（控制理论与控制工程专业论文）基于labview的控制实验系统的设计与开发.pdf

”。一 引 叱礴懂， 酶。亨，。曾i叩 ，、 ? 1 0 - at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fac o n t r o le x p e r i m e n t a l s y s t e mb a s e d o nl a b v i e w b yw a n gc h u n x i a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry u eh e n g p r o f e s s o rc h a it i a n y o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 二 ，一：0 y 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：王着霞 日期：o ( ) 8 、6 、z f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：互香爱 签字日期：砌譬g - 7f 导师签名： 签字日期： 一q；、 霄矾一 东北大学硕士学位论文 摘要 基于l a b v i e w 的控制实验系统的设计与开发 摘要 实验在控制理论的教学、研究中占有重要地位，是进行素质教育的重要环节和手段。 但是目前，如何实现理论教学与实验的有机结合尚在探讨之中，传统的实验系统存在着 实验模式落后、内容单一、效率不高、资源利用率较低等问题。另外传统实验系统多采 用文本式开发环境，编程繁琐、调试困难、降低系统的灵活性，而图形化编程语言 l a b v i e w 以其简单、灵活、模块化的编程方式大大提高了实验开发的效率。在东北大 学“9 8 5 工程 流程工业综合自动化科技创新平台的支持下，本文开展了高水平教学实 验系统的研究，其目标是合理的利用有限的资源，实现软硬件资源的共享和综合利用， 使学生能在控制实验系统上快速地进行信号检测、控制器设计、控制驱动等方面的实验 训练。本文主要研究工作如下： 1 设计了基于l a b v i e w 软件环境和q u a n s e r 教学实验仪器平台的控制实验系统的整 体结构，该控制实验系统具有模块化、可重构、可移植、可扩展的特点，支持图形化、 模块化编程，支持网络实验，实现了从辅助教学、本地实验、网络实验的全程操作与管 理。采用模块化的设计思想，易于实现实验系统的扩展和软件的重用，大大提高了实验 系统开发的效率。具有友好的人机界面，实现系统的可视化管理，提高实验操所效率。 2 搭建并开发了控制实验系统的硬件系统和软件系统。在硬件方面，主要工作包括 对控制器、驱动器、数据采集卡的选型设计，系统各部分的接线设计，完成控制系统的 联接和调试。在软件方面，基于层次化、模块化的设计思想设计了软件系统的体系结构 和功能，开发了的接i e i 模块库、控制算法模块库、对象模型模块库、实验登陆界面、实 验管理界面、实验操作界面。 3 基于上述控制实验系统开展了典型实验设计和实验研究。设计了丰富的实验方案， 包括p v 控制，自适应控制，模糊控制，极点配置，线性二次型最优控制，滑模控制。 并选取q u a n s e r 的典型实验教学设备，利用封装的模块库开发实验程序，进行实验研究， 验证了实验系统的高效性、实验算法的准确性和模块封装的正确性。 4 研究了基于l a b v i e w 的远程发布技术，构建了浏览器服务器模式的网络控制体 系，并通过实验验证了控制实验系统的网络实验的有效性。 关键词：l a b v i e w ；控制实验系统；模块化设计；远程控制；q u a n s e i i i 摘要 i v 衍j ， d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fac o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e d o nl a b v i e w a b s t r a c t e x p e r i m e n tc o u r s e sh a v eb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt e a c h i n ga n dr e s e a r c ho f c o n t r o ls u b j e c t ，w h i c hi sak e ym e a n st op r o v i d eq u a l i t ye d u c a t i o n h o w e v e r , a tp r e s e n t ，h o w t oa c h i e v et h ei n t e g r a t i o no ft e a c h i n ga n de x p e r i m e n ti nc o n t r o le d u c a t i o ni ss t i l lb e i n g d i s c u s s e d ，a n dt h e r ea r em a n ys h o r t c o m i n g si nt h et r a d i t i o n a lc o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e