作者：秦莉娜 王雪峰 吳學衝 （北京中科泛華測控技術有限公司 北京 100192）

源自：《控製工程》 2011年5月增刊

摘要：傳統的自動控製原理實驗的教學設備功能比較單一、操作複雜
，靈活性和拓展性相對較弱。針對這一問題
，設計開發了一套基於柔性測試技術和ELVIS的自動控製原理實驗課件係統。該係統的硬件平台基於ELVIS實現，軟件基於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台ELVIS上完成多個自動控製理論學科的基礎實驗，通過直流電機PIDkongzhiheredianouwendukongzhidengshiyanyanzhenglegaixitongdekexingxingheyouxiaoxing，tongshichongfentixianlerouxingceshijishudelinghuoxinghekekuozhanxing。gaixitongmuqianyijingguangfanyingyongzaijiaoxueshiyanzhong。

關鍵詞：LabVIEW; ELVIS; 自動控製原理;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，相對於理論教學而言

，實驗教學更具有直觀性、實踐性、keyanxingyuchuangxinxing，zaixueshengdongshounenglipeiyanghezonghesuzhitigaofangmianyoubukequdaidezuoyong。raner
，chuantongdezikonglilunshiyanyoudeshitongguofangzhenruanjianwancheng，wufatigaoxueshengdedongshounenglihefahuixueshengdechuangxinxing
，youdeshiyanxitongxuyaozaimianbaobanshangdajianmonidianlu，qijianduo

，caozuofuza，rongyichucuo
，yingxiangshiyanxiaoguo。

本文所設計的自動控製原理實驗課件係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做為軟件平台，其強大的調試功能和優化的架構使編程變得輕鬆自在[1]
；便攜式的硬件平台―NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite）多功能教學平台[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
，提高了整套係統的多功能性。

係統結構與功能

該係統以自動控製原理課程為理論基礎[4]，精選八個理論實驗，並且設計了直流電機PIDkongzhiheredianouwendukongzhizhegelianggejingdiankongzhileiyingyongshiyan，lilunshiyankeyijiaqiangxueshengduililunzhishidezhangwo
，yingyongshiyanzegengnengqianghuaxueshengduikongzhiguochengdelejiehezhangwo
，tongguodongshoutiaojiePID參數等

，更加直觀地模擬控製過程。
整個係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，能夠在一台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
• 典型係統的時域響應和穩定性分析
• 線性係統的根軌跡分析
• 線性係統的頻率響應分析
• 線性係統的校正
• 離散係統的穩定性分析
• 線性係統的狀態空間分析
• 典型非線性環節靜態特性測試
• 直流電機的速度控製實驗
• 熱電偶溫度控製實驗

該係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
  
  ，使係統具有良好的多樣性。
• 采用可級聯線以及BNC端接線
  ，輕鬆實現各個接線端口之間轉接。
• 自動識別ELVIS設備。

係統硬件設計

    該課件係統硬件配置包含如下主要部分：

圖1自動控製原理實驗課件係統硬件配置

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的控製
，顯示控製界麵，采集數據。
② ELVIS II USB 線纜：完成上位機與ELVIS的通訊。
③ ELVIS II工作台：ELVIS的硬件電路，完成信號采集
、信號輸出、信號控製以及和信號處理等功能。
④ 實驗模塊：本係統的實驗模塊，包含實驗模擬電路
，上表麵是實驗操作麵板。
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，每個實驗模塊表麵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：gaiquyuxianshimonidianlutu，dianlutuzuoweishiyandelilunjichu
，xuyaoqingxidibiaozhushurushuchuyijidianziyuanqijiandejiekou，zaibenxitongzhongcaitiaoxianfangshijiexian，keyilinghuodigenggaibutongguigedeyuanqijian
，congerkeyikandaoshiyanxitongzaibutongqijianxiadebutongxiangyingjieguo。
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。

