【文章內(nèi)容簡介】 圖 33 K=1 不變時，T 為 和 的慣性環(huán)節(jié)仿真圖圖 34 T= 不變時，K 為 和 2 的慣性環(huán)節(jié)仿真圖 二階系統(tǒng)的時域特性研究 二階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立二階系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖如圖 35。其中 T0=1 秒，T 1= 秒，K 1 根據(jù)電阻R1 的改變而改變。圖 35 二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6 / 46開環(huán)傳遞函數(shù)為： ，其中 為開環(huán)增益。)1()()(10??sTKsTsG10KT?閉環(huán)傳遞函數(shù)： 。???ss21)( 22ns??其中 11。KTTKn?? 其中二階系統(tǒng)的模擬電路圖如圖 36 所示：圖 36 二階系統(tǒng)的模擬電路圖 MATLAB仿真利用 MATLAB 編程，其仿真結(jié)果（R1 為 10 時）如圖 37。圖 37 二階系統(tǒng)仿真圖7 / 46 系統(tǒng)校正 串聯(lián)超前校正某隨動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖 38, 模擬電路為圖 39。圖 38 隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖待校正的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，穩(wěn)定儲備很差。)()()12??ssTKG但加入串聯(lián)超前校正后，則穩(wěn)定儲備大為改善。串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù)為：秒； )(22??TsGc； ?圖 39 模擬電路對于串聯(lián)超前校正實驗，利用 MATLAB 編程，其仿真結(jié)果如圖 310。8 / 46圖 310 串聯(lián)超前校正仿真圖 串聯(lián)滯后校正某隨動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖 3 11 示, 模擬電路為圖 312 示。圖 311 隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 312 模擬電路待校正的系統(tǒng)開環(huán)傳遞數(shù)利用伯德圖和代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，可分析穩(wěn)定儲備很差，加入串聯(lián)滯后校正后，系統(tǒng)則成為穩(wěn)定的系統(tǒng)。對于串聯(lián)之后校正實驗，利用 MATLAB 編程，其仿真結(jié)果如圖 313。 9 / 46圖 313 串聯(lián)滯后校正仿真圖 串聯(lián)滯后超前校正某隨動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖 314,模擬電路如圖 315。圖 314 隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 315 模擬電路待校正的系統(tǒng)開環(huán)傳遞數(shù) )105.)(1.()(1)(20 ????ssTsKsG顯然，利用德伯圖或代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，上述參數(shù)很難使系統(tǒng)穩(wěn)定，但加入串10 / 46聯(lián)滯后—超前校正后，系統(tǒng)穩(wěn)定儲備大為改善，品質(zhì)可以滿足要求，滯后—超前校正裝置的傳遞函數(shù)為： )105.)(149.()??ssGc對于串聯(lián)滯后超前校正實驗，利用 MATLAB 編程，其仿真結(jié)果如圖 316：圖 316 滯后超前校正仿真圖 PID控制系統(tǒng) PID控制原理 【8】目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID 控制技術(shù)日趨成熟。先進的 PID 控制方案和智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用 [8]?，F(xiàn)在有利用 PID 控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn) PID 控制的計算機系統(tǒng)等。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。11 / 46y(t)++r(t) r (t) 比例 P積分 I微分 D被控對象圖 317 PID 控制基本原理圖PID 控制器是一種線性負反饋控制器，給定值 r(t)與實際值 y(t)構(gòu)成控制偏差： (31))()(tyrte??PID 控制規(guī)律為： (32)])()(1)([)(0dteTteitKptU??或以傳遞函數(shù)形式表示： (33))()( siksEG?其中，K P 為比例系數(shù)， TI 為積分時間常數(shù)，T D 為微分時間常數(shù)。PID 控制器各控制規(guī)律的作用如下：(1)比例控制（P ）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。(2)積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。(3)微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 水箱模型分析12 / 46h泵閥 1Q1Q2閥 2圖 318 液位被控簡明過程系統(tǒng)中水箱液位變化過程是一個具有自衡能力的單容過程 【9】 。如圖 318 示，水箱的流入量為 Q1，流出量為 Q2，通過改變閥 1 的開度改變 Q1 值，改變閥 2 的開度可以改變 Q2 值。液位 h 越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大, Q2 也越大。液位 h 的變化反映了 Q1 和 Q2 不等而導(dǎo)致水箱蓄水或瀉水的過程。