【正文】 203．2 二階系統(tǒng)虛擬實驗設(shè)計………………………………………………………….203．2．1功能描述…………………………………………………………..…….………..203．2．2設(shè)計步驟…………………………………………………………….……………213．2．3運行效果……………………………………………………………….………....213．3 根軌跡虛擬實驗設(shè)計……………………………………………………………233． 3． 1功能描述………………………………………………………………………..233． 3． 2程序設(shè)計…………………………………………………………………….…..233． 3． 3顯示效果………………………………………………………………………..253．4 頻率特性之伯德圖虛擬實驗設(shè)計……………………………………...…..253． 4． 1 功能描述…………..……………………………………………………….…..253． 4． 2 設(shè)計步驟………….…………………………………………………..………..253． 4． 3 顯示效果……………………………………………………………..………...263．5 頻率特性之奈氏圖虛擬實驗設(shè)計……………………………………....….263． 5． 1功能描述…………….………………………………………………….…..…..273． 5． 2程序設(shè)計………………………………..…………………………………….273． 5． 3顯示效果……………………………………………………………………..…273．6 串聯(lián)校正虛擬實驗設(shè)計……………………………………..………………….283．6．1功能描述……………………………………..……………………………………283．6．2設(shè)計步驟………………………………………………………………….…..…..283． 6． 3顯示效果……………………………………………………………..……..…..303．7非線性虛擬實驗設(shè)計…………………………………………………….……..…..303．7．1功能描述………………………………………………………………..……..…..303．7．2設(shè)計步驟………………………………………………………………..……..…..313．7．3顯示效果……………………………………………………………………..…....313．8 登錄系統(tǒng)實驗設(shè)計…………………………………………………………...…..323．8．1功能描述……………………………………………………………………..……323．8．2程序設(shè)計……………………………………………………………………..……323．8．3顯示效果……………………………………………………………..………..….334 結(jié)論………………………………………………………………………………….………34參考文獻………………………………………………………………………………………35致謝………………………………………………………………………………………..……36武漢紡織大學(xué)2015畢業(yè)設(shè)計論文37武漢紡織大學(xué)2015屆畢業(yè)設(shè)計論文1 前言1．1 背景在我國自動化及其相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，《自動控制原理》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程旨在讓學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計方法，為設(shè)計和調(diào)試工業(yè)上自動控制系統(tǒng)打下堅實基礎(chǔ)。由于該課程實踐性極強，所以在課程教學(xué)中實驗教學(xué)是一種重要的教學(xué)手段。通過實驗教學(xué)，可以加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生動手能力，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、決解問題的能力。但是目前自動控制實驗教學(xué)存在一系列的問題，諸如：實驗設(shè)備由傳統(tǒng)模擬或數(shù)字器件構(gòu)成，設(shè)備容易老化；實驗設(shè)備建設(shè)重復(fù)，沉積較多，利用率差，造成資源浪費；實驗設(shè)備參差不齊，大部分落后于課程建設(shè)的需要，設(shè)備維修更新需要大量的人力物力；滯后的實驗設(shè)備和死板的實驗?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性，甚至在教學(xué)過程中，常常缺乏專業(yè)的實驗指導(dǎo)教師。這些在很大程度上制約了實驗教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。因此各種虛擬實驗方法相繼提出[2]。首先提出了基于MATLAB的虛擬實驗系統(tǒng)，MATLAB是一廣泛應(yīng)用于工程計算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級語言，由主開發(fā)環(huán)境、擴展MATLAB功能的工具箱、Simulink仿真環(huán)境和第三方開發(fā)的輔助工具等內(nèi)容組成。