【正文】 3． 3． 3 顯示效果 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 24 程序運(yùn)行時，前面板顯示效果如圖 39 所示。 添加 一個簇顯示控件，用于顯示傳遞函數(shù)的裕度值。 （ 2） 切換到前面板： 添加 兩個數(shù)組輸入控件，用于確定傳遞函數(shù)表達(dá)式； 添加一個 XY 圖，用于顯示奈氏曲線； 添加 一個 傳遞函數(shù) 顯示控件，用于顯示傳遞函數(shù)表達(dá)式 。 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 27 圖 312 奈氏圖前面板 3． 6 串聯(lián)校正 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計 3． 6． 1 功能描述 本系統(tǒng)為自動控制原理中串聯(lián)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 。 （ 2） 切換到前面板： 添加 一個布爾輸入控件，用于選擇校正方式； 添加 四個數(shù)值輸入控件，分別用于輸入?yún)?shù) A,B,T1,T2 的值； 添加 兩個數(shù)組輸入控件，用于確定未校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)； 添加 3個二維圖像顯示控件，分別用于顯示未校正系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； 添加 兩個簇顯示控件，分別用于顯示系統(tǒng)矯正前后的 各項(xiàng)性能指標(biāo)。 3． 7． 2 設(shè)計步驟 （ 1） 啟動 LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境。 圖 317 非線性程序框圖 3． 7． 3 顯示效果 程序運(yùn)行效果如圖 318 所示 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 31 318 非線性前面板 3． 8 登錄系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 3． 8． 1 功能描述 考慮到涉及的程序較多不好管理，因此，添加了登陸系統(tǒng)和主程序。連接方式如圖 319所示： 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 32 319 登錄程序框圖 3． 8． 3 顯示效果 登陸時，顯示效果如圖 320 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過計算機(jī)實(shí)時改變控制參數(shù)并且將控制結(jié)果實(shí)時顯示達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? （ 2）應(yīng)用 LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)了包含《自動控制原理》課程常見實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 將基于 LabVIEW 的自動控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用到《自動控制原理》的教學(xué)中，可以使學(xué)生直觀地理解和領(lǐng)會自動控制原理這門課的理論重點(diǎn)、問題分析方法以及結(jié)果處理方法，對于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)興趣都有 比較大的作用，為實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)提供了一個廣闊的發(fā)展空間具有推廣應(yīng)用價值。 （ 3）利用 Matlab 語言編程進(jìn)行對比分析，進(jìn)行正確性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示一致。 本文基于 LabVIEW 的自動控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計 ，解決了高校在自動控制原理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的一些困難。 LabVIEW 軟件可以編 寫出功能強(qiáng)大、界面美觀的程序，它具有生動、形象的編程語言，一般的人都容易入門，有一定基礎(chǔ)的人更能夠較快地領(lǐng)會掌握各種編程方法和技巧。 3． 8． 2 程序設(shè)計 （ 1） 啟動 LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境。 （ 3） 切換到程序框圖 ： 添加 一個 “ MATLAB Script” ，用于 MATLAB 編程； 添加四個重拍數(shù)組維數(shù)函數(shù) 添加 兩個創(chuàng)建 XY 圖函數(shù)。連接方式如圖 31 31 315 所示 ： 313 條件結(jié)構(gòu)第一幀 314 條件結(jié)構(gòu)第二幀 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 29 315 條件結(jié)構(gòu)第三幀 3． 6． 3 顯示效果 顯示效果如圖 316。在分子多項(xiàng)式及分母多項(xiàng)式中輸入數(shù)據(jù)后，就可確定傳遞函數(shù)表達(dá)式， 此時會顯示未校正系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)需要 調(diào)整參數(shù) A,B,T1,T2 的值即可看到校正后傳遞函數(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo) ， 并會顯示調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 （ 3） 切換到程序框圖 : 添加“ CD Construct Transter Function ” 函數(shù) 、“ CD Draw Transfer Function ” 函數(shù) ，構(gòu)建傳遞函數(shù)模型并顯示傳遞函數(shù)表達(dá)式 ； 添加“ CD Gain and Phase ” 函數(shù) ，顯示傳遞函數(shù)的各種裕度及平頻率 ； 添加“ CD ” 函數(shù) ，用于繪制傳遞函數(shù)奈氏曲線 。