1、本科生畢業論文(設計)題 目： 基于LabVIEW的直流電機速度 控制系統的設計與分析 院 系: 機電工程學院 專 業: 班 級: 學生姓名: 姜京元 指導教師: 二一五 年 五 月學術誠信聲明本人所呈交的畢業論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數據、圖片資料均真實可靠。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他人或集體已經發表或撰寫過的作品或成果。對本論文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本畢業論文的知識產權歸屬于培養單位。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學生姓名： 姜京元 日期：2015年6月18日 寫在前面的話這篇論文與其理

2、解為一個 基于LabVIEW的直流電機速度控制系統設計與分析的學術論文，倒不如理解其是一個LabVIEW新手指導教程。本論文詳細介紹了LabVIEW基本操作方法，Simulation & Control Design工具包、PID工具包中的各種工具和使用方法，DAQ系統的建立和使用方法。這是一個非常適合本科大學生初次使用LabVIEW時進行學習的材料。我在寫這篇論文的過程中走了很多彎路但是好在最終結果還算令人滿意。在這里我把我總結的LabVIEW各部件作用及使用方法系統的介紹給大家，方便大家學習和使用LabVIEW。摘 要直流電機由于具有傳動比分級精細，轉速型譜寬，電機結構緊湊，承受過載能力強

3、，等優勢，實現對直流電機的精確速度和位置控制一直是國內外研究的焦點。本次實驗設計借助NI公司的LabVIEW2013軟件構建直流電機速度控制程序實現直流電機的速度控制。設計過程主要分為四部分，第一部分為虛擬電機模型的構建。通過對電機的電氣方程和機械方程的拉數學處理求得電機轉速與輸入電壓之間的傳遞函數。查閱直流電機用戶手冊上的相關參數值代入傳遞函數獲得電機數學模型。第二部分為模型匹配過程，通過向真實電機和虛擬電機發送相同的控制信號，并比對響應波形進行模型參數調整達到模型匹配要求。第三部分為PID控55制器設計，即PID參數試湊部分，借助于虛擬電機傳遞函數進行PID參數的試湊，獲得一套可以使電機控

4、制系統性能指標達到設計要求的PID參數。第四部分為真機測試，將PID試湊獲得的參數代入實際控制系統的PID控制器中進行實際電機速度控制，觀察分析響應波性是否達到設計指標。上述四部分中，后面三部分都需要在LabVIEW軟件上面進行，通過編寫相應的VI達到功能要求。需要掌握的基礎知識有：LabVIEW基本操作方法，利用Simulation & Control Design工具包、PID工具包構建控制系統，DAQ系統的建立和使用，PID參數的整定方法，DCMCT實驗板的硬件結構及使用方法。關鍵詞：直流電機；速度控制；LabVIEW；PID；DAQ；DCMCTAbstractFor the reaso

5、n that DC motor equips the advantages of fine transmission ratio classification, wide speed type spectral, compact motor structure and overload bearing, the research of precise velocity and position control of DC motor has always been the experimenting focus. This experiment established DC motor vel

6、ocity control system based on the LabVIEW2013 by NI company.The overall system design process can be divided into 4 sections. The first section is model construction. By the mathematical deductions on the motor electrical equations and mechanical equations of the motor, the transfer function with pa

7、rameters is obtained, following the reference of the user manual of DCMCT in order to find out the parameter values, which helped to build up the mathematical model. The second part is model validation, in which the model and the real motor receive the same input signal. By comparing the differences

8、 between the outputs of model and read motor, the parameter values of the model are determined. The next is PID controller construction and the most important part in this stage is the estimation of PID gains. Finally, the last part of this experiment is the realization of control system. The PID ga

9、ins calculated are put into the real control system and the final result of the control system is analyzed.In the four sections above, all of the last three stages are operating on LabVIEW. By programming different VIs to accomplish the requirements respectively. The demands of this experiment are t

10、hat students should master the operation of LabVIEW basic functions, as well as the use of Simulation & Control Design toolkit, PID toolkit, NI DAQmx, QNET DCMCT and the method of parameter setting.Keywords: DC motor; velocity control; LabVIEW; PID; DAQ; DCMCT目 錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc24662 第

