第一章绪论
1.1虚拟仪器的国内外研究动态
1.1.1虚拟仪器的概述
虚拟仪器的起源可以追溯到上个世纪70年代，现在所谓的虚拟仪器是指由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器相比与传统仪器具有更完善的功能，用户可根据实验需求在计算机的屏幕上模拟出仪器的前面板，可自行完成仪器的功能的定义和设计，达到实验的目的。并且该模拟面板和真实实验仪器的前面板具有相同的功能，其不仅可以完成仪器参数的调整，而且还可以直观的通过显示控件看到实验的输出结果。
与国外发达国家相比较，我国的虚拟仪器的开发研究起步较晚，直到上个世纪年代中后期才引入虚拟仪器这一概念。近些年来，虽然国内的一些大学及公司等科研单位，在引进消化公司和公司的产品、研宄虚拟仪器设计平台以及开发虚拟仪器产品等方面做出了一系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。但是由于我国在电子测试技术、电子技术，高性能电子器件等虚拟仪器开发的关键技术上和欧美发达国家存在一定差距，所以总体来说我国的虚拟仪器技术的研宄和开发水平仍处于起步阶段。
1.2课题研究的意义
《计算机控制系统》是研宄离散化系统或近似离散系统的理论性很强的控制类课程，由于课程的实践性较强，且理论概念又枯燥难懂，在教学中学生经常会纠结于复杂的数学运算无法掌握其基本概念。所以为了让同学更好的掌握课程内容，迫切需要在教学过程中增加实验的环节，将抽象的理论知识可视化。并且通过一定数量的验证性实验和综合设计实验的操作，使学生真正理解计算机控制系统的基本概念，掌握控制器设计的基本方法，并初步形成处理现实问题的能力。然而搭建计算机控制系统的实验平台，需要购买特定的实验仪器，大大的增加了教学成本。但是随着科学技术的发展，结合了计算机技术、数字信号处理技术、软件工程技术、标准总线技术的虚拟仪器技术的出现，提供了新的解决途径。我们可以运用计算机的强大的计算功能和图像处理能力，构建计算机控制虚拟仿真实验系统，通过虚拟仿真实验对课程的相关内容进行演示、说明。
该虚拟实验系统界面简洁美观、操作十分简单，只需借助现有的计算机便能获得良好的教学实验效果，避免了大量实验设备的购置，并且此类实验内容能不断扩展更新，使得学校无须顾忌它的使用寿命。
另外该虚拟实验系统完全配合《计算机控制系统》的教学内容而开发研制的，其展示的图片和曲线都是根据输入的参数计算获得，在可视性、互动性和科学性方面具有突出优势。学生可通过对各个实验部分的操作，完成课程的相关理论计算和结论验证，从而增加了对枯燥数学理论的感性认识，提高了学习兴趣和教学质量。因此，运用计算机为本科教学设计和开发一个合适和综合的计算机控制理论虚拟教学实验系统是具有实际意义的，并且可作为大学实验室的未来发展方向。
第二章虚拟教学实验系统的总体设计
本章的主要内容是首先简单介绍了计算机控制系统理论的发展；然后详细阐述了该虚拟实验系统的应用环境、总体设计方案和设计步骤；最后介绍了该虚拟实验系统应用程序的生成办法。
2.1计算机控制系统理论的发展
在现代工业控制体系中，随着工业产品设计的复杂化、多样性、人性化，使得人们对生产控制系统的要求更加复杂化，准确化，高效化，然而传统连续化控制方法己无法满足系统控制要求。随着计算机技术的发展，计算机的成本大幅度降低，另一方面计算机控制系统理论的分析方式和设计方法正不断地日臻完善，因此运用计算机进行机械系统的离散控制方法逐渐代替传统连续化控制方法成为未来发展方向。
计算机控制理论虚拟实验系统是以演示课程所涉及的基本理论概念，加深对课本知识理解为目的，开发的一款虚拟教学辅助软件。该虚拟实验系统釆用了模块化的设计方案，其内容主要包括数学模型实验模块、系统稳定性判据实验模块、系统稳态误差计算实验模块、系统动态性能指标实验模块、数字控制器设计方法介绍模块、PID位置型控制器设计实验模块、最小拍原理控制器设计实验模块、采煤机滚筒调高实验模块、车床进给伺服系统实验模块以及双容箱液位控制系统实验模块。其中每个模块都是一个实验子系统，具有自己的用户界面，可独立完成特定的实验任务；并且每个实验模块都是通过主程序进行控制和调用。如图2-1所示为该虚拟实验的系统结构图。