m ， s u c ha st h eo u t d a t e dm o d e ，r o u g hc o n t e n t ，l o we f f i c i e n c ya n dl o wu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s i n a d d i t i o n ，t h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a ls y s t e mu s e st e x t - f o r mp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w h i c hi s v e r yt e d i o u sa n dd e g r a d e st h ef l e x i b i l i t yo fs y s t e m o nt h ec o n t r a r y , g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g a p p r o a c hw i l lg r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ed e v e l o p m e n td u et oi t ss i m p l e ，f l e x i b l e a n dm o d u l a rp r o g r a m m i n gm o d e u n d e rt h es u p p o r to fs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n o fp r o c e s si n d u s t r yi n t e g r a t e da u t o m a t i o nf o u n d e db y “9 8 5p r o j e c t ，t h ep a p e ri m p l e m e n t st h e r e s e a r c ho fa d v a n c e dc o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ea i mi st or e a l i z et h es h a r ea n d c o m p r e h e n s i v eu s eo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e sa n dp r o v i d eh a n d so ne x p e r i e n c e t os t u d e n t sw i t ha na d v a n c e ds y s t e mi ns i g n a ld e t e c t i o n ，c o n t r o l l e rd e s i g na n dd r i v i n gc o n t r 0 1 t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w i n g s ： 1 t h e g e n e r a ls t r u c t u r e o ft h ec o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do n l a b v i e wa n dt h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo fq u a n s e r t h ec h a r a c t e r so fs y s t e ma r em o d u l a r i t y , r e c o n f i g u r a t i o n ，t r a n s p l a n t a t i o n a n d e x p a n d a b i l i t y i ts u p p o r t sg r a p h i c a l ，m o d u l a r p r o g r a m m i n gm o d ea n dn e t w o r ke x p e r i m e n t w h a t sm o r e ，i ti si n t e g r a t e dw i t ht h eo p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n to fa s s i s t a n tt e a c h i n g ，l o c a le x p e r i m e n ta n dn e t w o r ke x p e r i m e n t t h ec o n c e p t o fm o d u l a r i t yi s p r o p o s e dt od e s i g nt h e c o n t r o ls y s t e mf o rt h ee a s yr e a l i z a t i o no ft h e e x p a n s i o no f t h es y s t e ma n dt h er e u s eo ft h es o f t w a r