11、1章 緒論 PAGEREF _Toc24662 1 HYPERLINK l _Toc14584 1.1 本課題的研究背景和意義 PAGEREF _Toc14584 1 HYPERLINK l _Toc31968 1.2 課題的研究現狀 PAGEREF _Toc31968 1 HYPERLINK l _Toc5935 1.3 本課題的工作內容 PAGEREF _Toc5935 2 HYPERLINK l _Toc26585 1.4 本文的結構安排 PAGEREF _Toc26585 2 HYPERLINK l _Toc25097 第2章 硬件介紹 PAGEREF _Toc25097 4 HYPE

12、RLINK l _Toc3616 2.1 DCMCT實驗板 PAGEREF _Toc3616 4 HYPERLINK l _Toc23639 2.1.1 實驗板基本組件介紹 PAGEREF _Toc23639 4 HYPERLINK l _Toc21223 2.1.2 實驗板DAQ系統介紹 PAGEREF _Toc21223 6 HYPERLINK l _Toc393 2.2 NI ELVIS II PAGEREF _Toc393 7 HYPERLINK l _Toc23774 2.2.1 NI ELVIS II結構介紹 PAGEREF _Toc23774 7 HYPERLINK l _Toc

13、31392 第3章 虛擬儀器與LabVIEW介紹 PAGEREF _Toc31392 8 HYPERLINK l _Toc8649 3.1 虛擬儀器 PAGEREF _Toc8649 8 HYPERLINK l _Toc15343 3.1.1 虛擬儀器簡介 PAGEREF _Toc15343 8 HYPERLINK l _Toc19403 3.1.2 虛擬儀器的優勢 PAGEREF _Toc19403 8 HYPERLINK l _Toc6596 3.2 LabVIEW PAGEREF _Toc6596 8 HYPERLINK l _Toc11743 3.2.1 LabVIEW概述 PAGER

14、EF _Toc11743 8 HYPERLINK l _Toc21354 3.2.2 LabVIEW編程語言 PAGEREF _Toc21354 9 HYPERLINK l _Toc26977 第4章 NI - DAQmx PAGEREF _Toc26977 11 HYPERLINK l _Toc20261 4.1 DAQmx簡介 PAGEREF _Toc20261 11 HYPERLINK l _Toc13458 4.1.1 傳統DAQmx工具 PAGEREF _Toc13458 11 HYPERLINK l _Toc22288 4.1.2 傳統虛擬通道建立過程 PAGEREF _Toc22

15、288 13 HYPERLINK l _Toc29302 4.2 DAQ助手的使用 PAGEREF _Toc29302 15 HYPERLINK l _Toc26129 第5章 基本控制系統和PID控制器的構建 PAGEREF _Toc26129 17 HYPERLINK l _Toc3721 5.1 基本控制系統的構建 PAGEREF _Toc3721 17 HYPERLINK l _Toc19768 5.1.1 使用Simulation選項卡工具構建控制系統 PAGEREF _Toc19768 17 HYPERLINK l _Toc25362 5.1.2 使用Control Design選

16、項卡工具構建控制系統 PAGEREF _Toc25362 20 HYPERLINK l _Toc32068 5.2 PID控制器的構建 PAGEREF _Toc32068 22 HYPERLINK l _Toc26400 5.2.1 基本的PID控制器構造 PAGEREF _Toc26400 23 HYPERLINK l _Toc23844 5.2.2 使用CD工具構造PID控制器 PAGEREF _Toc23844 23 HYPERLINK l _Toc2430 第6章 直流電機模型的構建和模型匹配過程 PAGEREF _Toc2430 25 HYPERLINK l _Toc7598 6.1

17、 建立直流電機仿真模型 PAGEREF _Toc7598 25 HYPERLINK l _Toc2070 6.1.1 直流電機的電氣方程和機械方程 PAGEREF _Toc2070 25 HYPERLINK l _Toc15332 6.1.2 建立開環模型 PAGEREF _Toc15332 26 HYPERLINK l _Toc20381 6.1.3 查閱參量數值并帶入傳遞函數關系式 PAGEREF _Toc20381 27 HYPERLINK l _Toc11895 6.2 模型匹配 PAGEREF _Toc11895 28 HYPERLINK l _Toc3461 6.2.1 模型匹配V

18、I簡介 PAGEREF _Toc3461 28 HYPERLINK l _Toc24694 6.2.2 模型匹配過程介紹 PAGEREF _Toc24694 30 HYPERLINK l _Toc11903 6.2.3 模型匹配觸發波形幅值選擇 PAGEREF _Toc11903 31 HYPERLINK l _Toc27201 6.2.4 可變參數傳遞函數構建 PAGEREF _Toc27201 31 HYPERLINK l _Toc5656 6.2.5 電機停轉控制 PAGEREF _Toc5656 33 HYPERLINK l _Toc17202 第7章 直流電機控制器設計與控制結果分析

