1、. 畢業(yè)論文虛擬儀器在自動(dòng)控制原理題 目:實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用LabVIEW在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用摘 要根據(jù)“自動(dòng)控制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中遇到的困難和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，本文提出了建立基于Labview的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。文中分析了目前常見的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)的應(yīng)用Labview編程語言實(shí)現(xiàn)了包含“自動(dòng)控制原理課程常見實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最后，利用Matlab語言編程進(jìn)展比照分析，進(jìn)展正確性驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，Labview，自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，MatlabIn Automatic Control Principle E*periment LabVIEW ApplicationA

2、bstractOn the basis of problems encountered in actual e*periment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of e*periment teaching revolution，a new kind of automatic control theory virtual e*periment system based on Labview is advanced.Strong-point and weadness of mon virtual e*pe

3、riment systems at present are analyzed and a virtual e*periment system including mon e*periments in Automatic Control Theory is plemented successfully using Labview equivalently.In addition，proposal for hardware e*periment e*pansion is put for wand.At last，Matlab programming is used for parison and

4、accuracy certification.Key words：virtual instrument，Labview，automatic control e*periment，MATLAB目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12416 1 緒 論 PAGEREF _Toc12416 1 HYPERLINK l _Toc4249 2 LabVIEW以及虛擬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc4249 2 HYPERLINK l _Toc14228 2.1 LabVIEW的簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc14228 2 HYPERLINK l _Toc5247 2.2

5、 LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc5247 3 HYPERLINK l _Toc20758 3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立 PAGEREF _Toc20758 5 HYPERLINK l _Toc16593.1硬件平臺(tái)構(gòu)建 PAGEREF _Toc1659 5 HYPERLINK l _Toc13631 3.2虛擬儀器軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc13631 5 HYPERLINK l _Toc19144 3.2.1 使用Visual Basic開發(fā)虛擬儀器 PAGEREF _Toc19144 5 HYPERLINK l _Toc14495 3.2.2使用LABVIEW開發(fā)的

6、虛擬儀器 PAGEREF _Toc14495 5 HYPERLINK l _Toc26609 4 LabVIEW在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例 PAGEREF _Toc26609 6 HYPERLINK l _Toc8936 4.1 基于LabVIEW的自控原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 PAGEREF _Toc8936 6 HYPERLINK l _Toc15594 4.1.1自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的根本構(gòu)成 PAGEREF _Toc15594 6 HYPERLINK l _Toc23841 4.1.2虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展 PAGEREF _Toc23841 8 HYPERLINK l _Toc

7、1275 4.2 基于LabVIEW 的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc1275 10 HYPERLINK l _Toc14944 4.2.1 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目的與意義 PAGEREF _Toc14944 10 HYPERLINK l _Toc5 4.2.2 虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì) PAGEREF _Toc5 11 HYPERLINK l _Toc30597 5 結(jié) 論 PAGEREF _Toc30597 12 HYPERLINK l _Toc2536 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc2536 12 HYPERLINK l _Toc12677 致 PAGEREF _Toc1

8、2677 13. 1 緒 論自動(dòng)控制原理是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)根底課, 要求學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)方法。自動(dòng)控制課程中, 實(shí)驗(yàn)是一種重要的教學(xué)手段。學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn),可以加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解, 提高動(dòng)手能力, 鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。但是目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列問題,例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?cái)?shù)量有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化嚴(yán)重以及嚴(yán)重缺乏實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師等, 因此各種虛擬實(shí)驗(yàn)方法相繼提出。*些文獻(xiàn)中提出基于Matlab 的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 用軟件模擬了實(shí)際硬件的全部功能，解決了目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中的一些問題,并在一定程度上提高了自動(dòng)控制原理的教學(xué)效果。但是,由于Matlab 的

9、局限性,這些虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅限于軟件模擬,這樣不能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和硬件調(diào)試能力, 并且軟件模擬實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的印象并不如硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)菢由羁獭Ａ硗?由于Matlab 軟件模擬往往需要學(xué)生對(duì)其有一定的熟悉和了解, 這對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生來說比較困難。所以,實(shí)驗(yàn)效果并不很理想。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展, 采用NI公司的LabVIEW編程語言,開發(fā)出基于LabVIEW所設(shè)計(jì)開發(fā)出的虛擬儀器，不僅具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，而且儀器界面非常友好和美觀，能夠采集信號(hào)發(fā)生、波形顯示、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等多功能與一身，替代了實(shí)驗(yàn)室中電壓表、電流表和示波器多種傳統(tǒng)的儀器設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)過程得到相當(dāng)程度的化