e w i t hf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，t h ev i s u a l m a n a g e m e n t i sa c h i e v e da n dt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yi se n h a n c e d 2 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ma r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d i nt e r m so fh a r d w a r e s y s t e m t h em a i nw o r kf o c u s e so nc h o o s i n gt h em o d eo fc o n t r o l l e ra n dd r i v es y s t e ma n d 也e t ) ，p eo fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，d e s i g n i n gc o n n e c t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e m a f t e rt h a t ，t h e c o n n e c t i n ga n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r es y s t e mh a v eb e e np e r f o r m e d w i t hr e s p e c tt o s o f t w a r es y s t e m ，b a s e do nh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a rd e s i g n i n gi d e a ，t h eg e n e r a la r c h i t e c t u r e a n df u n c t i o n so ft h es o f t w a r es y s t e ma r ed e s i g n e d b a s e do nt h e s ed e s i g n s ，t h ei n t e r f a c e m o d u l a rl i b r a r y , c o n t r o la l g o r i t h mm o d u l a rl i b r a r y , p l a n tm o d e lm o d u l a rl i b r a r y , l a n d i n g i n t e r f a c e ，e x p e r i m e n tm a n a g e m e n ti n t e r f a c e ，a n de x p e r i m e n to p e r a t i o n i n t e r f a c ea r e v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e v e l o p e d 3 t y p i c a le x p e r i m e n t a ld e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha r ei m p l e m e n t e do nt h ea b o v e s y s t e m f i r s t l y , a b o u n de x p e r i m e n t a t i o n sa r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gp vc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l ， f u z z yc o n t r o l ，p o l ep l a c e m e n t ，l q rc o n t r o la n ds l i d i n gc o n t r 0 1 s e c o n d l ye x p e r i m e n t a l c o n t r o lp r o g r a m sa r ee s t a b l i s h e db ym e a n so ft h ed e v e l o p e di n t e r f a c em o d u l a rl i b r a r ya n d a l g o r i t h mf u n c t i o nl i b r a r y f i n a l l yt h e s ee x p e r i m e n t a ls c h e m e sa r ea p p l i e do nt h ec o n t r o l e x p e r i m e n t a ls y s t e m b yt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h eh i g he f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，t