【文章內(nèi)容簡介】 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。NI 的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，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。 LabVIEW 概述 編程語言的介紹LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI 指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。與 C 語言和BASIC 一樣， LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI ）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，得到工業(yè)界和學術(shù)界的普遍認可和好評。安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 本論文程序設(shè)計使用的是LabVIEW2022版本，該版本擁有強大的子VI庫，依據(jù)它們，我們可以更加方便的構(gòu)建多樣化的LabVIEW控制系統(tǒng)。雙擊LabVIEW圖表，啟動如圖 。 編程語言的優(yōu)點LabVIEW 具有強大的編程能力與可讀性，具體來說有五大優(yōu)點 [8]：（1）測試測量：LABVIEW最初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，使用LabVIEW 可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開圖 LabVIEW 啟動后對話框安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應用程序。（2）控制：控制與測試是兩個相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測試領(lǐng)域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應的LabVIEW驅(qū)動程序。使用LabVIEW 可以非常方便的編制各種控制程序。（3）仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學運算函數(shù)，特別適合進行模擬、仿真、原型設(shè)計等工作。在設(shè)計機電設(shè)備之前，可以先在計算機上用LabVIEW搭建仿真原型，驗證設(shè)計的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領(lǐng)域，有時如果使用LabVIEW進行軟件模擬，就可以達到同樣的效果，使學生不致失去實踐的機會。（4）快速開發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功能類似的大型應用軟件，熟練的LabVIEW 程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右。所以，如果項目開發(fā)時間緊張，應該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開發(fā)時間。（5）跨平臺：如果同一個程序需要運行于多個硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺一致性。LabVIEW 的代碼不需任何修改就可以運行在常見的三大臺式機操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見的PDA、FPGA 以及運行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT 設(shè)備。 LabVIEW 編程基礎(chǔ)LabVIEW是虛擬儀器的開發(fā)工具，在LabVIEW 中開發(fā)的應用程序都被稱為VI （虛擬儀器） ，其擴展名均默認為vi。所有的VI 都包括前面板、框圖、圖標和連接器窗格三部分。（1）前面板（Front Panel）前面板窗口見圖32所示，它是圖形用戶界面，在該界面上可以創(chuàng)建交互式的輸入控件和輸出顯示控件。輸入控件如開關(guān)、旋鈕、按鈕等；輸出顯示控件安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 如波形圖、波形圖表、指示燈等。 （2）框圖（Block Diagram）框圖窗口見圖33所示，框圖是VI程序的圖形化源代碼，相當于標準電子儀器的功能部件。在框圖中對VI編程的主要工作，就是從前面板上的輸入控件獲得輸入信號，然后進行計算和處理，最后在輸出控件中把處理結(jié)果顯示出來?？驁D上的編程元素，有連線端子、函數(shù)、子VI、常量、結(jié)構(gòu)和連線等。 圖 LabVIEW 前面板圖 程序框圖安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 （3）選項板（Palette）LabVIEW 提供了三種選板：工具選板、控件選板和函數(shù)選板。① 工具選項板工具選板提供了用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的各種工具。如果該選板不可見，則在“查看”菜單下選擇“工具選板”選項，可以顯示該選板。工具選板頂端的綠色長方形，為“自動選擇工具” ，使用自動選擇工具可以提高編程的速度。當從工具選板中選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成與該工具對應的形狀。當鼠標在工具選板的圖標上停留2秒后，會彈出提示框以說明該工具的用途。( 所示) 。② 控件選項板。只有打開前面板時，才能顯示控件選板。如果選板不可見，可以選擇“（前面板的）查看”→“控件選板”菜單項，以使其顯示出來；也可以在前面板上單擊鼠標右鍵，彈出臨時控件選板?？丶x板用來給前面板添加各種輸入控件和輸出控件。圖 工具選項板安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 ③ 函數(shù)選項板函數(shù)選板如圖 所示。只有打開框圖窗口，才能顯示函數(shù)選板。若函數(shù)選板不可見，則可以用“（程序框圖的）查看”→“函數(shù)選板”來打開它；也可以在框圖窗口下單擊鼠標右鍵，以彈出臨時函數(shù)選板。