它可靠的數(shù)值計算和符號計算功能、簡單易學(xué)的編程語言、強大的圖形功能以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱以及像“草稿紙”一樣的工作空間是區(qū)別于其它科技應(yīng)用軟件的顯著特點。在自動化專業(yè)教學(xué)中引入MATLAB仿真解決了目前自動控制實驗教學(xué)中的一些問題，并在一定程度上提高了《自動控制原理》課程的教學(xué)效果。但是，由于MATLAB是用軟件模擬了硬件的全部功能，軟件模擬實驗給學(xué)生的印象并不如硬件實驗?zāi)菢由羁?。另外，MATLAB軟件模擬實驗往往需要學(xué)生對其有一定的了解，這對低年級的學(xué)生來說有一定的困難。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計算機技術(shù)的發(fā)展，采用NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW，以圖形化編程語言和集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出基于LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)，結(jié)合第三方公司提供的數(shù)據(jù)采集卡（DQA），對虛擬實驗系統(tǒng)稍加改動就能夠?qū)崿F(xiàn)對課堂上的教學(xué)內(nèi)容進行模擬實驗，可以顯著的提高教學(xué)效果?；贚abVIEW虛擬實驗系統(tǒng)具有交互式人機接口和界面友好的特點，使得用戶可以自己定義儀器，靈活的設(shè)計儀器系統(tǒng)。用戶可以用虛擬儀器來組建適合自己的任何儀器系統(tǒng)，再也不必將自己封閉在功能固定、性能單一而且價格昂貴的傳統(tǒng)儀器中。用戶只需利用一套數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，通過軟件編程，就可以實現(xiàn)多個儀器的功能。在實驗教學(xué)課程中采用虛擬儀器技術(shù)，不僅大大節(jié)約了經(jīng)費，還可以提高實驗室建設(shè)水平，滿足大學(xué)實驗課程不斷改革的現(xiàn)實需要，為大學(xué)實驗課程建設(shè)提供了一條可行的途徑。虛擬儀器具有仿真的用戶面板，學(xué)生通過虛擬面板控件就可以了解儀器原理、功能和操作。虛擬儀器采集的是現(xiàn)場的真實的物理數(shù)據(jù)，可通過與其他儀器，電路相互配合，完成實際實驗課程內(nèi)容，達到與用實際儀器教學(xué)相同的實驗?zāi)康?，很大程度上虛擬儀器可以代替真實儀器進行實驗教學(xué)。并且學(xué)生在實驗時不必?fù)?dān)心順壞儀器，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)枯燥的理論課程的同時，從實驗課程中找到學(xué)習(xí)的樂趣，極大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。1．2 虛擬儀器技術(shù)的介紹 1．2．1 虛擬儀器的簡介 虛擬儀器是個全新的概念，是計算機技術(shù)和儀器技術(shù)的結(jié)晶，同樣也是測試技術(shù)和計算機深層次結(jié)合的產(chǎn)物。從計算機和儀器兩者的結(jié)合粗略地講，虛擬儀器可以分為智能儀器和虛擬儀器。它們的區(qū)別是，前者把計算機裝入儀器，后者把儀器裝入計算機。虛擬儀器把計算機的處理器、存儲器、顯示器和儀器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字輸入輸出等結(jié)合到一起，用于數(shù)據(jù)的分析處理、傳輸、顯示等。它充分利用了計算機的優(yōu)勢，可以對數(shù)據(jù)進行大量的計算和存儲。虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有特點，并超越了傳統(tǒng)儀器。其把傳統(tǒng)儀器的顯示和硬件數(shù)據(jù)處理引入到計算機中來顯示并進行軟件處理，這也是近年來計算機迅速發(fā)展的結(jié)果。虛擬儀器配置了多種相應(yīng)的I/O接口設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，用不同功能的測試軟件對數(shù)據(jù)信號進行分析處理及顯示，構(gòu)成一整套的虛擬測試系統(tǒng)。虛擬儀器具有強大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理能力，也具有友好的人機界面。其各個功能和面板可以由編程用戶根據(jù)需要進行擴展和自定義。因而用戶不用花費昂貴的價格購買多種不同功能的儀器，只需要在最基本的虛擬單位上進行自行開發(fā)。在不同時期的不同場合下，用戶可以編寫程序來實現(xiàn)對不同環(huán)境的測量，達到資源節(jié)省。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和完善，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)儀器的遠程調(diào)試和控制。虛擬儀器的產(chǎn)生，徹底改變了多年來傳統(tǒng)儀器的觀念，開辟了測量及控制領(lǐng)域的新紀(jì)元。