係統軟件設計

作zuo為wei課ke件jian係xi統tong，該gai係xi統tong軟ruan件jian具ju有you新xin穎ying的de歡huan迎ying界jie麵mian以yi及ji豐feng富fu多duo樣yang的de功gong能neng模mo塊kuai界jie麵mian，不bu但dan可ke以yi提ti高gao學xue生sheng的de學xue習xi興xing趣qu和he動dong手shou能neng力li，而er且qie充chong分fen體ti現xian了le柔rou性xing測ce試shi技ji術shu的de優you勢shi。軟ruan件jian歡huan迎ying界jie麵mian如ru圖tu3所示。
軟件模塊結構如圖3所示
，整個軟件由歡迎界麵、實驗主界麵以及實驗導航界麵三大部分組成
，其中每個實驗都通過導航界麵進入其下屬功能界麵，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。整個軟件係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進行編程控製，首先對ELVIS進行初始化掃描，待搭建完模擬電路圖並且進入到實驗測試軟件後
，軟件對ELVIS的示波器或者AI通道進行數據采集

，並且將采集上來的數據進行數據分析
、判斷、存儲等操作。軟件測試界麵如圖5所示。

係統的實現與測試

      
圖 5 電機控製實驗測試界麵
Fig. 5 Motor control experiment test pannel

在直流電機速度控製實驗中，將電機模塊安裝到ELVIS工作台後
，按照指導書接線，在軟件中設置PID參數，PID參數設置的不同
，係統會響應不同的PID曲線，上圖中的PID曲線是其中一種結果
，同時在界麵中也可以看到代表電機轉速的脈衝波形[4]。

結語

本文所設計的自動控製原理實驗課件係統
，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教學平台
，根據自動控製理論課程，配合量身定做的實驗模塊，構成了一套完整的自動控製原理實驗課件係統。

目前課件係統已經成功應用於某大學實驗課程，實驗性能良好、穩定，並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範。
參考文獻

• 阮奇楨. 我和LabVIEW [M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.(Run Qizhen. I and LabVIEW[M].Beijing: Beijing Aeronautics and Astronautics University Press,2009)
• 楊誌
  ，袁媛，賈延江. 虛擬儀器教學實驗簡明教程[M].北京：北京航空航天大學出版社
  ，2008.(Yang Zhi，Yuan Yuan，Jia Yanjiang. Virtual Instrument teaching experiment simple course[M], Beijing: Beijing Aeronautics and Astronautics University Press,2008)
• 李行善，左毅
  ，孫傑. 自動測試係統集成技術[M]. 北京：電子工業出版社
  ，2004.(Li Xingshan, Zuo Yi, Sun Jie, Auto-test system integration technique [M]. Beijing, Electronic Industry Press,2001)
• 顏文俊，陳素琴
  
  ，林峰. 控製理論CAI教程[M].北京：科學出版社，2002.(Yan Wenjun, Chen Suqin, Lin Feng, Control Theory CAI course[M],Beijing, Science Press.2002)
• 康華光, 陳大欽.電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社, 1996.(Kang Huaguang, Chen Daqin, Fundamentals of Electronic Technology[M].Beijing: Higher Education Press, 1996.)
• 童詩白, 華成英. 模擬電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社,2001.(Tong Shibai, Hua Chengying,. Basic Analog Electronics[M]. Beijing: Higher Education Press, 2001)
• 侯國屏, 王紳, 葉齊鑫. LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社,2004.(Hou Guoping, Wang Shen,Ye Qixin, LabVIEW 7.1Programming and Virtual Instrument Design[M].Beijing：Tsinghua University Press,2004.)
• 雷振山. LabVIEW Express實用技術教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.(Lei Zhenshan. LabVIEW Express Application Technology course[M].Beijing: China railway Press, 2005.)
• 楊樂平.LabVIEW高級程序設計[M].北京：清華大學出版社
  
  ，2003. (Yang Leping, LabVIEW higher program design.[M].Beijing : Tsinghua University Press,2003.)
• 朱海峰, 楊智.PID控製器參數自整定方法研究[D].中山大學,碩士學位論文,2005.(Zhu Haifeng,Yang Zhi, PID controller parameter self setting methods study, Zhong Shan University, Master dissertation, 2005.)
• 陸寧,周偉.基於LabVIEW的智能PID控製器設計[J].微機發展,2005,15(4).(Lu Ning, Zhou Wei.PID

controller design based on LabVIEW[J].Microcomputer Development.2005,15(4).)