19、 PAGEREF _Toc17202 34 HYPERLINK l _Toc52 7.1 控制器設計 PAGEREF _Toc52 34 HYPERLINK l _Toc14765 7.1.1 確立系統類型 PAGEREF _Toc14765 34 HYPERLINK l _Toc17272 7.1.2 建立閉環傳遞函數 PAGEREF _Toc17272 35 HYPERLINK l _Toc11366 7.2 PID參數整定 PAGEREF _Toc11366 35 HYPERLINK l _Toc9182 7.2.1 參數整定VI介紹 PAGEREF _Toc9182 35 HYPERL

20、INK l _Toc5920 7.2.2 PID參數試湊法 PAGEREF _Toc5920 37 HYPERLINK l _Toc7943 7.2.3 動態系統方框圖及系統性能指標自動計算 PAGEREF _Toc7943 38 HYPERLINK l _Toc22077 7.3 直流電機控制器實現 PAGEREF _Toc22077 40 HYPERLINK l _Toc10250 7.3.1 電機速度手動控制系統響應分析 PAGEREF _Toc10250 40 HYPERLINK l _Toc24519 7.3.2 電機速度控制系統響應分析 PAGEREF _Toc24519 41 H

21、YPERLINK l _Toc14033 7.3.3 LabVIEW中波形發生器實際頻率求取 PAGEREF _Toc14033 44 HYPERLINK l _Toc26085 7.3.4 系統響應結果分析 PAGEREF _Toc26085 44 HYPERLINK l _Toc28481 7.3.5 結果分析 PAGEREF _Toc28481 45 HYPERLINK l _Toc13784 7.3.6 簇的構建 PAGEREF _Toc13784 46 HYPERLINK l _Toc1728 第8章 結論 PAGEREF _Toc1728 48 HYPERLINK l _Toc32

22、752 致謝 PAGEREF _Toc32752 48 HYPERLINK l _Toc729 參考文獻 PAGEREF _Toc729 49緒論本課題的研究背景和意義虛擬儀器技術（Virtual instrument）就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生

23、產效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們任何項目需要。 REF _Ref12718 r h 1因此，其研究的意義非常重要。直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。直流電機的定子是一個固定磁場，直流電通過轉子的電刷在其周圍形成變化的磁場，從而在定子內轉動。在工業企業中，由于直流電源相對比較可靠，直流電機一般用于要求能夠可靠運行的備用機械或保安機械；而由于直流電機隨著輸入電壓的變動轉速也能變動，所以需要經常調速的地方采用直流電機也不少，如電車、電力機車等等。 REF _Ref12800 r

24、h 2在此基礎上，研究直流電機的基于虛擬儀器的速度控制將有極大的意義。課題的研究現狀直流電機由于具有傳動比分級精細，選擇范圍廣，轉速型譜寬，電機結構緊湊，體積小，造型美觀，承受過載能力強，能耗低，性能優越，振動小，噪音低等優勢，實現對直流電機的精確速度和位置控制一直是國內外研究的焦點。但是在NI公司的LabVIEW軟件面世之前，直流電機的控制系統設計和研究由于體系不規范，通用性不強等原因，普通高校通常情況下并沒有涉足。我國基于LabVIEW和QNET DCMCT實驗板的直流電機速度控制系統設計，手頭可以找到最早的是在2008年由中山大學出版的虛擬儀器教學實驗簡明教程，書中已經有過對此控制系統的

25、完整的介紹。除此之外這本書還詳細介紹了其他各種基于LabVIEW的虛擬儀器和控制理論實驗設計。但是直到目前很多最新發表的本科甚至碩士論文還都在照搬中山大學教程中的VI圖以及顯示結果，而由于早年創建的VI使用的LabVIEW版本過低，新版本的軟件已經無法支持，對于初學者學習LabVIEW的使用和控制系統的建立造成了較大阻礙。在此我通過對直流電機控制的理論知識的認真學習以及對LabVIEW使用的大量練習，運用LabVIEW2013版本中新加入的實用工具，獨立重建了一系列新的VI，實現直流電機控制，方便后人參考學習。本課題的工作內容介紹了LabVIEW軟件的基本使用方法。介紹了QNET DCMCT實

