【摘要】针对目前课程设计实践教学过程中操作调试复杂的现象，提出一种基于LabVIEW的虚拟平台辅助教学模式。该模式可以降低课程设计实践操作过程中的复杂程度，使实践调试的过程更加直观。以直流电机的电流闭环控制实验为例，展示LabVIEW虚拟平台在实践教学中的应用。实验表明，在实践教学过程中最为复杂的环节是PID的系数调试，借助以LabVIEW虚拟平台为基础开发的PID调试助手，不仅能快速确定PID系数值，还能形象地展示控制过程的教学效果，有利于提升学生的实践创新能力。
【关键词】实践教学；课程设计；LabVIEW虚拟平台；PID系数
0引言
“电子技术课程设计”是高校自动化、电子信息科学与技术及机器人等工科专业的重要专业核心课程[1]。该课程是专门研究电子技术的应用实践课程，也是理论知识过渡到实践工程设计的桥梁。“电子技术课程设计”的教学内容涉及数电、模电、通信、微机和程序编写等多方面的知识，课程的实践教学内容是通过软件程序设计驱动硬件电路实现产品功能，因此是一门软硬件相结合的课程[2-3]。在实践教学过程中，程序编写后植入可编程逻辑芯片，观察硬件运行效果。只根据硬件运行情况往往无法判断程序信号的流向，导致学生对程序设计无从下手，觉得课程知识晦涩难懂，从而对“电子技术课程设计”的学习失去兴趣，教学效果不理想。因此，传统教学手段已经无法满足培养高素质应用型人才的需求。笔者从虚拟平台着手，将LabVIEW虚拟平台应用于“电子技术课程设计”实践教学中，丰富教学手段，提高学生的实践创新能力[4]。以电机电流闭环控制的PID算法系数设置为例，详细讲述LabVIEW虚拟平台在“电子技术课程设计”中的应用[5]。实验表明，基于LabVIEW虚拟平台开发的PID调试助手将程序过程中PID算法系数设置教学内容形象化、直观化，使得难以观察的数据直接显示出来，激发了学生的学习兴趣，改善了课程的教学效果[6]。
1实践教学内容与原理
笔者使用PID算法对直流电机进行电流控制，实现电机工作电流快速达到预设值从而达到电机控制的目的[7]。一般的情况下，电机的工作电流与扭矩成正比，因此电流闭环控制的本质是对直流电机的扭矩进行控制，控制电流是为了实现控制电机的恒定扭矩输出。而电流闭环控制是将PID算法运用在电流控制上，形成环路控制。主要操作步骤是先对电机的电流进行采样，得到反馈值n(t)，然后与设定目标值进行比较，将偏差进行比例、积分、微分运算，将最终结果输出到电机上，控制电机电流在目标电流附近，电流的闭环控制模型如图1所示。通过PID算法离散表达式为()PID10kkkJkkJukekekee−==×+∑+−式中，k为采样序号，k=0,1,2,3…；uk为第k次采样时刻的计算机输出值；ek为第k次采样时刻输入的偏差值；ek-1为第k-1次采样时刻输入的偏差值；kI代表积分系数，kI=kP×T/TI；kD为微分系数，kD=kP×TD/T。PID算法公式离散化后的常数化简为3个系数kP、kI、kD，故本次调试只需要这3个系数即可实现电流闭环控制。
2教学实践存在的问题
在电机电流闭环控制的实验教学过程中，最为复杂的部分就是电流闭环控制系统中PID算法的系数调试环节[8-9]。根据PID算法的工作原理，需要在程序设计过程中设置系数值，才能运行程序观察硬件的运行效果[10]。但由于PID算法的系数有3个值需要确定，因此调试过程十分复杂，难以达到实验效果。为了解决PID算法的系数值确定问题，基于LabVIEW虚拟平台开发了PID调试助手。该助手主要功能是把PID算法的系统值发送到下位机控制系统进行运动控制，同时下位机把电机的电流值反馈到上位机PID调试助手上，并显示出对应的波形图，通过对比预设值的电流波形图判断PID算法的系数值设置是否准确，PID调试助手工作效果如图2所示。
3基于LabVIEW虚拟平台的PID调试助手开发
LabVIEW是一种图像化编程语言，采用数据流编程方式完成程序设计，LabVIEW程序设计流程如图3所示。根据实践教学的具体需求，PID调试助手主要分为虚拟仪器的前面板及后面板的程序设计。
3.1PID调试助手前面板设计。PID调试助手的前面板如图4所示，总体上分成3个模块：①串口设置模块，主要负责与下位机的通信协议设置，完成上位机与下位机之间的通信；②PID目标值设置模块，包含了PID的系数的输入和电流目标值的预设；③波形显示模块，接收串口通信下位机传输回来的信息并显示出来。
3.2PID调试助手后面板程序设计。PID调试助手的主程序设计包含了3个模块，分别为PID算法系数的处理模块、串口数据发送模块及串口数据接收模块。
4LabVIEW虚拟平台在“电子技术课程设计”教学中的应用
基于LabVIEW虚拟平台开发的PID调试助手主要功能是在进行PID系统调试过程中，在PID目标值中填写相应的系数值发送到下位机主控板上，主控板执行程序并把运行结果数据发回调试助手，调试助手把数据有序地显示出来。在实践授课过程中，使用调试助手协助PID算法的系数标定。利用PID调试助手设置积分系数与微分系数为0时，由小到大改变比例系数，观察控制过程，直到获得满意的控制波形为止；取当前比例系数值0.85倍时，由小到大增加积分系数，直至求得满意的控制波形图；积分系数保持不变，调整微分系数，观察控制波形有无改善，直到波形合适为止，力求改善控制波形的走势，如此反复测试直到找到满意的系数为止。
5结语
在教学实践中，如何结合先进计算机技术、实验教学平台技术和多媒体技术等提高实践教学的质量与效率，促进学生的理论知识与实践操作相融合，达到最优的教学效果，是每位实践教学工作者应该密切关注的事情。通过介绍基于LabVIEW虚拟平台设计的PID调试助手在“电子技术课程设计”实践教学中的应用，让学生直接观察PID算法的系数值对控制过程的影响。实践表明，LabVIEW虚拟平台具有很好的扩展性，能够在控制领域具有很好的应用。利用该虚拟平台，学生可以根据实践过程中的需求，自主开发模块改善实验条件和实验参数，达到不同的实践效果，形成以学生为主导的创新性实验模式，提高学生工程创造能力。
作者：陈锦儒 单位：韶关学院智能工程学院