[发明专利]虚拟自动控制实验系统及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟自动控制实验系统及其设计方法，具体的是设计一种基于LabVIEW和MATLAB脚本混合编程相结合的虚拟自动控制实验系统及其设计方法。

背景技术

现有自动控制实验系统的软硬件组成方式存在硬件实验设备老化不容易更新、数量有限、实验内容不灵活、硬件与软件之间的串行通信不通畅、实验结果受硬件设备状态影响大等弊病。针对这些弊病本发明设计并实现了虚拟自动控制实验系统，该系统具有不受硬件设备限制、不受实验环境影响(实验者只要将“虚拟自动控制实验系统”安装在计算机上就可以在任何地方进行自主实验)、实验过程由实验者自己掌控，实验种类灵活多样(系统还提供了开放性实验环节，如水位报警系统，交通灯控制和电梯控制系统等)，实验效率高，更进一步实验者只要熟悉LabVIEW和MATLAB还能够在本虚拟系统的基础上开发新的实验内容，系统的更新升级亦很方便，为实验者自主学习以及后续的硬件实验打基础。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种虚拟自动控制实验系统及其设计方法，可供用户设计并仿真自动控制实验，提高自动控制实验效率，不受硬件设备限制，方便实验者自主学习，弥补传统实验的不足。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

虚拟自动控制实验系统，包括

时域分析法实验模块：包括一阶时域分析模块和二阶系统时域分析模块；此外，实验者还能够自己设计三阶以上的高阶系统，并时域分析其性能。

根轨迹法实验模块：包括二阶系统、三阶系统和高阶系统根轨迹分析；

频域分析法实验模块：包括典型环节的频率响应特性分析：即放大环节、惯性环节的和振荡环节等的频率响应特性，以及复合系统的频率响应分析。

系统校正实验模块：包括串联超前校正、串联滞后校正、串联滞后-超前和PID校正；

开放性实验模块：包括水位控制、电梯控制和交通灯控制。

所述一阶时域分析模块包括一阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应和单位抛物线；所述二阶系统时域分析模块包括二阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应和单位抛物线响应，以及用于研究不同阻尼情况下的二阶系统的单位阶跃响应性能参数模块，即二阶系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼和无阻尼状态下的单位阶跃响应及其性能参数。

所述串联校正包括相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正和PID校正四个部分。

上述各个模块在功能上相互独立，每个部分独立开发。各功能模块通过系统界面菜单选项选择相应的功能菜单项，进而调用每一个功能模块。

设计上述虚拟自动控制实验系统需要通过以下步骤完成：

S1、设计了虚拟自动控制系统软件启动欢迎界面，该界面的技术实现是利用软件启动加载的过渡时间播放欢迎界面。

S2、搭建基于LabVIEW系统平台的自动控制实验系统构架；主要包含时域分析法实验、根轨迹法实验、频域分析法实验、系统校正实验和开放性实验五个功能模块。

S3、基于LabVIEW支持ActiveX技术，借鉴Windows下应用软件的界面风格，设计具有Windows界面特点的系统操作界面。

S4、采用LabVIEW和MATLAB混合程序设计方法，分别设计并实现时域分析法实验、根轨迹法实验、频域分析法实验、系统校正和开放性实验五个功能模块。

S5、分别对五个功能模块进行测试，在每一模块测试成功的基础上，完善整个系统功能连调，并给出每一功能模块的仿真方法和实验结果举例。

总之，本软件是在LabVIEW编程环境下结合MATLAB脚本编程实现，对控制系统进行了时域分析，根轨迹分析、频率分析以及校正环节的设计与分析。时域分析下有一阶系统分析、二阶系统分析及高阶系统分析；根轨迹分析下有二阶系统分析、三阶系统分析及高阶系统分析；频率分析下有典型环节分析和复合系统分析；校正环节下有串联超前校正、串联滞后校正、串联滞后-超前校正及PID校正。各部分实验中还撰写了相应的实验步骤，方便实验者参照实验步骤进行控制系统实验。

本发明是具有数据、图像处理和显示功能强大，实验内容灵活、界面友好、控件丰富、操作方便等特点的虚拟自动控制系统，可供用户设计并仿真自动控制实验，提高自动控制实验效率，不受硬件设备限制，方便实验者自主学习，弥补传统实验的不足。

附图说明

图1为本发明的系统框架结构图；

图2为本发明实施例1中二阶系统时域分析的界面图；

图3为本发明实施例1中二阶系统实验步骤前面板的界面图；