【正文】 … … 23 3． 3． 1功能描述 …………………… …… …… ……………………………… …… ….. 23 3． 3． 2程序設(shè)計 …………………………… ……… ……………… ………… …… .….. 23 3． 3． 3顯示效果 …………………………… ……… ………………………… …… ….. 25 3． 4 頻率特性之伯德圖 虛擬實驗設(shè)計 ……………………………… …… ...….. 25 3． 4． 1 功能描述 ………… ..……………… ……… ………………………… …… .….. 25 3． 4． 2 設(shè)計步驟 ………… .…………… …………………………………… ..… …… ..25 3． 4． 3 顯示效果 ………… …………… …………………………………… ..… …… ...26 3． 5 頻率特性之奈氏圖 虛擬實驗設(shè)計 ……… ………………………… … ....…. 26 3． 5． 1功能描述 …… … …… .……………… ………………………………… .… ..….. 27 3． 5． 2程序設(shè)計 …… ………… ……………… ..… ………………………………… .27 3． 5． 3顯示效果 …………………………… … …………………………………… ..… 27 3． 6 串聯(lián)校正 虛擬實驗設(shè)計 …………………………………… ..… ……………… .28 3． 6． 1功能描述 …………………………………… ..… … …………………………… … 28 3． 6． 2設(shè)計步驟 …………………………… …… ……………………………… .… ..….. 28 3． 6． 3顯示效果 ……………………………… …… ……………………… ..…… ..….. 30 3． 7非線性 虛擬實驗設(shè)計 …………………………… ……………………… .…… ..….. 30 3． 7． 1功能描述 …………………………… ………………………………… ..…… ..….. 30 3． 7． 2設(shè)計步驟 …………………………… ………………………………… ..…… ..….. 31 3． 7． 3顯示效果 ………………………………… ………………………………… ..… ....31 3． 8 登錄系 統(tǒng) 實驗設(shè)計 ……………………………… ……………………… … ...….. 32 3． 8． 1功能描述 ……………………………… ………………………………… … ..… … 32 3． 8． 2程序設(shè)計 …………………………………………………………………… ..… … 32 3． 8． 3顯示效果 ………………………… ………………………………….. ……… ..…. 33 4 結(jié)論 ………………………………………………………………………………… .……… 34 參考文獻 ……………………………………………………………………………………… 35 致謝 …………………… ………………………………………………………………… ..…… 36 武漢紡織大學(xué) 20xx 畢業(yè)設(shè)計論文 1 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)效武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 2 果。 基于 LabVIEW 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)康模艽蟪潭壬咸摂M 儀器可以代替真實儀器進行實驗教學(xué)。并且學(xué)生在實驗時不必擔心順壞儀器，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。因而用戶不用花費武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 3 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)備提供了標準的接口，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，有一些場合必然要武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 4 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 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 5 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70 年代，杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱倆 人為美國海軍研制一種聲納測試儀，它是基于計算機的測試儀，能為用戶提供多種數(shù)據(jù)、多層次的交互式接口， 并在計算機的 控制下完成指定的測試任務(wù)，它還可以對系統(tǒng)中的可編程控制器進行編程，配置 不同的測試系統(tǒng) ，這就是第一次開發(fā)出的虛擬儀器，成本相當高而且開發(fā)的周期很長，用戶在操作過程中要學(xué)習(xí)很多的指令，難以在短時間內(nèi)掌握。后來杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱倆人在多次研發(fā)后，總結(jié)經(jīng)驗，將一些功能進行了模塊化處理，大大簡化了程序結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性。這是一次里程碑式的改進，為以后虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。 經(jīng)過不斷的改進， 1986 年 5月 NI 公司推出了 LabVIEW Beta 版本，同年 10月推出了 LabVIEW 正式版。在 Windows 操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前， LabVIEW 完全運行在 Macintosh 平臺上。當 Windows 操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，其良好的操作性能得到廣大用戶的肯定，并為虛擬儀器的快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。隨后，通過 NI公司的研發(fā)，使 虛擬儀器的功能越來越強大，如現(xiàn)在的 LabVIEW 20xx。 由于虛擬儀器具有先進的性能和廣泛的應(yīng)用前景，在 NI 公司之后還有 很多知名廠商加入到虛擬儀器的研發(fā)中。例如， HP 公司、 PC 儀器公司、 Racal 公司等先后研發(fā)了一些儀器，但 NI 公司任然處于領(lǐng)先地位。 NI 公司是世界上最大的