【文章內(nèi)容簡介】 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(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。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(jìn)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(jìn)，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(jìn)，1986年5月NI公司推出了LabVIEW Beta版本，同年10月推出了LabVIEW 。在Windows ，LabVIEW完全運行在Macintosh平臺上。當(dāng)Windows ，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 2014。由于虛擬儀器具有先進(jìn)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?fàn)顩r，世界500強企業(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5000個實驗室在利用LabVIEW和虛擬儀器教學(xué)生們使用最新的測量和設(shè)計技術(shù)。1．3 虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW1．3．1 LabVIEW的概述LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的縮寫，意思就是“實驗室虛擬儀器工程平臺”。它由美國NI公司開發(fā)的、優(yōu)秀的圖形化編程開發(fā)平臺，是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理而設(shè)計的圖形化編程軟件，強調(diào)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計算機上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。Labview是一種結(jié)構(gòu)化解釋型開發(fā)平臺。結(jié)構(gòu)化是指Labview的程序完全支持順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)3種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，同時又是由模塊化的形式組成的，它的每一個子程序都稱為一個VI，子程序之間可以互相調(diào)用。所謂解釋型是指用Labview開發(fā)的軟件無法在Windods操作系統(tǒng)下直接運行，所以軟件必須在Labview的平臺支持下運行，也就是說Labview不能生成真正的可執(zhí)行文件。LabVIEW所采用的圖形化開發(fā)語言又叫做G（表示graphical）語言。通過這種語言，可以極大的提高工作效率。有些程序如果使用傳統(tǒng)的開發(fā)語言的話可能需要數(shù)周的時間才能夠完成，在采用了LabVIEW之后可能只需要短短的幾個小時就完成了。因為LabVIEW是專門設(shè)計為用來完成數(shù)據(jù)的采集、分析以及顯示的。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。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LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器是由用戶而不是儀器生產(chǎn)商定義儀器功能的。一臺計算機、數(shù)采板卡和LabVIEW的結(jié)合就能夠變成一個可配置的虛擬儀器來完成用戶設(shè)定的任務(wù)。通過LabVIEW就可以用傳統(tǒng)儀器幾分之一的價格創(chuàng)建一個用戶所需要的虛擬儀器。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。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(wù)。在使用這些子函數(shù)的時候，可以忘掉傳統(tǒng)編程語言中的令人頭痛的指針操作、內(nèi)存分配等編程問題。除此之外，LabVIEW還包含了針對應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集（DAQ）、GPIB、串口、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲以及Internet網(wǎng)絡(luò)通信的函數(shù)庫。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。而在前面板和程序框圖中各有一個十分重要的選板：控件選板和函數(shù)選板。1 前面板（front panel）前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板。此界面主要是顯示用戶輸入和輸出兩類對象，如開關(guān)、旋鈕、圖形及其他控件和顯示對象?？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。在編程過程中需要使用前面板控件和指示器時，可以直接打開控件選板，找到相應(yīng)的控件，并拖動到需要的位置即可。由于控件較多，一時找不到，可以在控件面板上通過“搜索”命令來查找。前面板如圖12所示，控件選板如圖13所示。 圖12 VI前面板 圖13控件選板2 程序框圖（block diagram）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。程序框圖也叫后面板，與前面板相互對應(yīng)。后面板主要是設(shè)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(jié)構(gòu)和連線等。這里是編程的重點，也是難點。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。程序框圖如圖14所示，函數(shù)選板圖15所示。 圖14 VI程序框圖 圖15 函數(shù)選板2 自動控制原理中常見實驗的原理2．1 一階系統(tǒng)實驗原理2．1．1 數(shù)學(xué)模型的建立自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個復(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)。一階系統(tǒng)的運動方程可以用一階微分方程描述，積分環(huán)節(jié)或慣性環(huán)節(jié)組成的一個單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)時，是典型的一階系統(tǒng)。一階系統(tǒng)的運動方程具有如下的一般形式： （）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。對式（）進(jìn)行拉氏變換得一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： （）一階系統(tǒng)的方框圖如圖21所示Ui（S）Uo（S） 圖21 一階系統(tǒng)方框圖2．1．2 單位階躍響應(yīng)當(dāng)輸入信號r(t)=1(t)時，系統(tǒng)的響應(yīng)c(t)稱作其單位階躍響應(yīng)。拉氏變換為： （）兩端去拉氏反變換，求的其單位階躍響應(yīng)為： ()2．2 二階系統(tǒng)實驗原理2．2．1 數(shù)學(xué)模型的建立運動方程為二階微分方程的控制系統(tǒng)稱為二階系統(tǒng)，二階系統(tǒng)的運動方程具有如下的一般形式： （）式中—二階系統(tǒng)的時間常數(shù)，單位為秒；—二階系統(tǒng)的阻尼比，無量綱。對式（）進(jìn)行拉氏變換得二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: ()引入?yún)?shù)w=1/T,稱作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為rad/s。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(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)。由式（），其輸出的拉氏變換為： ()對分母多項式作因式分解，得到： ()式中，S1,S2是系統(tǒng)的兩個閉環(huán)特征根。對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。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(yīng)對應(yīng)有不同的運動規(guī)律。下面分別加以討論：(1)欠阻尼響應(yīng)：阻尼比時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為欠阻尼響應(yīng)。時間響應(yīng)為： （）式中，；。(2)臨界阻尼響應(yīng)：阻尼比時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為臨界阻尼響應(yīng)。時間響應(yīng)為： （）(3)過阻尼響應(yīng)：阻尼比時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為過阻尼響應(yīng)。時間響應(yīng)為： （）式中，；。2．2．3 二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)計算系統(tǒng)只有在欠阻尼條件下能計算性能指標(biāo)中的超調(diào)量Mp、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts。根據(jù)系統(tǒng)動態(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)通過其特征參數(shù)和表達(dá)的計算式。常用的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)如下：(1)峰值時間tp:峰值時間tp是指輸出超過穩(wěn)態(tài)值到達(dá)第一個峰值所需的時間。二階系統(tǒng)峰值時間為： （）(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。二階系統(tǒng)超調(diào)量為： （）(3)調(diào)節(jié)時間ts：調(diào)節(jié)時間是指在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，%%作為誤差帶，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線到達(dá)并不超出該誤差帶所需的最小時間。調(diào)節(jié)時間又成為過渡時間。工程上，通常用下列二式近似計算調(diào)節(jié)時間。 () ()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。然而，一個較完善的閉環(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，這就限制了時域分析法在高階系統(tǒng)中的應(yīng)用。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。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）。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。2．3．2 線性系統(tǒng)根軌跡的繪制依據(jù)根軌跡是指開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變化到無窮時，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式的根在s平面上變化的軌跡。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。2．3．3 線性系統(tǒng)根軌跡的繪制基本法則只要掌握根軌跡的一些共性及某些特征點，就可以不用或少用試探發(fā)而又較快的繪制出復(fù)雜系統(tǒng)的