26、驗板的結構。介紹了NI DAQmx的使用方法。介紹了Control Design & Simulation工具包，PID工具包的使用以及控制系統在LabVIEW中的多種建立方法。介紹了虛擬儀器數學模型的構建過程。在LabVIEW的開發平臺上搭建了直流電機轉速控制VI及多個子VI。通過計算機與QNET CDMCT實驗板相連接實現直流電機速度控制。介紹了PID控制系數整定方法，并應用于直流電機速度控制系統PID參數整定當中。本文的結構安排本論文主要分八章：前言，介紹課題的研究背景、本課題的研究現狀、本文內容以及架構；硬件介紹，介紹了DCMCT實驗板基本組件及其DAQ系統，并對NI ELVIS II

27、作了簡單介紹；虛擬儀器與LabVIEW介紹，介紹了虛擬儀器和LabVIEW編程語言。NI DAQmx的功能介紹及使用方法；介紹Control Design & Simulation工具包，PID工具包及基本控制系統和PID控制器的多種構建方法；介紹直流電機模型的構建方法和模型匹配過程。直流電機速度控制系統的控制器設計與控制結果分析。結論。硬件介紹本次進行直流電機速度控制實驗使用到的硬件主要是NI公司的QNET DCMCT實驗板以及安裝實驗板的平臺NI ELVIS II和一臺PC機。DCMCT實驗板是專門用于直流電機控制教學訓練的實驗設備，除此之外同系列的設備還有HVAC、MECHKIT、MYO

28、ELECTRIC、ROTPEN以及VTOL實驗板，分別用于溫度實驗教學、物理傳感器介紹、肌動電流信號處理、單擺控制和平衡控制實驗。這些實驗板同屬于NI QNET控制與仿真系列教學板卡。ELVIS II實驗平臺是所有實驗板發揮其效能的基礎，沒有這個基礎所有實驗板都無法獨自發揮作用。ELVIS II的最主要功能就是內置了一塊數據采集卡，可以方便的實現PC機和實驗板之間的通訊。圖 STYLEREF 1 s 2- SEQ 圖 * ARABIC s 1 1 DCMCT實驗板和ELVIS IIDCMCT實驗板實驗板基本組件介紹DCMCT即DC Motor Control Trainer直流電機控制訓練板，

29、是專門設計用來進行直流電機控制系統設計訓練的教學設備。在這個實驗板上面可以實現直流電機速度和位值控制訓練，也非常適合PID控制器的應用訓練。要實現這些功能，需要一個安裝有相應應用的電腦以及NI ELVIS II實驗平臺。 DCMCT實驗板上面集成的器件可參照 REF _Ref21886 h 表格 STYLEREF 1 s 2-1和 REF _Ref21945 h 圖 STYLEREF 1 s 2-2、 REF _Ref21948 h 圖 STYLEREF 1 s 2-3。表格 STYLEREF 1 s 2- SEQ 表格 * ARABIC s 1 1 實驗板各組件編號及名稱編號名稱編號名稱1直

30、流電機5PCI插槽2高分辨率編碼器6運放和編碼器3電機金屬框架7電源入口4轉動負載8電阻絲圖 STYLEREF 1 s 2- SEQ 圖 * ARABIC s 1 2 實驗板電機結構圖 STYLEREF 1 s 2- SEQ 圖 * ARABIC s 1 3 實驗板結構系統的板載放大器作用是驅動電機轉動，并進行數模轉換。板載放大器的最大輸出電壓是24V，放大倍數為2.3V/V，也就是說計算機的輸出電壓要小于10V。但是實際上，在向實驗板輸出6V電壓時實驗板發熱已經較為劇烈，震動也非常明顯，在實際使用中應限制計算機輸出電壓的絕對值在4V以下為宜。實驗板DAQ系統介紹實驗板的DAQ系統布局如 RE

31、F _Ref22036 h 圖 STYLEREF 1 s 2-4所示，從圖上我們可以獲知，這個實驗板共有四個接口，三個輸入一個輸出（相對計算機而言）。分別是：AO#0（模擬信號輸出0口），控制電壓輸出口，控制電機轉動的電壓輸入實驗板的接口。AI#0（模擬信號輸入0口），電機電樞電流輸入口，電機的點數電流被從實驗板讀出的接口。DI#0（計數器信號輸人0口），板載編碼器的輸出，計算機從這個接口讀入信號。AI#4（模擬信號輸入4口），板載速度傳感器輸出口，輸出信號為電壓信號，需要經過一定的數學運算得到電機轉速。需要特別提到的是，通常搭載實驗板的NI ELVIS II的數據采集卡上面只有一個計數器時鐘