h ea c c u r a c yo f t h ed e s i g n e dc o n t r o la l g o r i t h m sa n dt h ec o r r e c t n e s so fm o d u l ee n c a p s u l a t i o na r ev a l i d a t e d 4 t h el a b v i e wr e m o t ep u b l i s h i n gt e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e da n dt h en e t w o r kc o n t r o l a r c h i t e c t u r eb a s e do nb r o w s e r s e r v e ri se s t a b l i s h e d t h r o u g hs e v e r a le x p e r i m e n t s ，t h e e f f e e t i v e n e s so ft h en e t w o r kc o n t r o li sv a l i d a t e do nt h es y s t e m k e y w o r d s ：l a b v i e w ；c o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e m ；m o d u l a rd e s i g n i n g ；r e m o t e ；q u a n s e r v i ， ， j l一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 捅姜i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景与研究意义1 1 2 控制理论实验系统教学现状2 1 2 1 实验系统教学模式2 1 2 2 实验系统教学内容2 1 2 3 实验系统教学仪器。3 1 2 4 实验系统教学存在的问题4 1 3l a b v l e w 概述5 1 3 1l a b v i e w 开发环境的的特点5 1 3 2l a b v i e w 的应用现状6 1 4 本文的主要工作7 第2 章基于l a b v i e w 的控制实验系统的整体设计9 2 1 基于l a b v i e w 的控制实验系统的总体设计9 2 1 1 控制实验系统的设计目标9 2 1 2 控制实验系统的总体架构设计1 0 2 2 基于l a b v i e w 控制实验系统的硬件系统的设计1 1 2 2 1 硬件系统的总体结构设计- 1 1 2 2 。2 硬件系统的各部分组成及原理描述1 2 2 2 3 硬件系统的接线设计1 5 2 3 基于l a b v i e w 控制实验系统的软件系统的设计1 6 2 3 1l a b v i e w 的开发环境1 6 2 3 2 软件系统功能设计1 8 2 3 3 软件系统的整体结构设计1 9 2 3 4 软件系统的子实验系统的设计2 1 2 4 本章小结2 4 第3 章基于l a b v i e w 的控制实验系统的实验设计2 5 3 1 基于l a b v i e w 控制实验系统的实验方案的设计2 5 3 2 直流伺服系统实验设计2 6 3 2 1 直流伺服系统的对象描述2 6 3 2 2 直流伺服系统的数学建模2 6 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 3 直流伺服系统的控制算法设计2 7 3 3 一自由度扭转系统的实验设计3 0 3 。3 。1 一自由度扭转系统的对象描述3 0 3 3 2 一自由度扭转系统的数学建模3 1 3 3 3 一自由度扭转系统位置控制算法设计3 3 3 4 旋转倒立摆系统的实验设计3 7 3 4 1 旋转倒立摆系统的对象描述3 7 3 4 2 旋转倒立摆的系统的数学建模。3 8 3 4 3 旋转倒立摆自动起摆控制算法设计4 0 3 5 柔性臂系统的实验设计4 8 3 5 1 柔性臂系统对象的描述4 8 3 5 2 柔性臂系统的数学建模4 9 3 5 3 柔性臂系统位置控制算法的设计5 1 3 6 网络实验设计5 3 3 7 本章小结5 4 第4 章基于l a b v i e w 的控制实验系统的开发5 5 4 1 数据采集模块5 5 4 2p w m 输出模块5 6 4 3 数字i o 输出模块5 7 4 4 对象模型模块的开发5 8 4 4 1 直流伺服系统模型5 8 4 4 2 旋转倒立摆系统模型5 9 4 4 3 一自由度扭转系统模型5 9 4 4 4 柔性臂系统模型5 9 4 5 算法库模块的开发6 0 4 5 1p v 算法模块6 0 4 5 2l q r 算法模块6 1 4 5 - 3 极点配置算法模块6 2 4 5 4 模糊算法模块6 3 4 5 5 最小方差自校正算法模块6 4 4 5 6 滑模变结构算法模块6 6 4 6 人机界面的开发6 7 4 6 1 登陆界面6 7 4 6 2 实验系统总控界面6 8 4 7 本章小结7 0 第5 章基于l a b v i e w 的控制实验系统的实验研究7 1 5 1 本地实验研究7 1 v i i i 东北大学硕士学位论文目录 5 1 1 实验过程。