【文章內(nèi)容簡介】 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(shè)計技術(shù)。 1． 3 虛擬儀器開發(fā) 平臺 LabVIEW 1． 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)了用戶在標準的計算機 上配以高效經(jīng)濟的硬件設(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)化是武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 6 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 種標準結(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)的標準儀器來說， 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。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。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 Inter 網(wǎng)絡通信的函數(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 。 控件 選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 ，武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 7 找到相應的控件，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） 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 8 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。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 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 9 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)學模型的建立 自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個復變量 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： )()()( trtcdttdcT ?? （ ） 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（ ）進行拉氏變換得一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 1)( )()( ???? TSKSR SCS （ ） 一階系統(tǒng)的方框圖如 圖 21所示 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 10 圖 21 一階系統(tǒng)方框圖 2． 1． 2 單位階躍響應 當輸入信號 r(t)=1(t)時，系統(tǒng)的響應 c(t)稱作其單位階躍響應。拉氏變換為： STSSRSSC 111)()()( ????? （ ） 兩端去拉氏 反變換，求的其單位階躍響應為： Ttetc ???1)( () 2． 2 二 階系統(tǒng)實驗原理 2． 2． 1 數(shù)學模型的建立 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 ： )()()(2)(222 trtcdt tdcTdt tcdT ??? ? （ ）式中 LCT? — 二階系 統(tǒng)的時間常數(shù)，單位為秒； LCR2?? — 二階系統(tǒng)的阻尼比，無量綱。 對式（ ）進行拉氏變換得二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 : 121)( )()( 22 ????? TsSTSR SCS ? () 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 2222)( )()( ???? ????? SSSR SCS () Ui（ S） 1?TSK Uo（ S） 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 11 二階系統(tǒng)的方框圖如 圖 22所示： 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。由式 （ ） ，其輸出的拉氏變換為： SSSSRSSC 12)()()( 222 ?????? ???? () 對分母多項式作因式分解，得到： ))(()( 212SSSSSSC ??? ? () 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 躍響應表達式。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)的時間響應對應有不同的運動規(guī)律。下面分別加以討論： (1)欠阻尼響應 ： 阻尼比 01 ??? 時，系統(tǒng)的響應稱為欠阻尼響應。 時間響應為： )s in(1 11)( 2 ??? ?? ???? ? tetc dt （ ）式中， 21 ??? ??d ； ?? ?? a r c c o s1a r c t a n2 ??? 。 (2)臨界阻尼響應 ： 阻尼比 1?? 時，系統(tǒng)的響應稱為臨界阻尼響應。 時間響應為： )1(1)( tetc wt ???? ? （ ） R（ S） + E（ S） ToS1 111?STK C（ S） 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 12 (3)過阻尼響應 ： 阻尼比 1?? 時，系統(tǒng)的響應稱為過阻尼響應。時間響應為：???? ? 1/1)(121TT etcTt1/ 122??TTeTt （ ） 式中，)1( 1 21 ??? ???T；)1( 1 22 ??? ???T。 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。根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)性能指標的定義和系統(tǒng)欠阻尼單位階躍響應的表達式，可以導出系統(tǒng)性能指標通過其特征參數(shù) ? 和 ? 表達的計算式。常用的階躍響應性能指標如下： (1)峰值時間 tp:峰值時間 tp 是指輸出超過穩(wěn)態(tài)值到達第一個 峰值所需的時間。 二階系統(tǒng) 峰值時間為： 21 ????? ???dpt （ ） (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： %1 0 0% 21 ?? ?? ???eMp （ ） (3)調(diào)節(jié)時間 ts： 調(diào)節(jié)時間是指在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取穩(wěn)態(tài)值的%或 %作為誤差帶，當階躍響應曲線到達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，當阻尼比在 到 之間時 ，通常用下列二式近似計算調(diào)節(jié)時間。 ??4?st )(%2 ??? c () ??3?st )(%5 ??? c () 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計論文 13 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)的性能進行分析，確定系統(tǒng)應有的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，也可以對系統(tǒng)進行設(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： 0)()(1 ?? sHsG （ ）根軌跡方程： 1)()(K1m1 ????????niijjpszs （ ） 由此得到幅值條件： ??????? mjjiizsps1n1K （ ） 相角條件： ??? )12(1m1 ??? ?? ?? kni ij j （ ） 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雜系統(tǒng)的根軌跡，從而達到事半功倍的效果。根據(jù)根軌跡方程討論武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計