32、，同時輸出電流和速度傳感器的采樣信號需要兩個計數器提供采樣時鐘。因此同時輸出這兩個信號不能簡單地實現，尤其是不能用DAQ助手實現，具體內容將在下面第四章DAQmx介紹中提到。圖 STYLEREF 1 s 2- SEQ 圖 * ARABIC s 1 4 實驗板DAQ系統簡圖NI ELVIS IIELVIS II實驗平臺是所有實驗板的基礎平臺，其內置一塊數據采集卡，可以將實驗板上的信號進行收集和處理并從特定的通道輸出，也可以對來自計算機的信號進行數模轉換進而控制電機旋轉。通過PC機上面安裝的DAQmx驅動程序方便的實現控制終端與被控對象之間的通信。除此之外，ELVIS II實驗板還集成了12個常用

33、儀器的功能，典型的有示波器，函數發生器，數字萬用表等等。這些儀器設備統一通過安裝在計算機上的ELVIS II驅動程序實現在計算機顯示器上面顯示儀器前面板，在ELVIS II上面并沒有顯示設備。這種設計方法大大簡化了物理結構設計難度，降低了設備成本。除此之外，這些常用儀器的集成方便了控制系統的構建和拓展，使得ELVIS II在配合原型實驗板的時候不但可以實現普通的教學任務，在實際工程應用中的控制系統搭建及測試環節也可以占據一席之地。NI ELVIS II結構介紹NI ELVIS II的各個接口和開關的介紹可以參照 REF _Ref22366 h 表格 STYLEREF 1 s 2-2和 REF

34、_Ref22422 h 圖 STYLEREF 1 s 2-5。表格 STYLEREF 1 s 2- SEQ 表格 * ARABIC s 1 2 NI ELVIS II各部分介紹編號介紹編號介紹1實驗平臺4平臺已準備好提示 LED2實驗平臺電源開關5平臺電源接口3電源提示LED6USB線纜接口圖 STYLEREF 1 s 2- SEQ 圖 * ARABIC s 1 5 NI ELVIS II虛擬儀器與LabVIEW介紹虛擬儀器虛擬儀器簡介20年來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發人員，虛擬儀器（Virtual Instrument）在各種不同的工程應用和行業的測量及控制的用戶中廣受歡迎

35、，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀器的圖形化數據流語言和程序框圖能自然地顯示您的數據流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數據，使我們能夠輕松地查看、修改數據或控制輸入。美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創了“軟件即是儀器”的先河。“軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發，基于電腦或工作站、軟件和I/O部件來構建虛擬儀器。I/O部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁

36、有的虛擬儀器產品包括軟件產品（如LabVIEW）、GPIB產品、數據采集產品、信號處理產品、圖像采集產品、DSP產品和VXI控制產品等。虛擬儀器的優勢同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優勢：性能高、擴展性強、節約時間、無縫集成。LabVIEWLabVIEW概述LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，也是開發測量或控制系統的理想

37、選擇。 LabVIEW開發環境集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、提高生產力和不斷創新。與 C 和BASIC 一樣，LabVIEW也是通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，等等。LabVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等等，便于程序的調試。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創建應

38、用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而 LabVIEW 則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。圖 STYLEREF 1 s 3- SEQ 圖 * ARABIC

39、s 1 1 NI LabVIEW工作界面LabVIEW編程語言LabVIEW采用的是一種圖形化的編程語言。它的全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（實驗虛擬儀器工程平臺）。具體來說，它是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結合，是構建虛擬儀器的理想工具。LabVIEW與儀器系統的數據采集、分析、顯示部分一起協調工作，是簡化了而又易于使用的基于圖形化的編程語言G的開發環境。流程圖式的程序設計與科技工程人員較為熟悉的數據流和方塊圖的概念是一致的，而且由于流程圖與傳統程序設計語言的語法細節無關，構建和測試程序就可以少費時間。使用流

