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【摘要】針對目前課程設計實踐教學過程中操作調試復雜的現象，提出一種基于labview的虛擬平臺輔助教學模式。該模式可以降低課程設計實踐操作過程中的復雜程度，使實踐調試的過程更加直觀。以直流電機的電流閉環控制實驗為例，展示LabVIEW虛擬平臺在實踐教學中的應用。實驗表明，在實踐教學過程中最為復雜的環節是PID的系數調試，借助以LabVIEW虛擬平臺為基礎開發的PID調試助手，不僅能快速確定PID系數值，還能形象地展示控制過程的教學效果，有利于提升學生的實踐創新能力。
【關鍵詞】實踐教學；課程設計；LabVIEW虛擬平臺；PID系數
0引言
“電子技術課程設計”是高校自動化、電子信息科學與技術及機器人等工科專業的重要專業核心課程[1]。該課程是專門研究電子技術的應用實踐課程，也是理論知識過渡到實踐工程設計的橋梁。“電子技術課程設計”的教學內容涉及數電、模電、通信、微機和程序編寫等多方面的知識，課程的實踐教學內容是通過軟件程序設計驅動硬件電路實現產品功能，因此是一門軟硬件相結合的課程[2-3]。在實踐教學過程中，程序編寫后植入可編程邏輯芯片，觀察硬件運行效果。只根據硬件運行情況往往無法判斷程序信號的流向，導致學生對程序設計無從下手，覺得課程知識晦澀難懂，從而對“電子技術課程設計”的學習失去興趣，教學效果不理想。因此，傳統教學手段已經無法滿足培養高素質應用型人才的需求。筆者從虛擬平臺著手，將LabVIEW虛擬平臺應用于“電子技術課程設計”實踐教學中，豐富教學手段，提高學生的實踐創新能力[4]。以電機電流閉環控制的PID算法系數設置為例，詳細講述LabVIEW虛擬平臺在“電子技術課程設計”中的應用[5]。實驗表明，基于LabVIEW虛擬平臺開發的PID調試助手將程序過程中PID算法系數設置教學內容形象化、直觀化，使得難以觀察的數據直接顯示出來，激發了學生的學習興趣，改善了課程的教學效果[6]。
1實踐教學內容與原理
筆者使用PID算法對直流電機進行電流控制，實現電機工作電流快速達到預設值從而達到電機控制的目的[7]。一般的情況下，電機的工作電流與扭矩成正比，因此電流閉環控制的本質是對直流電機的扭矩進行控制，控制電流是為了實現控制電機的恒定扭矩輸出。而電流閉環控制是將PID算法運用在電流控制上，形成環路控制。主要操作步驟是先對電機的電流進行采樣，得到反饋值n(t)，然后與設定目標值進行比較，將偏差進行比例、積分、微分運算，將最終結果輸出到電機上，控制電機電流在目標電流附近，電流的閉環控制模型如圖1所示。通過PID算法離散表達式為()PID10kkkJkkJukekekee−==×+∑+−式中，k為采樣序號，k=0,1,2,3…；uk為第k次采樣時刻的計算機輸出值；ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值；ek-1為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；kI代表積分系數，kI=kP×T/TI；kD為微分系數，kD=kP×TD/T。PID算法公式離散化后的常數化簡為3個系數kP、kI、kD，故本次調試只需要這3個系數即可實現電流閉環控制。
2教學實踐存在的問題
在電機電流閉環控制的實驗教學過程中，最為復雜的部分就是電流閉環控制系統中PID算法的系數調試環節[8-9]。根據PID算法的工作原理，需要在程序設計過程中設置系數值，才能運行程序觀察硬件的運行效果[10]。但由于PID算法的系數有3個值需要確定，因此調試過程十分復雜，難以達到實驗效果。為了解決PID算法的系數值確定問題，基于LabVIEW虛擬平臺開發了PID調試助手。該助手主要功能是把PID算法的系統值發送到下位機控制系統進行運動控制，同時下位機把電機的電流值反饋到上位機PID調試助手上，并顯示出對應的波形圖，通過對比預設值的電流波形圖判斷PID算法的系數值設置是否準確，PID調試助手工作效果如圖2所示。
3基于LabVIEW虛擬平臺的PID調試助手開發
LabVIEW是一種圖像化編程語言，采用數據流編程方式完成程序設計，LabVIEW程序設計流程如圖3所示。根據實踐教學的具體需求，PID調試助手主要分為虛擬儀器的前面板及后面板的程序設計。
3.1PID調試助手前面板設計。PID調試助手的前面板如圖4所示，總體上分成3個模塊：①串口設置模塊，主要負責與下位機的通信協議設置，完成上位機與下位機之間的通信；②PID目標值設置模塊，包含了PID的系數的輸入和電流目標值的預設；③波形顯示模塊，接收串口通信下位機傳輸回來的信息并顯示出來。
3.2PID調試助手后面板程序設計。PID調試助手的主程序設計包含了3個模塊，分別為PID算法系數的處理模塊、串口數據發送模塊及串口數據接收模塊。
4LabVIEW虛擬平臺在“電子技術課程設計”教學中的應用
基于LabVIEW虛擬平臺開發的PID調試助手主要功能是在進行PID系統調試過程中，在PID目標值中填寫相應的系數值發送到下位機主控板上，主控板執行程序并把運行結果數據發回調試助手，調試助手把數據有序地顯示出來。在實踐授課過程中，使用調試助手協助PID算法的系數標定。利用PID調試助手設置積分系數與微分系數為0時，由小到大改變比例系數，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制波形為止；取當前比例系數值0.85倍時，由小到大增加積分系數，直至求得滿意的控制波形圖；積分系數保持不變，調整微分系數，觀察控制波形有無改善，直到波形合適為止，力求改善控制波形的走勢，如此反復測試直到找到滿意的系數為止。
5結語
在教學實踐中，如何結合先進計算機技術、實驗教學平臺技術和多媒體技術等提高實踐教學的質量與效率，促進學生的理論知識與實踐操作相融合，達到最優的教學效果，是每位實踐教學工作者應該密切關注的事情。通過介紹基于LabVIEW虛擬平臺設計的PID調試助手在“電子技術課程設計”實踐教學中的應用，讓學生直接觀察PID算法的系數值對控制過程的影響。實踐表明，LabVIEW虛擬平臺具有很好的擴展性，能夠在控制領域具有很好的應用。利用該虛擬平臺，學生可以根據實踐過程中的需求，自主開發模塊改善實驗條件和實驗參數，達到不同的實踐效果，形成以學生為主導的創新性實驗模式，提高學生工程創造能力。
作者：陳錦儒 單位：韶關學院智能工程學院