2.2虚拟实验系统总体的设计实现
该课题设计出一个具有良好用户界面的综合实验平台，用于完成计算机控制理论的九个基本实验内容。为此首先需要构建一个开始界面，在此界面上，集成了系统界面控件与各实验子系统模块的前面板。用户可通过对系统界面控件的调用，驱动系统的各个实验子系统模块，以完成不同的教学实验演示的任务。
如图2-2所示，界面左边有10个按钮，右边为显示窗口，学生只要按下相应的按钮，显示窗口就会显示相应实验模块的前面板。当前为系统初始化后的开始界面。该设计采用了基于生产者消费者结构的程序架构，并运用了子面板技术和动态调用VI技术，实现程序界面的切换以及子程序的调用、载入和显示。
2.2.1设计中使用的主要函数及控件简介
该系统主程序设计中主要使用的函数与控件包括：枚举常量、队列I/O操作函数、文件操作函数以及调用节点，各函数具体功能介绍，如表2-1所示。
第三章计算机控制系统的基础理论实验..........19
3.1数学模型实验的总体设计..........19
3.2数学模型实验的前面板设计.......20
第四章计算机控制系统的性能分析实验..........33
4.1系统稳定性判据实验的设计.......33
4.1.1系统稳定性判据介绍.......33
第五章计算机控制系统的控制器设计实验........45
第六章典型系统的控制器设计实验
本章以釆煤机滚筒调高控制系统、车床进给伺服控制系统和双容水箱液位控制系统为例，介绍了采煤机滚筒调高控制系统、车床伺服系统和水箱液位控制系统的数学模型的建立过程，并且分别通过数字PID、根轨迹法和FUZZY控制算法完成系统控制器的设计实验。
6.1采煤机滚筒调高系统
6.1.1采煤机滚筒调高系统的介绍
如图6-1所示，为MG1100/2860-WD型号的滚筒式采煤机调高系统的液压控制系统图。其执行机构采用了电液比例换向阀控制非对称液压虹的控制模式，以保证其调高系统良好的位置控制特性和动态特性。在系统工作时，首先由工控机给定调高信号（一般为控制电压）经过放大器放大后转变为电流信号。然后输送至电磁比例先导阀使电磁铁得电，产生与输入信号成比例的电磁力控制阀芯移动位移和进入液压紅的流量，进而推动液压虹活塞的移动以及驱动摇臂进行调高。另外液压紅活塞的位移信号经过位置传感器转化成电信号反馈给比较器，与给定的控制电压相比较，形成闭环控制系统。
第七章结论及展望
《计算机控制系统》是机械类机电专业的基础课程，是一门研究线性离散系统或近似离散系统的理论性很强的课程。由于课程的实践性较强，且概念抽象、难懂理论，在实际教学过程中发现学生们很难理解其数学模型——脉冲传递函数。所以迫切需要通过实验的环节，将枯燥的理论知识进行可视化，从而加深对计算机控制理论的理解。由于搭建计算机控制系统的实验平台，需要购买特定的实验仪器，所以我们可以利用计算机强大的计算功能和图像处理能力，建立计算机控制理论虚拟仿真实验系统，完成课程相关内容的实验。
7.1主要结论
通过该虚拟实验系统中的分析实验和综合实验，解决了《计算机控制系统》教学手段单一，课堂教学效果不佳的问题，帮助同学更直观地理解计算机控制的理论知识，掌握控制器设计的基本方法，并初步形成处理实际问题的能力。另外该虚拟实验系统界面简洁美观、操作简单、配置要求低，只需借助大学校园内现有的计算机资源便能获得良好的教学实验效果，避免了大量实验设备的购置，并且此类实验内容能不断扩展更新，使得学校无须顾忌它的使用寿命，所以该虚拟实验系统完全可以运用于课堂教学过程中。
该虚拟实验系统已在计算机控制系统的教学中投入使用，并取得良好效果。它不仅提高了教学质量和课堂的效率，而且加强了学生们对枯燥的数学理论知识的感性认识，促进了学生们对计算机控制理论的学习兴趣，提高了课堂教学质量。
参考文献（略）