7 1 5 1 2 旋转倒立摆系统起摆实验研究7 2 5 1 - 3 直流伺服系统的实验研究7 6 5 1 4 一自由度扭转系统的实验研究7 7 5 1 5 柔性臂系统的实验研究7 8 5 2 网络实验研究7 9 5 3 本章小结8 2 第6 章结论与工作展望8 3 参考文献8 5 致谢8 9 攻读硕士期间的主要工作9 1 i x 东北大学硕士学位论文目录 x 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与研究意义 自动控制是一门解决实际问题的一门工程学科。一方面，它要求学生必须掌握专门 的自动控制理论；另一方面，还要求学生将所学到的理论与解决实际问题相结合。因此 实验环节在控制理论的教学中占有重要的地位，通过实验培养学生对控制系统进行分 析、设计、仿真及实验的综合能力，加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，提高 学生运用理论课程中的基本原理和基本方法分析问题和解决问题的能力，是提高学生的 动手能力，培养创造能力和综合素质的有效手段。随着科学技术的飞速发展，各行各业 对自动化人才提出了更高的要求，高水平的大学建设要求学生具有更强的动手实验能力 和解决实际问题的能力，而这些只有通过在教学实验过程中，采用较高水平的教学设备 和实验仪器，使学生在学习理论的同时，真正在计算机控制的较复杂系统上进行较为综 合的实验练习和训练方能达到。 目前在国内，控制理论教学和实验的结合还处于探讨阶段。传统的实验室资源不足， 设备落后，实验操作复杂，造成实验教学模式和实验内容比较单一，多为验证性实验， 设计性实验较少埘，因此不能充分调动学生的积极性，提高学生的创新能力。控制实 验系统的开发没有实现标准化，缺乏开放性咖，教学仪器生产企业把一些机电一体化设 备小型化而成为机电一体的实验平台，其平台可以作为实验设备，但是不够灵活，往往 缺乏系统的实验方法和实验过程的指导口1 。 传统的实验系统软件编程工具多采用基于代码编程语言，如c + + ，s u a l c 抖等， 这对学生的编程能力要求很高，需要花大量的时间去学习编程工具，而且代码编程复杂 繁琐费时，并且不够直观，调试困难，使得软件的开发效率低下、开发质量不宜保证且 开发软件可维护性差。 本文基于图形化的l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 编程软件和q u a n s e r 公司的模块化的、典型的教学实验仪器平台开发一套集实验教学、 自主实验、网络实验、算法研究和验证等功能于一体的综合化控制实验系统。将控制理 论的基本概念与电子线路、执行机构、传感器技术等知识有机的结合起来，可以进行基 础的、验证性的实验训练，增强学生对基本理论知识的掌握和理解，又为学生进行设计 性、综合性的实验锻炼、提高创新思维和解决实际问题能力提供了更多自由发挥的空间 和时间。系统的软硬件设计采用模块化的思想，实现了软硬件资源的有机结合，资源的 共享和综合利用。对硬件来说，根据系统要求和电气特性，按开放式结构设计，不仅方 便安装和维护，降低成本，而且提高了系统的可靠性，系统结构也更为紧凑，可以减少 - 1 第1 章绪论 系统开发的时间和成本。对软件来说，不同的子任务由不同的功能模块实现，使对软件 系统的修改、添加和配置更加方便，提高了实验效率。 1 2 控制理论实验系统教学现状 随着计算机、网络通讯技术的发展与应用，使得教学形式和内容发生了变化，也改 变了实验教学的模式，国内外的高校越来越重视控制理论实验室的建设，引进先前的实 验教学软硬件设备，建立机电一体化的综合实验室，为学生提供了更多实验条件和空间， 激发了学生的学习兴趣，使学生的综合能力得到提升。 1 2 1 实验系统教学模式 目前实验系统的教学从模式上可分为两类。 1 演示型实验系统教学 在这种实验教学方法中，教师讲解实验内容并作示范动作，学生通过观察教师的演 示和实验结果来加深对某个知识点的理解和记忆并作模仿式练习。教师帮助学生解决实 验过程中遇到的各种问题，实验教学秩序井然有序，教学效率较高，但是学生很少讨论、 交流和提出疑问，没有自主权和主动权，在没有猜想和假设的前提下，去完成那些缺少 思维活动的机械操作。从教学目标来看，这种教学模式是“一维 的，它过分强调向学 生传授知识，训练学生熟练操作、掌握实验技能，以结论的形式呈现教学内容，过分注 重知识结论的验证和“学会 课程规定的实验器材的使用。 2 自主、探究性型实验系统教学 自主、探究性实验教学模式的核心思想是，以课题性问题为起点，以实验过程与实 验方法为轴心展开教学，力求使学生主动构建知识与技能，提升情感、态度与价值观。 学生思考、设计、探索、体验在前，教师的讲解、演示、分析、评论在后。学生可自行 选择实验对象，进行系统分析，设计实验方案，进行具体实验操作，完成整个实验过程。 在实验过程中出现了故障和错误，学生自行进行分析，不断改进，知道完成任务。这样 就培养和提高了学生的动手能力以及分析问题和解决实际问题的能力。在实验过程中或 终结阶段，鼓励学生提出问题，并组织学生进行成果交流、讨论，促进同学间的互相学 习【4 】o 自主、探究性实验教学必将改变学生现有的学习方式，更好的培养创新精神，提高 分析、解决问题的能力，解决问题的综合素质。自主、探究性实验教学属于开放性的 实验模式，对实验设备和实验项目的开放性较大，需要投入大量资金购买大量先进的实 验教学设备，满足学生实验要求，而且开放必然要增加对设备的损耗，或者造成人身、 设备的伤害，因此必须投入大量的人力物力，制定完善的实验管理制度。 