10、，結(jié)合第三方公司提供的數(shù)據(jù)采集卡, 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍加改動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)既可以在課堂上進(jìn)展模擬實(shí)驗(yàn),又能結(jié)合學(xué)校原有的硬件電路設(shè)備進(jìn)展硬件實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可以顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。虛擬儀器在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了傳統(tǒng)儀器的大局部本錢，而且在實(shí)用性上不比傳統(tǒng)儀器遜色。因此，現(xiàn)在虛擬儀器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)等諸多領(lǐng)域，在降低了原有本錢的根底上，同時(shí)它的應(yīng)用比較方便，而且初學(xué)者較容易學(xué)習(xí)、運(yùn)用。在不久的將來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷開展和人們創(chuàng)新意識(shí)的不斷深入，虛擬儀器的未來將是非常光明的，而且會(huì)被更多的人所認(rèn)可和承受，這樣就會(huì)有更好，更先進(jìn)的虛擬儀器被開發(fā)出來，以滿足不同人的需求。因此，根據(jù)“自動(dòng)控

11、制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中遇到的困難和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，本文提出了建立基于LabVIEW的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。文中分析了目前常見的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)的應(yīng)用LabVIEW編程語言實(shí)現(xiàn)了包含“自動(dòng)控制原理課程常見實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最后，利用Matlab語言編程進(jìn)展比照分析，進(jìn)展正確性驗(yàn)證。2 LabVIEW以及虛擬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介2.1 LabVIEW的簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW是一種基于圖形的集成化程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器NI公司研制開發(fā)的，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念，它是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，強(qiáng)調(diào)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來構(gòu)

12、建自己的儀器系統(tǒng)的能力。他與傳統(tǒng)儀器有許多不同，它們的比較如下：虛 擬 儀 器傳 統(tǒng) 儀 器開放性、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步開展封閉性、儀器間相互配合較差關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序既可。關(guān)鍵是硬件，升級(jí)本錢較高，且升級(jí)必須上門效勞。價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高價(jià)格昂貴，儀器間一般無法相互利用用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接功能單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)與維護(hù)開銷高技術(shù)更新周期短1-2年技術(shù)更新周期長(zhǎng)5-10年虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比較的優(yōu)勢(shì)，但它并不否認(rèn)傳統(tǒng)儀器的作用，它們相互穿插又相互補(bǔ)充

13、，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一局部獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。專家們指出，在這個(gè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展改造，已是大勢(shì)所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)展融合的產(chǎn)物，因此，在21世紀(jì)，虛擬儀器將大行其道，日漸受寵，將會(huì)引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命。LabVIEW是NI推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，它們能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支

14、持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了根底條件。LabVIEW采用圖形化編程語言-G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。特別是對(duì)于熟悉儀器構(gòu)造和硬件電路的硬件工程師、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣；因此，硬件工程師、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員們學(xué)習(xí)LabVIEW駕輕就熟，在很短的時(shí)間就能夠?qū)W會(huì)并應(yīng)用LabVIEW。也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。LabVIEW這么容易學(xué)習(xí)和使用，是不是LabVIEW的功能十分有限呢？不。像C或C

15、+等其它計(jì)算機(jī)高級(jí)語言一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且LabVIEW與其它計(jì)算機(jī)語言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn)：其它計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語言G語言。LabVIEW程序又稱為虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，它的

16、程序很容易改變?cè)O(shè)置和功能。因此，LabVIEW特別適用于實(shí)驗(yàn)室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備的參數(shù)和功能的場(chǎng)合，及對(duì)信號(hào)進(jìn)展分析研究、傳輸?shù)葓?chǎng)合。總之，由于LabVIEW能夠?yàn)橛脩籼峁┖?jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時(shí)簡(jiǎn)便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85以上的程序開發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，表達(dá)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶可以將原有的帶有RS232接口的儀器、V*I總線儀器以

17、及GPIB儀器通過計(jì)算機(jī)，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)展統(tǒng)一管理和操作。可以預(yù)見，由于LabVIEW這些其他語言無法比較的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一朵奇葩！最終將引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命。2.2 LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室由不同功能儀器組成，以滿足不同實(shí)驗(yàn)課題的要求。虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很相似，提供不同功能的儀器完成實(shí)驗(yàn)，不同之處在于，前者基于真實(shí)的物理儀器，而后者是基于虛擬儀器。LabVIEW虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室是有NI公司建立的。LabVIEW7.1的虛擬儀器技術(shù)提供信號(hào)發(fā)生、濾波處理、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室所提供的常見功能。通過使用此系統(tǒng)，

