分析和串联校正
已知单位反馈系统不可变部分的开环传递函数，要求系统校正后满足相关指标：静态速度误差系数为30，截止频率为7rad/s，相角裕度不小于45°，设计一个串联校正装置。
为了满足这些要求，取开环增益为30，带入原系统求得截止频率为9.75rad/s，相角裕度为-17.2°，系统不稳定，需减小截止频率，可通过串联滞后网络的方式使截止频率和相角裕度满足要求。
自动控制原理虚拟实验平台自从问世以来，已经在许多领域发挥了重要作用，在实践应用中，虚拟实验平台的功能得到不断的完善，随着技术的发展和进步，自动控制原理虚拟实验平台将会在更多领域发挥更重要的作用，推动社会的发展。
参考文献：
[1]王瑛，蔡勋，王晶.自动控制原理虚拟实验平台的设计与应用[J].实验技术与管理，2003（4）：52-56.
[2]邵宏文.自动控制原理虚拟实验平台的设计开发[J].科技创新与应用，2013（34）：20-21.。