武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 25 連接方式如圖 39所示 圖 39 伯德圖程序框圖 3． 4． 3 顯示效果 程序運(yùn)行時，前面板顯示效果如圖 310. 圖 310 伯德圖前面板 3． 5 頻率特 性之奈氏圖 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計 3． 5． 1 功能描述 本系統(tǒng)為自動控制原理中奈氏曲線繪制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)輸入分子多項(xiàng)式、分母多項(xiàng)式后即可顯示傳遞函數(shù)及奈氏曲線 ，還會顯示所寫傳遞函數(shù)的各種裕武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 26 度 。 3． 4． 2 設(shè)計步驟 （ 1） 啟動 LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境。 （ 2） 切換到前面板 添加 兩組數(shù)組輸入控件， 一組用 來輸入傳遞函數(shù)的分子多項(xiàng)式、分母多項(xiàng)式，另一組用來輸入傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)； 添加 一個布爾輸入控件，用來切換傳遞函數(shù)的輸入方式； 添加 兩個 XY 圖，一個用來顯示傳遞函數(shù)的根軌跡，另一個用來顯示傳遞函數(shù)零極點(diǎn)的分布； 添加 一個 傳遞函數(shù) 顯示控件，用于顯示傳遞函數(shù)。當(dāng)在數(shù)組輸入框中輸入數(shù)據(jù)后 ，即可看到此傳遞函數(shù)的根 軌跡曲線及零極點(diǎn)分布情況。 （ 2） 切換到前面板： 添加 兩個數(shù)值輸入控件，將控件標(biāo)簽分別改為 角頻率 和 阻尼比 ,作為本 二 階系統(tǒng)的兩個輸入?yún)?shù)； 添加傳遞函數(shù) 顯示控件，用于顯示 二 階系統(tǒng)傳遞函數(shù)； 添加 XY 圖顯示控件，顯示 二 階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線； 添加 簇顯示控件，顯示 二 階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)參數(shù)。 （ 3） 切換到程序框圖： 添加“ CD Construct Transter Function ” 函數(shù) 構(gòu)成傳遞函數(shù)模型 ； 添加“ CD Draw Transfer Function ” 函數(shù)顯示該傳遞函數(shù)模型的表達(dá)式 ； 添加“ CD Step ”函數(shù)，用于繪制一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線；添加“ CD Parametric Time ” 函數(shù)顯示一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)各項(xiàng)性能指標(biāo) ； 添加 創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)及所需常量。滯后 超前校正裝置同樣可用無源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，或由運(yùn)算放大器組成的有源網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，分別稱為無源滯后 超前網(wǎng)絡(luò)、有源滯后 超前網(wǎng)絡(luò)。前者稱為無源超前網(wǎng)絡(luò)，后者稱為有源超前網(wǎng)絡(luò)。串聯(lián)校正裝置的結(jié)構(gòu)比較簡單。 假如 被測系統(tǒng)的原理方框圖如圖所示。 將頻率 特性表達(dá)式（ ）和傳遞函數(shù)表達(dá)式（ ）比較可知，這個網(wǎng)絡(luò)的頻率特性和傳遞函數(shù)的表達(dá)式形式是相同的。網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 ： 11)( )()( 12 ??? TssU sUsG （ ） 若電路的輸入為正弦電壓，即 tAu ?sin1 ? （ ） 則由式（ ）可得 2212 11)(11)( ???????? s ATssUTssU （ ） 對上式進(jìn)行拉普拉斯反變換，可得電容兩端的輸出電壓為 )a r c t a ns i n (11 22222 TtTAeTTAu Tt ????? ????? ? （ ） 上式中第一項(xiàng)是輸出電壓的瞬態(tài)分量，第二項(xiàng)是穩(wěn)態(tài)分量。系統(tǒng)根軌跡 與虛軸有交點(diǎn)，交點(diǎn)處的 K 值和ω值可以用勞思判據(jù)確定；也可以令閉環(huán)特征方程中的 s=jω ,然后分別令虛部和實(shí)部為零即可。 法則 5 根軌跡的分離點(diǎn)。根軌跡的分支數(shù)與開環(huán)有限零點(diǎn)數(shù) m和有限極點(diǎn)數(shù) n 中的大者相等，它們是連續(xù)的并且對稱與實(shí)軸。根據(jù)根軌跡方程討論武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 14 根軌跡與 開環(huán)系統(tǒng)零、極點(diǎn)的關(guān)系，討論根軌跡的特征點(diǎn)、漸進(jìn)線和其他某些性質(zhì)，從而歸納出繪制根軌跡的十條基本法則。