18、用戶可以方便、直觀、系統(tǒng)地了解和掌握信號(hào)分析、處理的常規(guī)方法，進(jìn)一步驗(yàn)證理論知識(shí)的正確性。其主要局部主要有以下功能：(1)信號(hào)發(fā)生 用于演示常規(guī)信號(hào)發(fā)生器功能，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波以及脈沖、沖激、噪聲等信號(hào)。信號(hào)的類型確定后，用戶要設(shè)置信號(hào)的各種參數(shù)如正弦波的幅值、頻率、相位，脈沖信號(hào)的幅值、延時(shí)、脈寬等，系統(tǒng)根據(jù)用戶所選擇的信息，自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字顯示到面板中，而且會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)信號(hào)信息的改變而改變信號(hào)的輸出。在此過程中，如果用戶想保存產(chǎn)生的信號(hào)，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)按鈕，將信號(hào)保存到數(shù)據(jù)文件中。 (2)濾波處理 用于演示濾波器功能，用戶選好待處理的信號(hào)，并設(shè)置好幅值、頻率等信號(hào)參數(shù)，系

19、統(tǒng)將此信號(hào)疊加一個(gè)500HZ以上的高頻干擾信號(hào)用于濾波分析，接著用戶要設(shè)置濾波器的各種參數(shù)包括濾波器的類型、截止頻率，階數(shù)等，確定濾波器的功能，最后系統(tǒng)將從“原始信號(hào)、“濾波后的原始信號(hào)、“原始信號(hào)的FFT、“濾波后的FFT四個(gè)方面顯示濾波效果。 (3)頻譜分析 用于演示頻譜分析儀的功能。選好待分析的信號(hào)以后，系統(tǒng)將輸入信號(hào)分別經(jīng)單邊FFT、雙邊FFT快速傅里葉變換、功率譜處理后的信號(hào)顯示到屏幕中，驗(yàn)證頻譜分析的功能。 (4)電橋電路 用于演示電橋電路平衡原理，用戶設(shè)定好系統(tǒng)的誤差精度，然后根據(jù)系統(tǒng)提示調(diào)節(jié) 、電阻，根據(jù)電橋平衡原理，測(cè)出系統(tǒng)給定的待測(cè)值R*，電橋平衡后，系統(tǒng)將自動(dòng)退出。 (5

20、)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 用于演示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與再現(xiàn)功能，選好要存儲(chǔ)的信號(hào)，系統(tǒng)將產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，當(dāng)點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)按鈕擊“讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)提示框，讀入數(shù)據(jù)文件，便于數(shù)據(jù)的離線分析。 (6)直線擬合 用于演示最小二乘法直線擬合原理，選擇好需要擬合的數(shù)據(jù)以后，只要點(diǎn)擊“直線擬合按鈕，擬合前的數(shù)據(jù)曲線和擬合后的數(shù)據(jù)曲線將顯示屏幕中，同時(shí)顯示擬合方程和相應(yīng)參數(shù)。 (7)通訊控制用于顯示基于LabVIEW的上下微機(jī)通訊控制功能，實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與單片機(jī)之間的通訊。3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立在虛擬實(shí)驗(yàn)室建立中，虛擬儀器的構(gòu)成是最重要的。虛擬儀器的根本構(gòu)成包括硬件平臺(tái)、虛擬儀器軟件，硬件接口模塊等。3.1硬件平臺(tái)構(gòu)建虛擬儀器的

21、硬件一般包括計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備。PC 機(jī)可以選擇各種類型的通用計(jì)算機(jī)，它主要用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理和顯示功能。而外圍硬件設(shè)備則主要包括各種計(jì)算機(jī)置儀器插卡和外置測(cè)試儀器設(shè)備。通過友好的圖形界面操作，自己定義、自己設(shè)計(jì)，從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析和顯示等功能。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB 儀器控制系統(tǒng)、V*I儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。在這里，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。3.2虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)目前虛擬儀器軟件開發(fā)工具有兩大類：(1) 文本式編輯語言：Visual C+ 和LAB windows CVI。使用通用軟件Visual B