虛擬儀器實現(xiàn)了儀器的智能化、多樣化和模塊化等功能，體現(xiàn)出多功能、低成本等顯著優(yōu)點。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有更大的應(yīng)用范圍，因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視。1．2．2 虛擬儀器的特征 虛擬儀器的出現(xiàn)到現(xiàn)在的廣泛應(yīng)用經(jīng)歷了幾十年，可以說它的發(fā)展速度是相當(dāng)快的，尤其是近年來各行各業(yè)中大量應(yīng)用此技術(shù)。它的迅速發(fā)展，主要依托如下幾個方面：（1）性能高，虛擬儀器是建立在計算機平臺基礎(chǔ)之上的，隨著計算機運行速度的快速發(fā)展、數(shù)據(jù)傳輸能力的不斷加強及與PC總線的結(jié)合，數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能適時地進行復(fù)雜的分析計算并保存。同時越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)出更強大的優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)分享進入了一個全新的階段；（2）擴展性強、靈活性好，虛擬儀器的提出是針對于傳統(tǒng)儀器而言的，它們之間最大的區(qū)別是虛擬儀器完成的測量或控制任務(wù)中所需的軟件和硬件設(shè)備是由用戶定義的。虛擬儀器具有開放的模塊化設(shè)計，用戶可按自己的要求對其開發(fā)使用。其軟件適用性強，只需修改程序和部分硬件就能開發(fā)出不同的測試系統(tǒng)；（3）智能化程度高，虛擬儀器相關(guān)的軟件應(yīng)用簡單，功能強大，集成了大量常用工具。它具有強大的數(shù)據(jù)分析、計算，圖形顯示等功能。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，如數(shù)據(jù)采集、視覺、運動和分布式I/O等，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少任務(wù)的復(fù)雜性；（4）界面友好，虛擬儀器采了圖形化界面，在屏幕上可以直接構(gòu)建儀器面板。這些操作過程簡單、快捷，儀器功能選擇、參數(shù)設(shè)置和顯示等都可以通過友好的人機對話來實現(xiàn)；（5）開發(fā)時間少，高效的軟件構(gòu)架與計算機、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，使開發(fā)過程相當(dāng)快。它提供了充分發(fā)揮個人才能和想象空間的平臺，可編寫適合自己的儀器儀表。虛擬儀器軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的靈活操作，同時提供強大的功能，讓用戶能輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布和維護一個系統(tǒng)；（6）兼容性，虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器會并存一段時間，有一些場合必然要將兩者配合使用，他們之間的兼容性問題已成為關(guān)注的焦點?，F(xiàn)在的虛擬儀器可基本都可與傳統(tǒng)儀器兼容，也就是說虛擬儀器可以和傳統(tǒng)儀器搭配工作。虛擬儀器提供了與傳統(tǒng)儀器連接的總線，例如USB、GPIB、串行總線和以太網(wǎng)等，同時也提供了大量互相連接的函數(shù)庫，方便它們之間的連接。1．2．3 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器的構(gòu)成主要包括三部分：數(shù)據(jù)輸入部分(包括模擬量輸入和數(shù)字量輸入)，數(shù)據(jù)輸出部分(包括模擬量輸出和數(shù)字量輸出)，數(shù)據(jù)處理部分(包括數(shù)據(jù)的處理控制和顯示等)。有些虛擬儀器前倆部分是由插入計算機插槽的數(shù)據(jù)采集板(即所謂的 DAQ 卡)實現(xiàn)的。第三部分是由軟件實現(xiàn)的。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。一個好的虛擬儀器開發(fā)平臺應(yīng)該使用戶能根據(jù)自己的專業(yè)知識，定義各種界面模式，設(shè)置檢測方案或步驟，該軟件平臺就能完成相應(yīng)的檢測任務(wù)，并給出非常直觀的分析結(jié)果。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器組成的對比圖如圖11。 圖11 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器組成的對比圖1．2．4虛擬儀器的發(fā)展過程虛擬儀器產(chǎn)生的關(guān)鍵是測試計算的發(fā)展和計算機水平的提高。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，是許多行業(yè)發(fā)生了巨大的變化，各行業(yè)之間的聯(lián)系更加緊密。世界上最早開發(fā)虛擬儀器的公司是National Instrument(簡稱NI)公司。20世紀(jì)70年代，