40、程圖方法可以實現內部的自我復制，可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。與傳統的編程方式相比，使用LabVIEW設計虛擬儀器，可以提高效率410倍。同時，利用其模塊化和遞歸方式，用戶可以在很短的時間內構建、設計和更新自己的虛擬儀器系統。圖 STYLEREF 1 s 3- SEQ 圖 * ARABIC s 1 2 LabVIEW編程語言NI - DAQmxDAQmx簡介DAQmx 是NI數據采集設備的驅動程序，這使得在LabVIEW中建立連接物理設備的虛擬通道變得容易。目前常用的虛擬通道建立方法是手動建立虛擬通道方式和DAQ助手協助建立虛擬通道方式兩種。DAQmx工具在LabVIEW后面板的Fun

41、ctionsMeasurement I/ONI-DAQmx選項卡中。如下 REF _Ref22670 h 圖 STYLEREF 1 s 4-1：圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 1 DAQmx工具面板下面分別對常用的一些工具以及建立物理通道的過程進行介紹：傳統DAQmx工具建立虛擬通道子VI外部信號通過物理通道進入計算機，在開始數據處理前的第一步就是要建立虛擬通道。常用的輸入方式有兩種，一種是直接建立物理通道，并將物理通道連接建立虛擬通道子VI的physical channels端口。另一種是建立設備（Device）端口，由格式字符串轉換工具Format

42、 to String分選出其中的一個通道連接physical channels端口，如下圖所示。其中常量0和ctr代表選擇的是ctr0通道。建立虛擬通道子VI下方的選項卡選擇建立虛擬通道的類型，他必須與連接的物理通道類型相對應。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 2 虛擬通道構建子VI圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 3 從設備接口中選取通道時鐘子VI建立一個時鐘，在此作為采樣時鐘工作。采樣頻率通常定義為1000Hz，每個通道的采樣個數通常定義為采樣頻率的十分之一。對于連續運行的提醒通常采用連續采樣方式。采樣時鐘是信

43、號讀取配置中最關鍵的配置之一。由于QNET DCMCT實驗板所連接的NI ELVIS II自帶的數據采集卡只有一個時鐘，所以同一個VI中不能同時調用兩個時鐘，這一點在使用過程中要特別注意。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 4 時鐘子VI圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 5 時鐘子VIDAQ讀取子VIDAQ讀取函數。將虛擬通道的信息讀取出來以數據形式輸出，可以簡單看做一個信號轉換工具。它將物理通道中各種格式的數據轉換成十進制數據輸出，大大簡化了對不同物理通道信號的讀取和轉化配置過程。圖 STYLEREF 1 s 4-

44、 SEQ 圖 * ARABIC s 1 6 DAQ讀取子VI圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 7 DAQ讀取子VIDAQ寫入子VIDAQ寫入函數，將數據轉換成物理通道或者任務所需的信號。與上面的read工具相對應。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 8 DAQ寫入子VI圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 9 DAQ寫入子VI傳統虛擬通道建立過程下面通過一個例子來介紹傳統虛擬通道的建立過程，如 REF _Ref9598 h 圖 STYLEREF 1 s 4-10所示。一個完整的模擬

45、信號采集過程，也就是虛擬輸入通道，由虛擬通道建立子VI，時鐘子VI，任務開始子VI，數據讀取子VI，任務清除子VI組成。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 10 信號采集基本通道從理論上講任務開始子VI應該與任務結束子VI對應，但是在簡單結構的VI中，如果While循環外部的內容不需要重復執行，則直接使用清除任務子VI即可。一個完整的模擬信號輸出過程，也就是虛擬輸出通道由虛擬通道建立子VI，任務開始子VI，寫入讀取子VI，任務清除子VI組成。如 REF _Ref7929 h 圖 STYLEREF 1 s 4-11：圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ

46、 圖 * ARABIC s 1 11 信號輸出基本通道虛擬通道建立子VI除了可以連接物理通道外，還可以通過Device選擇輸入控件與字符串選擇子VI的組合與外部物體通道建立聯系，這使得在一個儀器連接多個通道時程序框圖更加的明朗。這一部分已經在上面虛擬通道建立子VI的介紹中提到，這里不再贅述。注：在使用DCMCT實驗板時，有時我們希望同時得到電機電流和轉速傳感器的輸出信號，這時通常情況下我們需要兩個計時器工作以實現對兩個頻道信號的同時采樣。但是DCMCT實驗板上面只有一個定時器，同時建立兩個計時器子VI系統會報錯。這一情況的解決辦法是通過構建字符串的方法將兩個通道的信號分段串接在一起，由一個計時