利用根軌跡則可以對系 統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)應(yīng)有的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，也可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和綜合。 ??4?st )(%2 ??? c () ??3?st )(%5 ??? c () 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 13 2． 3 線性系統(tǒng) 根軌跡 實(shí)驗(yàn)原理 2． 3． 1 線性系統(tǒng)根軌跡的概念 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其他性能主要由閉 環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)（即特征方程的根）的分布所確定，因此，要分析系統(tǒng) 就必須求解特征方程的根。 二階系統(tǒng) 峰值時間為： 21 ????? ???dpt （ ） (2)超調(diào)量 Mp:超調(diào)量是指 輸出量峰值超出穩(wěn)態(tài)值的百分比。時間響應(yīng)為：???? ? 1/1)(121TT etcTt1/ 122??TTeTt （ ） 式中，)1( 1 21 ??? ???T；)1( 1 22 ??? ???T。下面分別加以討論： (1)欠阻尼響應(yīng) ： 阻尼比 01 ??? 時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為欠阻尼響應(yīng)。則 2222)( )()( ???? ????? SSSR SCS () Ui（ S） 1?TSK Uo（ S） 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 11 二階系統(tǒng)的方框圖如 圖 22所示： 圖 22 二階系統(tǒng)方框圖 2． 2． 2 單位階躍響應(yīng) 單位階躍函數(shù)作用下，二階系統(tǒng)的響應(yīng)稱其為單位階躍響應(yīng)。 一階系統(tǒng)的運(yùn)動方程具有如下的一般形式： )()()( trtcdttdcT ?? （ ） 式中， T 為一階系統(tǒng)時間常數(shù)，代表系統(tǒng)的慣性； c(t)和 r(t)分別是系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號。 函數(shù) 選板 是程序框圖中一些 VI 小程序和函數(shù)的集合，可以通過程序框圖中的“查看”菜單打開，也可以右擊鼠標(biāo)得到即時函數(shù)面板 。 圖 12 VI 前面板 圖 13 控件選板 2 程序框圖（ block diagram） 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 8 在前面板后臺還有一個與之配套的程序框圖，程序框圖就是對軟件進(jìn)行后臺編程設(shè)置的地方，在那里 可以調(diào)用各類函數(shù)和節(jié)點(diǎn)。 控件 選板是前面板中一些空間和指示器的集合，通過在前面板中選擇“查看”菜單可以將其打開。 1． 3． 2 LabVIEW 的 工作原理 我們把 LabVIEW 的程序稱為 “VI” ，每一個 VI 都有 倆 個主要組成部分：前面板 、 程序 框圖。當(dāng)需要改變這個虛擬儀器的時候，只 需 幾分鐘的時間通過 LabVIEW 修改就可以了。 相對于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器來說， LabVIEW 由于是基于軟件的，所以提供了更大的靈活性。通過這種語言，可以極大的提高工作效率。 Labview 是一種結(jié)構(gòu)化解釋型開發(fā)平臺。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。在 Windows 操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前， LabVIEW 完全運(yùn)行在 Macintosh 平臺上。 20 世紀(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)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(dāng)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。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器組成的對比圖如圖 11。 有些虛擬儀器 前 倆 部分是由插入計算機(jī)插槽的數(shù)據(jù)采集板 (即所謂的 DAQ 卡 )實(shí)現(xiàn)的 。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(qiáng)大的功能，讓用戶能輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布和維護(hù)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(diǎn)。它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、 計算， 圖形顯示等功能。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(jī)平臺基礎(chǔ)之上的，隨著計算機(jī)運(yùn)行速度的快速發(fā)展 、數(shù)據(jù)傳輸能力的不斷加強(qiáng)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(jìn)行復(fù)雜的分析計算并保存。虛擬儀器的產(chǎn)生，徹底改變