基于LabVIEW的工业控制实验教学系统研究与开发

论文摘要

实验是高校工科教育中不可缺少的一部分，高校的不断扩招和传统的实验设备功能单一固定、价格昂贵的特点，导致了实验教学的不足。虚拟实验是将计算机技术和虚拟仪器相结合，给用户提供一个逼真的虚拟环境，来完成各种各样的实验。与传统实验设备相比，网络虚拟实验平台成本更低，可扩展性更强。因此，在实验教学和研究领域中，有相当大的应用前景，是目前研究的重点。本课题主要完成了以下几个方面的工作：首先，立足于高校工科实验教学的现状，从理论与实践、研究与应用等方面，分析了对实验设备和实验环境进行改进的必要性。介绍了虚拟仪器的功能及特点，讨论了虚拟仪器技术在实验教学中应用的相关问题；然后，从需求分析出发，通过对几种编程语言的比较，分析了图形化编程语言LabVIEW作为开发工具的优势，以其开发周期短、无需编程基础和可扩展性强等特点，决定了建立虚拟实验系统的可行性，从而确定了虚拟实验系统的整体结构，完成了虚拟实验平台的开发；以“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”为原型，通过理论建模的方法建立了液位控制和温度控制的数学模型，选择相对成熟且控制效果较好的PID控制作为控制方式，结合模糊控制，设计了三个典型的工业控制虚拟实验，包括温度控制，液位控制以及温度和液位的解耦控制；最后，把LabVIEW和Access相结合完成了实验系统管理模块的设计，可进行用户信息和实验信息的管理。通过分析和比较C/S模式和B/S模式的优缺点，选择更加安全、更加灵活的B/S组网模式对虚拟实验系统进行了网络化，使实验不受时间和地点的限制。本课题选择LabVIEW作为软件开发平台。充分利用了其编程简单、开发时间短、模块化的优点，设计的虚拟实验系统性能更加灵活，升级和维护更加容易，实用性更好，同时减少了实验设备的维护和维修费用。经过实验证明了该虚拟实验系统的有效性。同时，该系统充分利用了网络资源，减少了硬件的投入，提高了实验的安全性，对于改进教学手段和提高实验质量具有重大的现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 虚拟实验室简介
• 1.2 虚拟实验室国内外研究现状
• 1.3 本课题的目的和意义
• 1.4 本课题的重点内容
• 2 虚拟实验系统的整体结构
• 2.1 整体设计思路
• 2.1.1 具备的功能
• 2.1.3 各种软件的比较
• 2.2 系统方案的制定
• 2.2.1 系统整体结构
• 2.2.2 虚拟实验系统的模块
• 3 虚拟实验系统的网络化
• 3.1 数据采集与通信方式的选择
• 3.1.1 远程数据采集的实现
• 3.1.2 B/S 和 C/S 模式
• 3.2 数据库的设计
• 3.2.1 用户注册模块的设计
• 3.2.2 登陆模块的设计
• 3.2.3 管理模块的设计
• 3.2.4 Access 数据库的设计
• 3.3 虚拟仪器整体结构的设计
• 4 信号的采集
• 4.1 数据采样的基本原理
• 4.1.1 评价标准
• 4.1.2 信号调理
• 4.1.3 函数的 I/O 功能
• 4.1.4 显示方式
• 4.2 实验系统的设置
• 4.2.1 硬件结构
• 4.2.2 实验室结构
• 5 基于 LabVIEW 的控制系统仿真实现
• 5.1 工业控制系统建模
• 5.1.1 单容水箱液位控制系统建模
• 5.1.2 双容水箱液位控制系统建模
• 5.1.3 锅炉内胆温度控制系统建模
• 5.2 控制方法
• 5.2.1 各种控制方式
• 5.2.2 PID 控制器的设计
• 5.2.3 模糊 PID 设计
• 5.3 实现界面
• 5.4 网络设置
• 5.5 后面板程序的设计
• 5.5.1 后面板程序的编写
• 5.5.2 循环模块
• 5.5.3 显示部分
• 5.5.4 存储部分
• 6 系统测试与结果分析
• 6.1 实验硬件
• 6.2 虚拟实验测试
• 7 结论与前景分析
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明