47、器統一采樣。如 REF _Ref7981 h 圖 STYLEREF 1 s 4-12：圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 12 同時采集兩個傳感器信號這里采用的是字符串轉換子VI，從設備接口的信息中選出所需通道的信號。如圖4-12在電流傳感器的AI#0通道信息轉換成字符串后，在每一段數據后串接一個“,”以實現同后面速度通道AI#4的信號分隔。從而組成了一個含有兩個信息的字符串，在后續處理中只需要一個計時器子VI進行采樣即可。如 REF _Ref23026 h 圖 STYLEREF 1 s 4-13所示。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * A

48、RABIC s 1 13 電機角度控制VI虛擬通道構建子VI以上圖片截取自QNET DCMCT實驗板附贈光盤QNET Instructor Resources中的電機角度控制VI，有興趣進一步深入學習的同學可以自行研究。DAQ助手的使用DAQ助手是LabVIEW剛加入不久的工具，它大大簡化了虛擬通道建立和信號轉換中的配置工作量，配置界面簡單迅速，易于使用。但是DAQ助手只適用于基礎的虛擬通道建立，對于采樣或輸出有額外要求的場合，由于它不能進行復雜的配置設定，QAD助手往往顯得力不從心。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 14 DAQ助手DAQ助手的建立過程

49、如下：新建立一個DAQ助手之后雙擊它進行配置，選擇數據獲取或者產生以及信號的類型，如 REF _Ref22774 h 圖 STYLEREF 1 s 4-15所示。選擇完成后系統會自動跳入通道選擇界面如 REF _Ref9686 h 圖 STYLEREF 1 s 4-16。選擇好所需通道后進入第三個界面。至于什么信號選擇什么通道，則需要事先了解被控對象的傳感器信號形式和接口。比如QNET DCMCT實驗板的數字編碼器的輸出口是計數器輸入的邊沿觸發0通道，而速度傳感器的輸出是電壓輸入的4通道。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 15 選擇信號形式圖 STYLE

50、REF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 16 選擇通道第三個界面即為DAQ助手的工作面板，在這里選擇DAQ的采樣方式，采樣頻率和緩沖區大小。緩沖區大小的設置要十分謹慎。比如采樣頻率為1000Hz，緩沖區如果是100，則代表DAQ助手要花100ms采集100個信號才輸出一次，輸出信號的頻率是10Hz，而在很多情況下這種工作頻率是過低的。圖 STYLEREF 1 s 4- SEQ 圖 * ARABIC s 1 17 DAQ助手工作面板基本控制系統和PID控制器的構建控制系統的構建方法和過程是控制理論能否成功實現的基礎和必要途徑。這在控制學科當中的重要地位不言而喻。本論文以Lab

51、VIEW軟件為基礎，借助Control Design & Simulation工具包和PID工具包簡單的介紹基本控制系統的幾種構建方法以及PID控制器的構建過程。基本控制系統的構建大多數控制系統都可以轉化為控制系統方框圖的形式，從而使得控制系統更為簡明易懂，控制邏輯更加清晰。LabVIEW中控制系統的構建有兩種形式，分別使用Simulation選項卡和Control Design選項卡中的工具。使用Simulation選項卡中的工具構建的控制系統VI與傳統控制系統方框圖十分相似，而使用Control Design選項卡中的工具則與此完全不同。下面分別用兩個例子介紹。使用Simulation選項

52、卡工具構建控制系統Simulation選項卡所在的位置是：系統后面板FunctionsControl Design & SimulationSimulation。其中最常用到的是Continuous Liner Systems即線性定常系統子VI庫。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 1 Simulation選項卡如 REF _Ref23124 h 圖 STYLEREF 1 s 5-2所示，利用Simulation選項卡中的工具構建出的控制系統是控制系統方框圖的形式，界面簡潔易懂，只需要一個控制&仿真循環工作區域以及各個傳遞函數子VI就可以構建。圖 STY

53、LEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 2 基本控制系統實例1下面對用到的各個子VI進行簡單介紹：傳遞函數子VI顯而易見，就是一個構建好了的傳遞函數。設定方法參考圖右下角部分。Denominator是分母，Numerator是分子，字母a、b后面的數字代表s的階次，如0代表s的0次方，1代表s的1次方。如果想要構建更為復雜的傳遞函數，如含參的可變傳遞函數則需要將Parameter source選項改為Terminal，即從外部獲取參數。傳遞函數在這種方式下工作時僅由Simulation選項卡中的子VI不能完成構建，這一部分會在下面Control Design選項卡的介紹

