【正文】 加“ CD Step ” 函數(shù) ，得到二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，添加“ CD Parametric Time ”，顯示二階系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)。 （ 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) ，顯示傳遞函數(shù)表達(dá)式 ； 添加“ CD Construct ZeroPoleGain ” 函數(shù) ，構(gòu)造傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換零極點(diǎn)模型 ； 添加“ CD Draw ZeroPoleGain Equation武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 函數(shù) ”，顯示零極點(diǎn)形式的傳遞函數(shù) ； 添加“ CD PoleZero ” 函數(shù) ,顯示傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布；添加“ CD Root ” 函數(shù) ，繪制傳遞函數(shù)根軌跡 ；添加“ CD Convert to Transfer Function ”函數(shù)，將傳遞函數(shù)模型由零極點(diǎn)形式轉(zhuǎn)換成多項(xiàng)式形式；添加 一個(gè)條件選擇結(jié)構(gòu)。 3． 5． 2 程序設(shè)計(jì) （ 1） 啟動(dòng) LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境。 3． 6． 2 設(shè)計(jì)步驟 （ 1） 啟動(dòng) LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境。 連接方式如圖 317所示 。在編程的過(guò)程中，需要某個(gè)控件時(shí)，只要直接拖動(dòng)到前面板上就可以，進(jìn)行設(shè)置連接后就可以傳輸數(shù)據(jù)，省去了很多源代碼的編寫麻煩以及參數(shù)傳遞的設(shè)置等。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于 LabVIEW 而設(shè)計(jì)的，充分利用了其開放、靈活、用軟件代替硬件儀器功能的特點(diǎn)，人機(jī)界面友好，學(xué)生容易學(xué)會(huì)，使用又很方便，而且還具有很好的可擴(kuò)展性，不但可以方便的進(jìn)行軟件模 擬硬件實(shí)驗(yàn)，并且還能夠很好的和硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行相應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn)。 （ 1）設(shè)計(jì)分析了《自動(dòng)控制原理》中常見的一些實(shí)驗(yàn)。 （ 2） 切換到前面板：只需在前面板放置一個(gè)選項(xiàng)卡控件 （ 3） 切換到程序框圖： 添加 一個(gè)提示用戶登錄控件 ， 放置兩個(gè)條件結(jié)構(gòu) ， 放置兩個(gè)相等函數(shù) ， 放置一個(gè)單按鈕對(duì)話框。 圖 316 串聯(lián)校正前面板 3． 7 非線性 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 3． 7． 1 功能描述 本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中非線性系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)，鍵入 p1,p2,p3,M,k武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 的值即可確定一個(gè)非線性系統(tǒng)， 此時(shí)系統(tǒng)會(huì) 顯示其 傳遞函數(shù)表達(dá)式，并繪制 奈氏曲線和負(fù)導(dǎo)函數(shù)曲線。 連接方式如圖 311所示 ： 圖 311 奈氏圖程序框圖 3． 5． 3 顯示效果 程序運(yùn)行時(shí)，前 面板顯示效果如圖 312 所示 。 （ 2） 切換到前面板： 添加 兩個(gè)數(shù)組輸入控件，用于確定傳遞函數(shù)表達(dá)式；（ 2）添加 兩個(gè) XY 圖，分別用于顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線； 添加 一個(gè) 傳遞函數(shù) 顯示控件，用于顯示傳遞函數(shù)表達(dá)式 。 傳遞函數(shù)輸入方式有兩種（多項(xiàng)式輸入、零極點(diǎn)輸入）， 兩種方式都是按照升冪輸入。 連接武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 方式如 圖 31所示 ： 圖 31 一階系統(tǒng)程序框圖 3． 1． 3 運(yùn)行效果 當(dāng) T=1,K=1 時(shí)程序的運(yùn)行結(jié)果 如圖 32 所示。 （ 2） 滯后校正裝置：滯后校正又稱作積分校正，滯后校正同樣可由電阻、電容所組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，或由運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖 23 被測(cè)系統(tǒng)的原理方框圖 系統(tǒng)的頻率特性 G（ jw）是一個(gè)復(fù)變量，可以表示成以角頻率 w為參數(shù)的幅值和相角 ： )(|)(|)( jwGjwGjwG ?? （ ） 上圖所示 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為： )( )(|)( )(|)( )()()()( 21 jwE jwBjwE jwBjwE jwBjwHjwGjwG ??? （ ） 根據(jù)式（ ）可以畫出本系統(tǒng)的奈氏曲線。當(dāng)時(shí)間 ??t 時(shí)，第一項(xiàng)趨于零，所以上述網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可以表示為 )a r c t a ns in (1lim 222 TtTAut ??? ????? （ ） )1 1s in(1 1 TjtTjA ??? ????? 由式（ ）可知，網(wǎng)絡(luò)對(duì)正弦輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仍是一個(gè)同頻率的正弦信號(hào)，但幅值和相角發(fā)生了變化，其變化取決于頻率 ? 。兩條或兩條以上根軌跡分支在 s 平面上相遇又立即分開的點(diǎn)，稱為分離點(diǎn)?