1 2 2 实验系统教学内容 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 实验教学的内容主要依托相应的课程，包括三个方面的基本训练。一是训练学生了 解基本的实验设备地原理、掌握正确的操作方法；二是通过必要的验证性实验加深学生 对所学基本理论的理解；三是设置综合性实验、设计性实验对学生进行初步工程实践能 力的训练。从实验系统教学的内容上可以分为三类晦m 1 ：基础性实验、综合性实验、设 计性实验。 1 基础性实验 基础性实验主要是验证性实验，包括自动控制系统设计到的元器件实验、传感器实 验、典型环节性能测试等内容。对于第一部分常见的是有关电机方面的实验，包括直流 伺服电机、直流测速电机等。第二部分主要是进行角度、位移等传感器性能测试。第三 部分主要是有关控制系统方面的实验。包括经典控制理论的阶跃特性测试、频率特性测 试、系统串并联校正、根轨迹法校正实验、采样系统的分析实验、非线性系统分析实验 等。基本实验主要是用于本科生阶段的实验教学，首先使学生巩固所学的基本知识，其 次培养学生的基本实验操作技能和方法。 2 综合性实验 综合性实验教学是针对较复杂的实验设备，如倒立摆、球杆系统等，运用基本理论 和先进理论，如现代控制理论、模糊控制、自适应、神经网络等，从剖析系统的结构、 建立系统的数学模型到观察、记录系统运行情况，从而用有关评判一个控制系统的知识 全面地分析、综合这一系统的各项特性，使学生运用所学的知识、技能进行分析和综合。 综合性实验教学综合性实验主要是用于研究生阶段的实验教学。 3 设计性实验 设计性实验是一项综合性较强的工作，它要求学生在具备了一定的实验能力的基础 上，综合利用机械、检测、控制、网络、计算机等知识，用科学的方法、技术来分析、 解决实际的问题。 1 2 3 实验系统教学仪器 一个先进的实验教学系统，应当具有先进的、智能化实验教学设备，将高水平的研 究成果转化为高水平的教学实验，设计出丰富的实验内容，全方位的满足不同层次学生 的教学要求。先进的实验教学设备不仅它能直观地表现各种抽象的控制概念，而且极富 趣味性，提高学生学习的积极性。目前，国内很多重点院校都投入了大量资金进行配备 了大量教学实验设备，建设现代化的教学实验平台。国内教学设备的主要来自浙江天煌 教仪和深圳固高和实验教学设备。 浙江天煌教仪目前提供了了2 6 大系列3 3 0 多种产品，产品几乎涵盖了我国普通高 等教育和职业高等教育电类课程所有的实验内容，包括电工类、电子类、电机类实验装 置；通讯类、信号与系统类、可编程控制类产品；过程控制类、运动控制类等。目前高 3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 校自动化专业配备天煌教仪产品主要是过程控制系列的实验装置，具有综合性强、适用 性强、整套性强、直观性强的特点，是工业常用产品及系统应用的浓缩。主要有计算机 d d c 控制、p l c 控制等。这些控制方式中，既有国内常用的m c g s 、组态王软件的应 用，还有w i n d o u sc e n e t 嵌入式操作系统的应用( 基于嵌入式v c h 编程) 。在这些软 件中，学生或老师可完成各种先进控制算法的编程或调试，如解耦控制，s i m i t h 预估、 内模控制、模糊控制等嗍。但是这些大型的实验装置，成本高，开发周期长，不够灵活， 与控制理论的教学结合的并不十分好，基础性的实验没有得到很好的体现。天煌教仪提 供的运动控制系统产品很少，大多都是整套的控制实验平台，如t h k s k 2 型四轴高级 运动控制开发平台，成本高，产品可扩展性差，软件系统多支持高级语言，主要用于高 级的算法研究，不适合基础实验教学。 深圳固高科技有限公司，是目前国内自动化实验、教学、应用产品研发、生产力最 强的公司，产品丰富，功能多。与天煌教仪相比固高主要提供小型化的运行控制和机电 一体化的实验教学产品，运动控制器和教学产品。具体包括：控制类，如倒立摆，球杆 系统，磁悬浮实验装置等；机电类，如单轴精密定位模块、通用直线模块和x y 工作品 台等：运动控制器类，如g e 系列联系轨迹运动控制器，g t 系列通用运动控制器等。 目前固高的倒立摆系列教学产品在很多高校配采用。固高公司的直线型倒立摆系统产 品，采用开放的控制解决方案和模化化的实验平台，主要组成有，摆体模块，编码器， 伺服电机，控制器板卡模块，功率驱动模块等，主要产品包括一到四级倒立摆。以直线 运动模块为基础平台，可以轻松的构建多种控制教学实验平台，满足全方位控制教学和 研究的需要。但是固高系列的产品仅供应运动控制卡，而外围组建模块需要购买外国产 品。固高公司仅提供产品，往往缺乏实验内容和实验过程的指导。软件方面，主要是基 于高级语言( c ，c + + ，v b ) 等，对学生的编程能力要去较高，算法的实现困难，而且还 要编写复杂的底层驱动协议，造成实验系统的开发时间长，开发质量不易保证，且软件 可维护性差。而且基于高级语言的实验系统教学，缺乏灵活、直观性。基于教学和工程 领域广泛应用的m a t l a b s i m u l i n k 平台，固高公司也推出了系列化通用软件平台， 使得使用固高先进教学产品的控制教学实验和先进算法研究变得无比轻松，但是不前 s i m u l i n k 通用平台涵盖的产品有限，在很多高校还没有普及。 