函數(shù)選板里有創(chuàng)建程序框圖需要的對象，該選板上的每一個頂層圖標都表示一個子選板。圖 控件選項板圖 函數(shù)選項板安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 4 PID 控制器設(shè)計 引言P I D 控制是廣泛應用于工業(yè)過程控制中的最為成熟、應用最廣泛的控制技術(shù)。從 P I D 制器問世至今的 70 多年時間里，如雨后春筍般涌出了其它各種各樣的控制方法。PID 控制器（Proportion Integration 分控制器） ，由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。通過 Kp， Ki和 Kd 三個參數(shù)的設(shè)定。PID 控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。PID 控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID 控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。 PID 控制規(guī)律 PID 控制系統(tǒng)模型所謂PID控制，就是對偏差信號e(t)進行比例、積分和微分運算變換后形成的一種控制規(guī)律，即： (41) )])1)[)(0tdTtKtutip ?????????式(41)中： ——比例控制項，其中 為比例系數(shù)；tp?pK——積分控制項， 為積分時間常數(shù)；?dTti??0)1iT1——為微分時間常數(shù)。)(td?控制器的傳遞函數(shù)為：安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 (42)()1)cdiUsGKTs??? 控制系統(tǒng)模型 [9]： PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)作用PID 控制器包括積分、比例、微分三個部分，分別代表過去，現(xiàn)在，還有將來的控制作用。三個部分對控制性能的影響如下所述：積分——來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數(shù) I，然后和預定值相加。I 從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會總是減少。所以，最終這個 PID 回路系統(tǒng)會在預定值定下來。比例——來控制現(xiàn)在，誤差值和一個負常數(shù) P（表示比例）相乘，然后和預定的值相加。P 只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是 10176。C，它的預定值是 20176。C。那么它在 10176。C 的時候會輸出100%，在 15176。C 的時候會輸出 50%，在 19176。C 的時候輸出 10%，注意在誤差是 0的時候，控制器的輸出也是 0。微分——來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數(shù) D 相乘，最后和預定值相加。這個導數(shù)的控制會對系統(tǒng)的改變作出反應。導數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果作出更快速的反應。這個 D 參數(shù)也是 PID 被稱為可圖 PID 控制系統(tǒng)模型安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 預測的控制器的原因。D 參數(shù)對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要 D 參數(shù)。 用更專業(yè)的話來講，一個 PID 控制器可以被稱作一個在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點在計算它是否會最終達到穩(wěn)定結(jié)果時很有用。如果數(shù)值挑選不當，控制系統(tǒng)的輸入值會反復振蕩，這導致系統(tǒng)可能永遠無法達到預設(shè)值。 PID 控制器的不完全微分形式在計算機系統(tǒng)中，為了改善控制質(zhì)量，可根據(jù)系統(tǒng)的不同要求，對 PID 控制進行改進。眾所周知，微分對高頻干擾的響應很靈敏，極易引起振蕩，因此在 PID 控制中串聯(lián)低通濾波器（一階慣性環(huán)節(jié)）達到抑制高頻干擾的目的，這就是不完全微分 PID 控制算法，其 PID 控制器為： (43) )11()??NsTKsEUdic其中 N 的值一般取 3~10，顯然，當頻率 時，微分環(huán)節(jié)的增益不會超過???。LabVIEW 控制包提供的控制算法正是不完全微分 PID 控制算法，其中的子程序 CD Construct Special Model VI（如圖 所示）構(gòu)建的 PID 控制器有三種形式 [10]：(1) PID Academic: (44))11()??sTKsEUdic? (2) PID Parallel: (45)1)(??ssdic(3) PID Serial : (46))1)(1)(??sTKsEUdic?安徽新華學院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 20 對比式（43）與式（44） ，可發(fā)現(xiàn) 即 的值一般取 ~。?1?N 動態(tài)響應的性能指標在古典控制理論中，用動態(tài)時域指標來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。動態(tài)指標能夠直觀地反映控制系統(tǒng)的過渡過程特性，動態(tài)指標包括調(diào)節(jié)時間 ，超調(diào)量 ，stp?峰值時間 ，振蕩次數(shù) 和衰減比 。ptN?(1) 調(diào)節(jié)時間 ： 反映了過渡過程時間的長短，當 ，若 ，st st?????yt)(則 定義為調(diào)節(jié)時間，式中 是輸出量 的穩(wěn)態(tài)量， ?y)(ty?。 (2) 超調(diào)量 ： 表示了系統(tǒng)過沖的程度，設(shè)輸出量 的最大值?yp? )(ty， 輸出量的穩(wěn)態(tài)值 ，則超調(diào)量定義為 ，超調(diào)m)(t?y %10????mp?量通常以百分數(shù)表示。(3) 峰值時間 ： 表示過渡過程達到第一個峰