費(fèi)紅姿， 劉 友， 范立云， 費(fèi)景洲， 劉盛希蕊

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

自動(dòng)控制原理及實(shí)驗(yàn)課程是一門面向研究型大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)及其他工程類專業(yè)的主干課程，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論和技術(shù)在航天航空、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入。為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和新世紀(jì)對(duì)自動(dòng)化人才的要求，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革和優(yōu)化，是“自動(dòng)控制原理”課程發(fā)展的必然要求[1-4]。

虛擬儀器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的儀器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，它可為用戶提供更廣闊的發(fā)揮空間[5-7]。基于虛擬儀器技術(shù)建立的自動(dòng)控制原理開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，一方面給予學(xué)生更大的發(fā)揮空間;另一方面也能夠適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展及教學(xué)內(nèi)容的不斷更新[8-10]。ELVIS是NI公司推出的虛擬儀器平臺(tái)，在此平臺(tái)上充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的說(shuō)法[11-12]，與傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置相比，它具有可擴(kuò)展、集成度高、在線編程方便等優(yōu)越性。本文應(yīng)用NI公司ELVISⅡ建立了“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將原來(lái)單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锇l(fā)展為開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為學(xué)生提供一個(gè)開(kāi)放式的軟件及硬件平臺(tái)，并結(jié)合專業(yè)方向，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)案例。

1 ELVIS結(jié)構(gòu)與性能

NI ELVISⅡ是基于圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原型創(chuàng)建環(huán)境，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ELVISⅡ結(jié)構(gòu)

ELVISⅡ平臺(tái)上集成了許多功能性儀器，如電源、波形發(fā)生器、萬(wàn)用表、原型板等，做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需必要的電子元器件，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置相比，它的實(shí)現(xiàn)更具優(yōu)越性[13-14]。此外，因?yàn)?ELVIS平臺(tái)具有數(shù)據(jù)采集功能，可以直接把模擬信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中，所以測(cè)試控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能只需要連線和軟件編程。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常要用到單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，原理復(fù)雜且不便調(diào)試。ELVIS平臺(tái)附加功能強(qiáng)大，用戶界面豐富，可以通過(guò)其開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)更多的功能，為自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建奠定了基礎(chǔ)。

2 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>

基于ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制原理開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鐖D2所示。該方案的特點(diǎn)是學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案或者對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新及驗(yàn)證，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體驗(yàn)到學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的樂(lè)趣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒殖蓛蓚€(gè)階段，設(shè)計(jì)階段和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證階段。

(1)設(shè)計(jì)階段。首先由老師根據(jù)學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)需求提煉經(jīng)典案例，給出控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求;學(xué)生根據(jù)性能指標(biāo)要求。自主設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案，包括建模、分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。方案設(shè)計(jì)完成后提交指導(dǎo)老師審核，如果有問(wèn)題則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改，如果合格則進(jìn)入下一階段。

(2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證階段。在ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提供了原型實(shí)驗(yàn)板，板上提供了電源、波形發(fā)生器、萬(wàn)用表及數(shù)據(jù)采集模塊等，硬件設(shè)計(jì)過(guò)程是指學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案在此平臺(tái)上連接不同的模塊，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以搭建模擬電子電路來(lái)模擬被控對(duì)象或者執(zhí)行裝置等，再組成閉環(huán)系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)主要是指控制器的設(shè)計(jì)，經(jīng)典的有PID控制、現(xiàn)代的有極點(diǎn)配置和智能控制等方法，這些設(shè)計(jì)方法在NI公司LabVIEW軟件平臺(tái)上都可以方便地實(shí)現(xiàn)。此外，軟件設(shè)計(jì)還包括數(shù)據(jù)采集設(shè)置和系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改，系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。

圖2 自動(dòng)控制原理開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

3 應(yīng)用實(shí)例

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是控制理論在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)中的典型應(yīng)用，其基本原理是通過(guò)控制執(zhí)行器齒桿的位置來(lái)調(diào)節(jié)柴油機(jī)噴油量，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制。本節(jié)在ELVIS虛擬儀器平臺(tái)上對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

3.1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理

圖3為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖，該控制系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)速、齒桿位移為控制目標(biāo)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是齒桿位置控制，外環(huán)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制。采用雙閉環(huán)控制方式，可以大大增加抗干擾能力，有效提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖3 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖

由于實(shí)際的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，也不直觀，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單演示，很難讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了將自動(dòng)控制理論與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，驗(yàn)證柴油機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)性能，本文在NI公司ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了基于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速模擬控制系統(tǒng)案例。

3.2 系統(tǒng)建模與仿真電路設(shè)計(jì)

在ELVIS虛擬儀器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，首先需要將柴油機(jī)和執(zhí)行器的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，化簡(jiǎn)成可以用模擬電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，忽略柴油機(jī)的非線性因素，柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以近似為由一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)滯后環(huán)節(jié)組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)[15]，即為

時(shí)間滯后常數(shù)τ取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、汽缸數(shù)以及沖程數(shù)，按下列式估算:

式中:n為柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min);q為柴油機(jī)的氣缸數(shù)目。

對(duì)于295D柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min，氣缸數(shù)目為 2，沖程數(shù)為 4，Td=0.8，Tg=1，由式(2)可近似求得 τ=0.09 s，則根據(jù)式(1)，柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以化簡(jiǎn)為

根據(jù)式(3)，柴油機(jī)的模擬仿真電路可由電阻、電容和放大器組成的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)得到，如圖4所示。圖中 R1=R2=8 kΩ，R3=R4=9 kΩ，C1=100 μF，C2=10μF。

圖4 柴油機(jī)模擬仿真電路模型

通常比例電磁鐵執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)[15]，其傳遞函數(shù)為

式中:Tk為執(zhí)行器慣性系數(shù);k為常數(shù)，在電磁力的作用下，齒條位置與驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本文選用的比例電磁鐵的參數(shù)為:Tk=0.1，k=0.3。其傳遞函數(shù)為

執(zhí)行器相當(dāng)于一階慣性環(huán)節(jié)，其模擬仿真電路模型如圖5 所示。圖中 R1=3.3 kΩ，R2=1 kΩ，C=100 μF。

圖5 執(zhí)行器模擬仿真電路模型

圖6為在ELVIS原型實(shí)驗(yàn)板上搭建的柴油機(jī)和執(zhí)行器的模擬仿真電路模型。

圖6 柴油機(jī)和執(zhí)行器仿真電路模型搭建

3.3 控制器設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)都采用PID控制器，應(yīng)用LaVIEW軟件編寫(xiě)，圖7為程序框圖。圖8為系統(tǒng)仿真界面，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入、輸出信號(hào)顯示，在線修改PID控制參數(shù)等。

圖7 雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真界面

本文基于ELVIS虛擬儀器建立了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯?。同時(shí)，結(jié)合學(xué)生專業(yè)方向，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)案例。實(shí)踐表明，基于ELVIS的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，學(xué)生易于掌握和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)中的操作方便省時(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可面對(duì)更多課程的實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐及創(chuàng)新機(jī)會(huì)。總之，基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在高校實(shí)驗(yàn)室中有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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