【正文】 將基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)應用到《自動控制原理》的教學中，可以使學生直觀地理解和領會自動控制原理這門課的理論重點、問題分析方法以及結果處理方法，對于調(diào)動學生的學習積極性以及提高學生的實驗效果和實驗興趣都有比較大的作用，為實驗課程的教學提供了一個廣闊的發(fā)展空間具有推廣應用價值。 圖317非線性程序框圖3．7．3顯示效果程序運行效果如圖318所示318非線性前面板3．8登錄系統(tǒng)實驗設計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。（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)表達式。連接方法如圖33所示：圖33 二階系統(tǒng)程序框圖3．2．3運行效果當角頻率為1，阻尼比取不同值時的二階系統(tǒng)階躍響應曲線及相應的性能指標分別如圖3圖3圖36。R（S）+H（S）E（S）G（S）Gc（S）C（S）圖24 串聯(lián)校正常見結構 2．5．2串聯(lián)矯正裝置（1）超前校正裝置:超前校正又稱微分校正。根軌跡離開開環(huán)復數(shù)極點處的切線與正實軸的夾角為起始角: （）根軌跡進入開環(huán)復數(shù)零點處切線與正實軸的夾角為終止角： () 2．4頻率特性實驗原理2．4．1 頻率特性的定義首先我們用一個簡單的電路說明頻率特性的基本概念。閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程： （）根軌跡方程： （）由此得到幅值條件： （）相角條件： （）經(jīng)過分析可知，相角條件是確定根軌跡s平面上一點是否在根軌跡上的充分必要條件。(2)臨界阻尼響應：阻尼比時，系統(tǒng)的響應稱為臨界阻尼響應。后面板主要是設置程序中前面板控件的接線端口及一些只在后臺運行的函數(shù)、結構和連線等。一臺計算機、數(shù)采板卡和LabVIEW的結合就能夠變成一個可配置的虛擬儀器來完成用戶設定的任務。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 2014。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。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。用戶只需利用一套數(shù)據(jù)采集硬件設備，通過軟件編程，就可以實現(xiàn)多個儀器的功能。本系統(tǒng)能解決實驗教學中的一些難點問題，提高學生學習興趣，能夠為實驗教學提供一個廣闊的發(fā)展空間，具有較大的應用價值。2.“實際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫，其余各項均要求打印，打印字體和字號按照《武漢紡織大學畢業(yè)設計（論文）規(guī)范》執(zhí)行。隨著虛擬儀器技術的出現(xiàn)和計算機技術的發(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)對課堂上的教學內(nèi)容進行模擬實驗，可以顯著的提高教學效果。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。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。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 。并且由于它是圖形化的，易于使用，對于模擬、演示概念、完成通用編程甚至用來教授基本的編程概念都是一個理想的工具。前面板如圖12所示，控件選板如圖13所示。阻尼比在不同的范圍內(nèi)取值時，二階系統(tǒng)的特征根在S平面上的位置不同，二階系統(tǒng)的時間響應對應有不同的運動規(guī)律。利用這種方法，可在已知系統(tǒng)開環(huán)零、極點的分布情況下，繪制出閉環(huán)特征根隨著系統(tǒng)參數(shù)（比如開環(huán)增益Kg或時間常數(shù)T等）變化而在s平面上移動的軌跡（簡稱根軌跡）。 （）法則6 根軌跡與虛軸的交點。2．5 串聯(lián)校正實驗原理2．5．1串聯(lián)矯正的概念校正裝置放在前向通道中，使之與系統(tǒng)被控對象等故有部分相連接，圖中Gc(s)是校正裝置的傳遞函數(shù)。 3．2．2設計步驟（1）啟動LabVIEW，進入儀器編輯環(huán)境。（3）切換到程序框圖: 添加“CD Construct Transter Function ”函數(shù)，構建傳遞函數(shù)模型；添加“CD Draw Transfer Function ”函數(shù)，顯示傳遞函數(shù)表達式；添加“CD Gain and Phase ”函數(shù)，顯示傳遞函數(shù)各種裕度與平率；添加“CD ”函數(shù)，顯示傳遞函數(shù)Bode圖。（2）切換到前面板：添加五個數(shù)值輸入控件，分別用于輸入?yún)?shù)p1,p2,p3,M,k的值；其中p1,p2,p3用于確定線性部分的傳遞函數(shù)，M,k用于確定非線性部分的特性；添加兩個XY圖，分別用于顯示非線性系統(tǒng)的奈氏曲線和負倒函數(shù)曲線；添加兩個數(shù)值輸出控件，用于顯示非線性系統(tǒng)化的自然頻率和自振幅度。基于虛擬儀器技術的實驗教學系統(tǒng)減少了實驗所需的硬件設備。感恩之情總是難以用語言量度，我謹以最樸實的話語致以最崇高的敬意。（2）切換到前面板：只需在前面板放置一個選項卡控件（3）切換到程序框圖：添加一個提示用戶登錄控件，放置兩個條件結構，放置兩個相等函數(shù)，放置一個單按鈕對話框。連接方式如圖311所示： 圖311奈氏圖程序框圖3．5．3顯示效果程序運行時，前面板顯示效果如圖312所示。