，F(xiàn)分述如下： 法則 1 根軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。然而，一個(gè)較完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征方程一般都是高階方程，求解 特征根 異常困難，這就限制了時(shí)域分析法在高階系統(tǒng)中的應(yīng)用。 2． 2． 3 二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算 系統(tǒng)只有在欠阻尼條件下能計(jì)算性能指標(biāo)中的超調(diào)量 Mp、峰值時(shí)間 tp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts。由式 （ ） ，其輸出的拉氏變換為： SSSSRSSC 12)()()( 222 ?????? ???? () 對(duì)分母多項(xiàng)式作因式分解，得到： ))(()( 212SSSSSSC ??? ? () 式 中 ， S1,S2是系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)特征根。程序框圖 如圖 14 所示， 函數(shù)選板 圖 15 所示。在編程過(guò)程中需要使 用前面板控件和指示器時(shí)，可以直接打開控件 選板 ，武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 找到相應(yīng)的控件，并拖動(dòng)到需要的位置即可。為了便于使用， LabVIEW 還集成了大量的函數(shù)庫(kù)以及子程序來(lái)幫助完成絕大多數(shù)的編程任務(wù)。有些程序如果使用傳統(tǒng)的開發(fā)語(yǔ)言的話可能需要數(shù)周的時(shí)間才能夠完成，在采用了 LabVIEW 之后可能只需要短短的幾個(gè)小時(shí)就完成了。 NI 公司是世界上最大的虛擬儀器制造商，從 NI 的發(fā)展規(guī)模可以 看 出虛擬儀器的發(fā)展?fàn)顩r，世界 500 強(qiáng)企業(yè)中有 85%的制造控制性企業(yè)在應(yīng)用 NI的產(chǎn)品，全世界超過(guò) 5000 個(gè)實(shí)驗(yàn)室在利用 LabVIEW 和虛擬儀器教學(xué)生們使用最新的測(cè)量和設(shè)計(jì)技術(shù)。后來(lái)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(yàn)，將一些功能進(jìn)行了模塊化處理，大大簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性。 第三部分是由軟件實(shí) 現(xiàn)的。虛擬儀器軟件平臺(tái)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(yùn)動(dòng)和分布式 I/O 等，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備 集成到單個(gè)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。 虛 擬儀器實(shí)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(diǎn)。其把傳統(tǒng)儀器的 顯示和硬件數(shù)據(jù)處理引入到計(jì)算機(jī)中來(lái)顯示并進(jìn)行軟件處理， 這也是近年來(lái)計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展的結(jié)果。虛擬儀器采集的是現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)的物理數(shù)據(jù)，可通過(guò)與其他儀器，電路相互配合，完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模艽蟪潭壬咸摂M 儀器可以代替真實(shí)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但是，由于 MATLAB是用軟件模擬 了硬件的全部功能，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?。由于該課程 實(shí)踐 性極強(qiáng)，所以在課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是 一種重要的教學(xué)手段。 （ 1）提交開題報(bào)告一份，提交時(shí)間 3月 10 日左右，字?jǐn)?shù)在 20xx～ 3000 字之間，內(nèi)容需包含課題意義，所屬領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究手段和研究步驟以及參考書目等； （ 2）提交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份，正文在 15000 字左右，按照武 漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)模版格式要求規(guī)范撰寫； （ 3）翻譯一篇與本課題相關(guān)的英文專業(yè)資料，其對(duì)應(yīng)的中文翻譯在 4000 字左右； （ 4）設(shè)計(jì)程序，圖表完整齊備； （ 5）實(shí)時(shí)進(jìn)行 LabVIEW 仿真。 三、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料 本設(shè)計(jì)由學(xué)生利用軟件自主設(shè)計(jì)，參數(shù)可變，沒(méi)有固定的參數(shù)，只要能達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果即可。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、決解問(wèn)題的能力。另外， MATLAB 軟件模擬實(shí)驗(yàn)往往需要學(xué)生對(duì) 其有一定的了解，這對(duì)低年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定的困難。并且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)，從實(shí)驗(yàn)課程中找到學(xué)習(xí)的樂(lè)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。虛擬儀器配置了多種相應(yīng)的 I/O 接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用 不同功能的測(cè)試軟件對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理及顯示，構(gòu)成一整套的虛擬測(cè)試系統(tǒng)。