现代控制工程基础虚拟实验系统的研究

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“现代控制工程”是机械类专业的一门必修课程,其中状态空间法的应用,加深了人们对控制领域的一些重要问题的认识,也使人们能较容易的解决多输入—多输出系统的问题,并且提供了将线性定常系统中的结论推广到复杂系统中的手段。但是在教学中学生很难掌握在其状态空间中的数学模型-状态方程。因此迫切需要通过实验的方式将抽象的理论可视化,加深学生对现代控制理论的理解。又鉴于现代控制理论主要依据的是状态方程,并不能通过实际的实验仪器来进行实验,但是随着科学技术的发展,计算机技术、仪器技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑—虚拟仪器技术,所以我们可以借助计算机强大的分析能力,构建现代控制工程虚拟实验系统,完成实验。现代控制工程虚拟实验系统采用的软件开发平台为LabVIEW 8.60和控制设计与仿真工具包。LabVIEW软件是目前最流行的虚拟仪器的开发平台,它最大的特点就是采用了图形化的编程方式。该虚拟实验系统主要是对现代控制理论中的五个基本概念或者定理进行了介绍和实验分析,包括现代控制理论的数学模型-状态空间与古典控制理论的数学模型-传递函数之间互换的实验;实现线性连续系统的离散化的实验;根据系统的状态方程判定系统的能控性与能观测性的实验;通过用极点配置法得到状态反馈矩阵和带观测器的状态方程的实验;依据李亚普诺夫稳定性理论判定系统平衡状态的稳定性的实验。最后通过对实际的APC系统的分析进一步展示了现代控制理论的应用。在总体结构的设计中,由于该虚拟实验系统需要包含的内容很多,所以采用了子面板技术,通过事件结构和按钮的结合完成子程序的调用。并且通过枚举常量、队列控件和while循环的移位寄存器的结合解决了调用不同子程序时的冲突问题。另外在如何调用子程序的设计中,为了简化调用的路径,还采用了一系列的创建路径、拆分路径等函数。最后为了使得界面美观,设置了窗口的属性及不同控件的显示颜色和显示方式。在各个实验的设计中均采用了控制设计与仿真工具包中一系列的Ⅵ程序,例如在数学模型实验中采用"Convert to State-Space ModelⅥ"和"Draw State-Space EquationⅥ"实现传递函数向状态方程的转换。该虚拟实验系统简单且易操作,完全配合了《现代控制工程》的教学课程。现在已经开始应用到教学中,并收到了良好的教学实验效果。学生们不仅从其中的各个实验部分更深的了解了那些枯燥的数学理论,而且加强了他们的感性认识,提高了学习兴趣。另外学校内计算机的广泛应用也表明,利用计算机开发一个合适的现代控制工程虚拟教学实验系统是有很大的发展前景的。而且也将是高校实验室未来发展的方向。
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