傳遞函數(shù)輸入方式有兩種（多項式輸入、零極點輸入），兩種方式都是按照升冪輸入。（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、電容所組成的無源網(wǎng)絡來實現(xiàn)，或由運算放大器構成的有源網(wǎng)絡來實現(xiàn)。當時間時，第一項趨于零，所以上述網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)響應可以表示為 （） 由式（）可知，網(wǎng)絡對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應仍是一個同頻率的正弦信號，但幅值和相角發(fā)生了變化，其變化取決于頻率?，F(xiàn)分述如下：法則1 根軌跡的起點和終點。2．2．3 二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標計算系統(tǒng)只有在欠阻尼條件下能計算性能指標中的超調(diào)量Mp、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts。程序框圖如圖14所示，函數(shù)選板圖15所示。為了便于使用，LabVIEW還集成了大量的函數(shù)庫以及子程序來幫助完成絕大多數(shù)的編程任務。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)?？梢钥闯鎏摂M儀器的發(fā)展狀況，世界500強企業(yè)中有85%的制造控制性企業(yè)在應用NI的產(chǎn)品，全世界超過5000個實驗室在利用LabVIEW和虛擬儀器教學生們使用最新的測量和設計技術。第三部分是由軟件實現(xiàn)的。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。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相同的實驗目的，很大程度上虛擬儀器可以代替真實儀器進行實驗教學。由于該課程實踐性極強，所以在課程教學中實驗教學是一種重要的教學手段。（1）提交開題報告一份，提交時間3月10日左右，字數(shù)在2000～3000字之間，內(nèi)容需包含課題意義，所屬領域的發(fā)展狀況，本課題的研究內(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)設計論文一份，正文在15000字左右，按照武漢紡織大學畢業(yè)設計模版格式要求規(guī)范撰寫；（3）翻譯一篇與本課題相關的英文專業(yè)資料，其對應的中文翻譯在4000字左右；（4）設計程序，圖表完整齊備；（5）實時進行LabVIEW仿真。在自動化專業(yè)教學中引入MATLAB仿真解決了目前自動控制實驗教學中的一些問題，并在一定程度上提高了《自動控制原理》課程的教學效果。虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器的基礎上發(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。它具有強大的數(shù)據(jù)分析、計算，圖形顯示等功能。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，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習很多的指令，難以在短時間內(nèi)掌握。通過這種語言，可以極大的提高工作效率?？丶x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。則 ()二階系統(tǒng)的方框圖如圖22所示：R（S）+E（S）C（S） 圖22 二階系統(tǒng)方框圖2．2．2 單位階躍響應單位階躍函數(shù)作用下，二階系統(tǒng)的響應稱其為單位階躍響應。 () ()2．3 線性系統(tǒng)根軌跡實驗原理 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（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。法則5 根軌跡的分離點。假如被測系統(tǒng)的原理方框圖如圖所示。（3）切換到程序框圖：添加“CD Construct Transter Function ”函數(shù)構成傳遞函數(shù)模型；添加“CD Draw Transfer Function ”函數(shù)顯示該傳遞函數(shù)模型的表達式；添加“CD Step ”函數(shù)，用于繪制一階系統(tǒng)單位階躍響應曲線；添加“CD Parametric Time ”函數(shù)顯示一階系統(tǒng)單位階躍響應各項性能指標；添加創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)及所需常量。3．4．2設計步驟（1） 啟動LabVIEW，進入儀器編輯環(huán)境。連接方式如圖3131315所示： 313 條件結構第一幀 314條件結構第二幀315 條件結構第三幀3．6．3顯示效果顯示效果如圖316。本文基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)設計，解決了高校在自動控制原理實驗教學中遇到的一些困難。同時張老師又在我完成設計的過程中起到了很好的督促作用，讓我能盡快順利地完成設計任務。LabVIEW軟件可以編寫出功能強大、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，有一定基礎的人更能夠較快地領會掌握各種編程方法和技巧。在分子多項式及分母多項式中輸入數(shù)據(jù)后，就可確定傳遞函數(shù)表達式，此時會顯示未校正系統(tǒng)的各項指標，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