22、asic開發(fā)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器和信號(hào)發(fā)生器。可以完成對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生、測(cè)量，能替代傳統(tǒng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器低頻和示波器，節(jié)約了大量本錢。利用此系統(tǒng)可完成“信號(hào)與系統(tǒng)“虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在我院成功使用。 利用文本式編輯語言所開發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，局限性較大。所以進(jìn)一步限制了實(shí)驗(yàn)室的建立。(2)圖形化編輯語言：LABVIEW，HPVEE。LABVIEW是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的最理想的軟件平臺(tái)。LABVIEW 具有圖形編程開發(fā)環(huán)境，可用于數(shù)據(jù)采集及控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。目前，已應(yīng)用于電子和計(jì)算機(jī)工程、機(jī)械工程、Interact連通性等領(lǐng)域。LABVIEW程序由前面板(front pane1)和流

23、程圖(block diagram)兩局部構(gòu)成，整個(gè)程序是基于多線程的設(shè)計(jì)，前面板和流程圖各用一個(gè)線程。前面板是LABVIEW 的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入、程序的輸出,相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板；流程圖包括虛擬儀器程序的圖形源代碼，在流程圖對(duì)VI 進(jìn)展編程，以控制前面板的輸入和輸出功能。流程圖包括置于LABVIEW庫里的函數(shù)(function)和構(gòu)造(structure)，還包括與前面板控制和顯示對(duì)象相對(duì)應(yīng)的連線子(termina1)。4 LabVIEW在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例4.1 基于LabVIEW的自控原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法這是本文的核心，但沒有說清楚。自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系

24、統(tǒng)的根本構(gòu)成本節(jié)內(nèi)容不完整，題目為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的根本構(gòu)成，但內(nèi)容只介紹了可以提供實(shí)驗(yàn)工程。試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成沒有說明。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有交互式人機(jī)接口，界面友好，通過課堂上模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以更好地幫助學(xué)生理解、消化、吸收所學(xué)容，重點(diǎn)解決教學(xué)及實(shí)驗(yàn)過程中的一些難點(diǎn)問題。本文介紹的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)界面簡(jiǎn)單，參數(shù)改變方便等特點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)控制原理這門課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器特點(diǎn)開發(fā)許多實(shí)驗(yàn)。 (1) 典型環(huán)節(jié)的模擬研究：包括比例、比例積分、比例微分、慣性等根本環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性研究。 (2) 時(shí)域特性分析：包括一階，二階和三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和性能指標(biāo)計(jì)算。如穩(wěn)態(tài)誤差，上升時(shí)間，調(diào)整時(shí)間，超調(diào)。峰值時(shí)間

25、等。(3) 二階系統(tǒng)根軌跡分析:通過畫開環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能。(4) 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析:通過計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的根是否全在左半平面以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(5) 頻率特性分析：通過畫開環(huán)系統(tǒng)的BODE圖分析系統(tǒng)的性能。(6) PID調(diào)節(jié)：可對(duì)一階，二階和三階系進(jìn)展PID調(diào)節(jié)分析，輸入P，I，D參數(shù)可以分析PID對(duì)系統(tǒng)性能的影響。下面對(duì)典型環(huán)節(jié)中的比例、積分、微分、慣性等根本環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)展分析：這個(gè)本應(yīng)該是個(gè)例子，但不完整，只說明了PID控制器的公式，如何用虛擬儀器做實(shí)驗(yàn)沒有交代。這也是你的論文中的最大問題，看完論文后，如何用虛擬儀器做實(shí)驗(yàn)仍然不知道。比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)又稱放大環(huán)節(jié)，其傳遞函

26、數(shù)為這說明，輸出量與輸入量成正比，動(dòng)態(tài)關(guān)系與靜態(tài)關(guān)系都一樣，不失真也不遲延，所以又稱為無慣性環(huán)節(jié)或放大環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)的特征參數(shù)只有一個(gè)，即放大系數(shù)K。工程上如無彈性變形的杠桿傳動(dòng)、電子放大器檢測(cè)儀表、比例式執(zhí)行機(jī)構(gòu)等都是比例環(huán)節(jié)的一些實(shí)際例子。慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)又稱非周期環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為T為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，K為比例系數(shù)。積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為在單位階躍輸入的作用下，積分環(huán)節(jié)的輸出c(t)為這說明，只要有一個(gè)恒定的輸入量作用于積分環(huán)節(jié)，其輸出量就與時(shí)間成正比地?zé)o限增加。積分環(huán)節(jié)具有記憶功能，當(dāng)輸入信號(hào)突然除去時(shí)，輸出總要變化下去。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用積分環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 微