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(gè)重要方向，并受到許多國(guó)家儀器行業(yè)的重視。這些 操作過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷，儀器功能選擇、參數(shù)設(shè)置和顯示等都可以通過(guò)友好 的人機(jī)對(duì)話來(lái)實(shí)現(xiàn)；（ 5）開發(fā)時(shí)間少，高效的軟件構(gòu)架與計(jì)算機(jī)、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(guò)程相當(dāng)快。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。這是一次里程碑式的改進(jìn)，為以后虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。 1． 3 虛擬儀器開發(fā) 平臺(tái) LabVIEW 1． 3． 1 LabVIEW 的概述 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫，意思就是 “ 實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái) ” 。因?yàn)?LabVIEW 是專門設(shè)計(jì)為用來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集、分析以及顯示的。在使用這些子函數(shù)的時(shí)候，可以忘掉傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的令人頭痛的指針操作、內(nèi)存分配等編程問(wèn)題。由于控件較多，一時(shí)找不到，可以在控件面板上通過(guò)“搜索”命令來(lái)查找。 圖 14 VI 程序框圖 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 圖 15 函數(shù)選板 2 自動(dòng)控制原理中常見實(shí)驗(yàn)的 原理 2． 1 一階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理 2． 1． 1 數(shù)學(xué)模型的建立 自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個(gè)復(fù)變量 s的真有理分式，若分母階次為 1，則稱為一階系統(tǒng)。 對(duì)上式兩端取拉氏反變換，可以求出系統(tǒng)的單位階 躍響應(yīng)表達(dá)式。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的定義和系統(tǒng)欠阻尼單位階躍響應(yīng)的表達(dá)式，可以導(dǎo)出系統(tǒng)性能指標(biāo)通過(guò)其特征參數(shù) ? 和 ? 表達(dá)的計(jì)算式。 1948 年， Evans 根據(jù) 反饋 控制系統(tǒng)中開、閉環(huán)傳遞函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出了求解閉環(huán)特征方程的根的圖解方法 —— 根軌跡法。根軌跡起始于開環(huán)極點(diǎn)，終于開環(huán)零點(diǎn)。分離點(diǎn)坐標(biāo) d是式（ 223）的解。 若 將輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與輸入正弦信號(hào)用復(fù)數(shù)表示，并求它們的復(fù)數(shù)比，可以得到 )()(1 1)( ????? jeATjjG ??? （ ） 式中TjTA ??? ???? 1 11 1)( 22； TjT ???? ????? 1 1ar ct an)(。 采用對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性表示為： |)( )(|lg20|)()()(|lg20 21 jwE jwBjwHjwGjwG ? |)(|lg20|)(|lg20 SEjwB ?? （ ） R（ S） + H（ S） E（ S） G2（ S） G1（ S） C（ S） 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 )()()( )()()()( 21 jwEjwBjwE jwBjwHjwGjwG ?????? （ ） 根據(jù)式 （ ） 和式 （ ） 分別計(jì)算出各個(gè)頻率下的開環(huán)對(duì)數(shù)幅值和相位，再根據(jù)計(jì)算出的數(shù)值分別畫出幅頻特性和相頻特性曲線。前者稱為無(wú)源滯后網(wǎng)絡(luò)，后者稱為有源滯后網(wǎng)絡(luò)。 圖 32 一階系統(tǒng)前面板 3． 2 二 階系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 3． 2． 1 功能描述 本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)給二階系統(tǒng)武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 的兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù) ? 和 ? 分別輸入不同值時(shí)， 系統(tǒng)會(huì) 可以 顯示 出該二階系統(tǒng)的 單位階躍響應(yīng)曲線，并顯示出 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：超調(diào)量 Mp、峰值時(shí)間 tp和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts等 ?？赏ㄟ^(guò)按鈕切換。 添加 一個(gè)簇顯示控件，用于顯示傳遞函數(shù)的裕度值。 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì) 3． 6． 1 功能描述 本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中串聯(lián)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 。 3． 7． 2 設(shè)計(jì)步驟 （ 1） 啟動(dòng) LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境。連接方式如圖 319所示： 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 319 登錄程序框