54、當中提到。需要注意的是，這個傳遞函數的輸入輸出都是64位實數，也就是說傳遞函數自動完成了輸入信號和輸出信號的實數復數域轉換，這給傳遞函數的使用提供了很多方便。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 3 傳遞函數子VI圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 4 傳遞函數子VI屬性界面函數波形發生器Control Design&Simulation工具包中自帶了波形發生器工具，這給控制系統的建立帶來了很多方便。在Signal Generation信號產生的選項卡中除了階躍，矩形波，斜坡，正弦，調頻波的發生器外，方波，鋸齒波，白噪聲

55、使用第二排第一個子VI：Signal Generator（居然直接叫波形發生器）來產生。各個波形發生器的各種參數如幅值，頻率，占空比，偏移量等均可在他們各自的屬性界面中統一調整，也可以通過修改屬性值，使得特定參數直接在使用構建在前面板的控件隨時調整。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 5 函數發生器選項卡暫停仿真，仿真定時，數據收集在Utilities工具選項卡中有很多實用的工具。Halt Simulation工具可以簡單的理解為與While循環中的停止循環有相同的作用。Collector收集器可以自動收集數據，并以簇的形式從輸出，可以使用這個工具來構建波

56、形。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 6 工具選項卡使用Control Design選項卡工具構建控制系統Control Design（CD）選項卡與Simulation相鄰，控制系統的構建方式卻與后者完全不同。如 REF _Ref23219 h 圖 STYLEREF 1 s 5-7所示，在這個系統中進行了PID控制器的構建，傳遞函數的構建，傳遞函數分式的繪制，傳遞函數之間的連接以及反饋，最后部分還加入了對波形的時域指標進行自動測量計算的功能。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 7 基本控制系統實例2控制系統信息流動

57、不再是簡單的復數域信息的流動，反饋和不同傳遞函數之間的連接也需要專用的VI進行。下面對用到的幾個子VI進行簡單介紹：CD構建傳遞函數子VI可以根據輸入輸出量的多少以及是否含有可變參量工作在四種不同的模式。本實驗設計中采用的是單輸入單輸出帶可變參量的工作方式。這里著重介紹一下傳遞函數分母的構建形式，分子構建方式與此相同。如圖中采用的常量（這里的常量Constant對應于創建Create選項中的Control和Indicator）形式分母Denominator，從左向右依次為s的零次項，一次項，二次項分子分母中參量的值統一通過Variables接口輸入子VI。圖 STYLEREF 1 s 5- S

58、EQ 圖 * ARABIC s 1 8 CD構建傳遞函數子VI圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 9 CD構建傳遞函數子VICD繪制傳遞函數子VI它可以自動計算出被構建的傳遞函數分子分母的最終形式并以圖形的形式輸出，常用在前面板的演示上面。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 10 CD繪制傳遞函數子VI圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 11 CD繪制傳遞函數子VICD轉換子VI當Control Design選項卡中的子VI要與Simulation選項卡中的工具子VI通信時，必須通

59、過這個工具。根據不同的情況工作模式也不同。相對應的，常用的還有一個Simulation to Control Design的轉換子VI。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 12 CD轉換子VICD模塊連接工具與控制體統方框圖中箭頭的作用相同，連接兩個模塊。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 13 CD控制系統設計模塊連接工具CD模塊反饋工具Model1端口接反饋起始點之前的最后一個模塊，Model2端口接反饋傳遞函數，如果Model2端口懸空則默認為單位負反饋。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARA

60、BIC s 1 14 CD模塊反饋工具CD時間響應性能指標獲取工具這個工具連接在控制系統輸出端，可以自動繪制控制系統輸出波形并計算系統性能指標。可以提供的性能指標包括：上升時間，峰值時間，過渡時間，最大超調，穩態值和峰值。利用穩態值與輸入量做差可以獲得穩態誤差。圖 STYLEREF 1 s 5- SEQ 圖 * ARABIC s 1 15 CD時間響應性能指標獲取工具PID控制器的構建PID控制是各種控制方法中較為成熟的一種，它具有原理簡單，適應性強，體系完善等優點，已經廣泛應用于各種控制領域中。尤其是在工作環境較為惡劣的工業生產環境中，由于其對環境變化不敏感，控制器設計成熟等優點，應用非常廣