27、分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為理想微分環(huán)節(jié)的輸出與輸入量的變化速度成正比。在階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為一理想脈沖實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)，由于微分環(huán)節(jié)能預(yù)示輸出信號(hào)的變化趨勢(shì)，所以常用來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的微分環(huán)節(jié)都具有一定的慣性，其傳遞函數(shù)如下：它有一個(gè)負(fù)極點(diǎn)和一個(gè)位于S平面原點(diǎn)的零點(diǎn)。實(shí)際微分環(huán)節(jié)在單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為4.1.2虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展在實(shí)際“自動(dòng)控制原理的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中，通常不僅需要進(jìn)展軟件的模擬實(shí)驗(yàn)室，還需要利用硬件設(shè)備進(jìn)展硬件實(shí)驗(yàn)。由于語言的特性，在基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)展擴(kuò)展時(shí)只需要調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備提供商提供的數(shù)據(jù)采集函數(shù)，就能將硬件電路的電信

28、號(hào)采集到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，再對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)展分析。因此該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)展是十分方便的，這也是其他類型的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所不能做到的。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)展需要有以下幾個(gè)方面組成： (1)界面設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)界面。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)調(diào)用界面模式，動(dòng)態(tài)調(diào)用界面模式的優(yōu)點(diǎn)在于子模塊單獨(dú)編程，構(gòu)造清楚，編程的復(fù)雜程度低;子功能程序僅在被調(diào)用時(shí)動(dòng)態(tài)加載入存，調(diào)用完畢后即釋放程序；動(dòng)態(tài)加載，占用存少，加載速度快。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要, 在前面板上添加必要的數(shù)據(jù)輸入控件和輸出控件、程序說明標(biāo)簽、程序控制按鈕及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示控件, 就可以得到一定的結(jié)果。由于系統(tǒng)有多個(gè)子工程，各自有自己的前面板，因此將這些子工程進(jìn)展整合以便

29、在同一個(gè)界面中調(diào)用和顯示尤為重要。LabVIEW提供了多種函數(shù)進(jìn)展子工程整合，本文選用子面板函數(shù)進(jìn)展整合，通過子面板函數(shù)，在主VI調(diào)用子VI時(shí)，可以將子VI的面板顯示在主VI的面板中。如果要把前面所做的虛擬實(shí)驗(yàn)子工程整合到同一個(gè)界面中，可以在同一個(gè)界面中調(diào)用和顯示所有的子工程界面，用子面板是很簡(jiǎn)單的。有了子面板功能，我們可以將各個(gè)子工程做成插件，由主程序動(dòng)態(tài)調(diào)用，分別設(shè)計(jì)子工程的界面，在調(diào)用個(gè)子工程的同時(shí)，顯示各子工程的界面.需要說明的是，子VI的前面板只有在子VI被調(diào)用時(shí)才會(huì)顯示在主VI的面板中，子VI調(diào)用完畢后，子VI的面板也會(huì)消失。并且，在使用面板調(diào)用子VI時(shí)，子VI必須處于關(guān)閉狀態(tài)，如

30、果子VI已經(jīng)翻開，主程序會(huì)報(bào)錯(cuò)。子功能程序僅在被調(diào)用時(shí)動(dòng)態(tài)加載入存，調(diào)用完畢后即釋放。在前面板中的控件中訪問子面板的方法是：新式容器子面板。這樣把子面板加到前面板了，在子面板的下面設(shè)置各功能選擇按鈕，可按需調(diào)用子功能，這樣我們將程序界面分為上下兩個(gè)區(qū)域：上面區(qū)域由子面板控件構(gòu)成，在子VI被調(diào)用時(shí)顯示和運(yùn)行相應(yīng)界面及功能.在沒有調(diào)用子VI前，子面板是空白的。在下面區(qū)域的功能選擇里，選擇要實(shí)現(xiàn)的功能。運(yùn)行程序時(shí)，選擇下拉菜單中需要運(yùn)行的程序，如時(shí)域特性分析，就會(huì)出現(xiàn)子程序程序的界面。要完成動(dòng)態(tài)調(diào)用功能，首先做好每個(gè)子工程，然后可通過LIB管理器把子工程全面放到同一個(gè)路徑下。當(dāng)需要調(diào)用*一子功能程序