若 Q1 作為被控過程的輸入量，h 為其輸出量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是 h與 Q2 之間的數(shù)學(xué)表達式。 根據(jù)動態(tài)物料平衡： Q1Q2=A(dh/dt) ； (34)△Q 1△ Q2=A(d△h/dt) ； (35) 在靜態(tài)時，Q 1= Q2，dh/dt=0；當(dāng) Q1 發(fā)生變化后，液位 h 隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q 2 也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，液位 h 與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡便起見，做線性化處理得 Q2=△h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1) (36)由此可以建立相應(yīng)的一階慣性環(huán)節(jié)模型。4 程序方案設(shè)計 總體設(shè)計本畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是：應(yīng)用 LabVIEW 和 MATLAB 編程語言實現(xiàn)包含《自動控制原理》課程中常見實驗的虛擬實驗系統(tǒng)?？紤]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。在正確的登陸以后，進入到主程序，在主程序中包含了《自動控制原理》課程所有13 / 46的常見實驗，可以對它們進行有選擇性的操作。為了方便觀察實驗的實驗結(jié)果，最后添加了保存圖片和輸出報表部分 【10】 。總體設(shè)計的流程圖如圖 41。 圖 41 總體設(shè)計流程圖 基于 LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計《自動控制原理》中常見的虛擬實驗子系統(tǒng)如下：一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)、根軌跡繪制、校正系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)校正、頻率特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、非線性系統(tǒng)等 【11】 。這些實驗有著不同的實驗原理，但是，有著相同的設(shè)計步驟，其設(shè)計的流程圖如圖 42。開始參數(shù)設(shè)置調(diào)用 MATLAB 程序結(jié)果顯示結(jié)束結(jié)束主程序填寫信息開始保存數(shù)據(jù)實驗選擇14 / 46圖 42 虛擬實驗設(shè)計流程圖 用戶管理程序設(shè)計 【12】本系統(tǒng)涉及的用戶管理程序有：登陸系統(tǒng)、主程序。主程序是一個包含所有虛擬實驗的程序，其程序框圖如圖 43。登陸系統(tǒng)是登陸了正確的用戶名和校驗碼后可以進入主程序，其流程圖如圖 44。 ……圖 43 主程序設(shè)計程序框圖一階系統(tǒng) 二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)穩(wěn)定性判定奈氏曲線繪制 根軌跡的繪制增益裕量與相位裕量分析 超前校正與滯后校正采樣系統(tǒng)校正進入系統(tǒng)開始進入系統(tǒng)填寫登錄信息選擇實驗退出15 / 46圖 44 登陸系統(tǒng)設(shè)計流程圖5 《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā) 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)虛擬實驗系統(tǒng) 功能描述本實驗是研究一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)給一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的兩個特征參數(shù) K 和 T 分別輸入不同值時，可以確定不同的傳遞函數(shù)，并據(jù)此畫出一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線 【13】 。 設(shè)計步驟 16 / 46(1) 前面板設(shè)計啟動 LabVIEW，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖 51。前面板主要控件如下：2 個 Numeric 控件，功能是分別輸入一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù) T 和放大倍數(shù) K 的值；一個 XY Graph 控件，功能是顯示一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線；3 個 Button 控件，功能是實現(xiàn)“實驗說明” 、 “保存”和“退出” 。圖 51 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)儀器前面板(2) 程序框圖設(shè)計①依次點擊 Functions→All Functions→Analyze→Mathematics→Formula→MATLAB Script 進行操作，并根據(jù)表 51 添加輸入、輸出變量。表 51 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)輸入和輸出變量輸入變量 類型 輸出變量 類型T Real t 2D Array of RealK Real y 2D Array of Real輸入輸出變量設(shè)置完成后，將下面的程序文件寫入 MATLAB 節(jié)點內(nèi)。num=[K]。den=[T 1]。sys=tf(num,den)。t=0::。y=step(sys,t)。17 / 46②依次點擊 Functions→All Functions→Array →Reshape Array 進行操作，功能是將輸出變量 t 和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 ③進入后面板，如圖 52 完成連線。圖 52 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)程序框圖(3) 程序運行演示輸入 K=1，T=，運行結(jié)果如