1 2 4 实验系统教学存在的问题 通过对目前实验系统教学的分析，综合来看目前实验系统教学主要存在以下一个问 题。 1 缺乏相对独立、完整的实验教学体系。 往往根据理论教学的需要设置实验，且内容分散，学时偏少。 2 验证性实验内容较多，综合性、设计性实验内容较少。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 实验设备落后，资源不足，利用率较低。 由于资金紧缺等问题，很多高校仍采用传统的模拟式、单板式教学设备，编程复杂， 不能进行动态显示和调整整个过程；由于不同厂商提供的教学产品支持不同的软件环 境，造成不同产品的软硬件无法匹配，实验系统没有统一的标准，使得设备不能得到综 合利用口3 。 4 缺少网络功能 随着网络化技术的发展，控制理论实验室有从本地化向网络化发展的趋势，这样促 进了资源共享、信息交流、避免了实验室的重复建设呻1 ，但在国内网络化实验室建设还 处于探讨阶段，成功的应用案例很少。 1 3l a b v i e w 概述 l a b v l e w 是n i 公司推出的一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件工具 ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器工程平台) 。是目 前国际上惟一的编译型图形化编程语言。l a b v i e w 同传统的编程语言相比，采用图形 化编程方式可以节约8 0 的程序开发时间嘧3 ，而且运行速度和实时性几乎不受影响。 l a b v i e w 内部集成了丰富的网络技术，易于实现控制系统的网络化，使更多的学生能 通过网络进行实验的监控，使实验资源得到共享。l a b v i e w 另一个很重要的特点就是 模块化，提高了软件系统开发的效率，实现了程序的重用，具有良好的可扩展性和交互 性，有利于设计开放的控制系统实验平台。支持可执行代码的生成，便于在不同平台上 移植。 1 3 1l a b v i e w 开发环境的的特点 除了图形化的编程方式简单、方便外，l a b v i e w 的优势还体现在以下几个方面。 ( 1 ) 图形化的强大的分析、处理能力： l a b v i e w 提供了无比强大的分析、处理v i 库及许多专业的工具包n 们，控制系统仿 真工具包、p i d 工具包、模糊控制工具包等。结合l a b v i e w 独特的数据结构( 波形数 据、簇、动态数据类型等) 使得测量数据的分析、处理非常简单、方便、并且实用性很 强。 ( 2 ) 开放的开发平台： l a b v l e w 是一个开放的开发环境，它拥有大量的与其他应用程序进行通信的v i 库 ，提供广泛的软件集成工具、运行库和文件格式，可以方便的与第三方设计和仿真连 接，例如d l l 、共享库。 ( 3 ) 快速的开发 囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 2 4 5 在内的各种仪器通信总线标准的所有 功能函数，通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯n 幻，使用户不必学习仪器的低 - s - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 级编程协议，简化了仪器的控制，缩短开发时间。 ( 4 ) 灵活的仪器 将l a b v l e w 与一般的数据采集及仪器设备加以组合，可以设计出灵活的系统，并 可以随时将仪器系统移植到最适合用户的平台上使用。 ( 5 ) 简单的方案 使用“所见即所得“的可视化技术建立友好的人机界面n 3 1 。 ( 6 ) l a b v l e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其他用解释方式运行程序 的图形化编程平台运行速度慢的缺点n 钔。 ( 7 ) l a b v i e w 具有很强的通信能力。它的t c p i p 和网络能够与应用系统通信， i n t e m e t 工具箱还为应用系统增加了e m a i l 、f t p 和w e b 能力幽1 。利用远程自动化还可 以对其他设备进行分散控制。 1 3 2l a b v i e w 的应用现状 l a b v i e w 作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，在国内外己经被认识和推广、应用， 它促进了测试领域的技术革命，在航空、航天、通信、半导体生物医学以及科研及教育 域等众多领域都得到了广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业 自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现l a b v i e w 的研究 成果和开发的产品。 目前在国内l a b v i e w 主要应用在测量测试和过程控制领域，在实验系统教学方面 的应用较少。而在国外很多高校都将l a b v i e w 引入控制理论的教学和实验研究n 钔。在 国外一些发达国家的高等院校，为了将抽象的控制问题更形象更直观的展现给学生使学 生更容易接受，都配备机械教学系统如倒立摆、直流电机等直线型和旋转控制对象，建 立控制系统设计、仿真、实验的机电一体化的综合实验室，全方位的满足