31、時(shí)，首先應(yīng)該知道該子程序的整體路徑：設(shè)計(jì)一個(gè)把路徑的子程序加載并啟動(dòng)的子VI“Load.vi和調(diào)用子VI程序的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。vi把所做好的VI程序和Load.vi和自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。VI全部放到LIB管理器中，方法是：菜單工具LIB管理器，然后選擇好要建文件的路徑后，在菜單文件新建LIB，輸入要建的名稱，如“自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，就建好LIB了，然后翻開“自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，翻開要裝入的程序，把程序另存為到“自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中就可以了。(2)框圖程序設(shè)計(jì)根據(jù)式3-2對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的后面板進(jìn)展設(shè)計(jì)。面板程序圖如圖3-1 所示圖3-1 典型二階系統(tǒng)后面板程序圖在實(shí)現(xiàn)時(shí)域結(jié)

32、果的程序中, 采用LabVIEW 中常用的公式節(jié)點(diǎn), 使得程序簡(jiǎn)潔易懂, 對(duì)于不同的輸入?yún)?shù), 得到不同的輸出結(jié)果。并且將整個(gè)程序放入一個(gè)大的循環(huán)程序中, 可以對(duì)改變輸入?yún)?shù)得到及時(shí)的響應(yīng), 提高實(shí)驗(yàn)的比照性。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中, 在實(shí)驗(yàn)界面的左側(cè)輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù), 便可得到典型二階系統(tǒng)的參數(shù): 振蕩頻率、阻尼比和虛擬示波器顯示參數(shù)( 采樣點(diǎn)數(shù)) 。改變了二階系統(tǒng)的參數(shù)就改變階躍響應(yīng)的波形, 改變采樣點(diǎn)數(shù)可改變波形的長(zhǎng)度。本實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)除了能顯示二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形外, 還能計(jì)算出時(shí)域指標(biāo): 上升時(shí)間、延遲時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差, 并將理論值和測(cè)量值進(jìn)展比較。4.2 基于LabVIE

33、W 的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用采用基于LabVIE 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)， 可從根本上解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺的問題，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)，建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，可進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目的與意義傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式， 在實(shí)驗(yàn)的過程中面對(duì)的是各種真實(shí)儀器，這種實(shí)物模式有一些固有的缺陷：設(shè)備易磨損老化，需要定期更新；當(dāng)線路連接有誤時(shí)，可能會(huì)損壞元器件及測(cè)試儀器；實(shí)驗(yàn)元器件離散性大，溫漂、干擾等因素會(huì)造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差；只能進(jìn)展定性測(cè)試，難以得到實(shí)時(shí)的量化值；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能及時(shí)存儲(chǔ)，不便于對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析；實(shí)驗(yàn)附加設(shè)備較多、靈活性低等，這些因素使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。使用LABVIEW 構(gòu)建虛擬實(shí)

34、驗(yàn)系統(tǒng)能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺乏。 虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用LabVIEW 構(gòu)建的虛擬儀器可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣及運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)了定量化測(cè)試，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)保存以便于進(jìn)一步分析，能夠建立基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試系統(tǒng)，方便地組織多人同時(shí)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，具有操作簡(jiǎn)單，界面友好等許多優(yōu)點(diǎn)。(1)虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器更靈活虛擬儀器具有信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、濾波處理、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種功能，可替代多種獨(dú)立的儀器設(shè)備，如萬用表、電壓表、電流表、示波器、信號(hào)發(fā)生器濾波器、頻譜分析儀等。虛擬儀器擴(kuò)展了常規(guī)儀器的功能。傳統(tǒng)常規(guī)儀器一般只能用于*個(gè)量的測(cè)量，而虛擬儀器既可構(gòu)成電壓表，也可構(gòu)成示波器，所構(gòu)造出的儀器間具備控制通道和數(shù)據(jù)通道，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析處理功能，能對(duì)多個(gè)參量進(jìn)展自動(dòng)分析、信息綜合及控制等。使實(shí)驗(yàn)過程得到簡(jiǎn)化，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。(2)實(shí)驗(yàn)效果良好在計(jì)算機(jī)上就可完成實(shí)驗(yàn)線路的連接，可在短暫的時(shí)間快速完成較復(fù)雜的線路連接、測(cè)試工作，評(píng)估元器件參數(shù)變化對(duì)電路造成的影響，分析一些較難測(cè)量的電路特性，充分利用計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確將繁瑣的計(jì)算公式通過編制程序計(jì)算出結(jié)果，畫出準(zhǔn)確仿真圖線，幫助學(xué)生理解和分析復(fù)雜的電路。通過改變軟件，就可實(shí)現(xiàn)不同儀器儀表的功能，非常方便，易于擴(kuò)展組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)