【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?fàn)顩r，世界 500 強(qiáng)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(jì)技術(shù)。 1． 3 虛擬儀器開發(fā) 平臺(tái) LabVIEW 1． 3． 1 LabVIEW 的概述 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫，意思就是 “ 實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái) ” 。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(tái)， 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(jì)的圖形化編程軟件，強(qiáng)調(diào)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī) 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(tái)。 結(jié)構(gòu)化是武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)， 同時(shí)又是由模塊化的形式組成的，它的每一個(gè)子程序都稱為一個(gè) 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(yùn)行，所以軟件必須在 Labview 的平臺(tái)支持下運(yùn)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(shí)間才能夠完成，在采用了 LabVIEW 之后可能只需要短短的幾個(gè)小時(shí)就完成了。因?yàn)?LabVIEW 是專門設(shè)計(jì)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(duì)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(gè) 理想的工具 。 相對(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)、數(shù) 采板卡和 LabVIEW 的結(jié)合就能夠變成一個(gè)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(jià)格創(chuàng)建一個(gè)用戶所需要的虛擬儀器。當(dāng)需要改變這個(gè)虛擬儀器的時(shí)候，只 需 幾分鐘的時(shí)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(shí)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(duì)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(chǔ)以及 Inter 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(gè) VI 都有 倆 個(gè)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(gè)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(duì)象，如開關(guān)、旋鈕、圖形及其他 控件 和顯示對(duì)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(shí)，可以直接打開控件 選板 ，武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 找到相應(yīng)的控件，并拖動(dòng)到需要的位置即可。由于控件較多，一時(shí)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(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 在前面板后臺(tái)還有一個(gè)與之配套的程序框圖，程序框圖就是對(duì)軟件進(jìn)行后臺(tái)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(diǎn)。程序框圖也叫后面板，與前面板相互對(duì)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(tái)運(yùn)行的函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。這里是編程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。 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(shí)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(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 圖 15 函數(shù)選板 2 自動(dòng)控制原理中常見實(shí)驗(yàn)的 原理 2． 1 一階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理 2． 1． 1 數(shù)學(xué)模型的建立 自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，是典型的一階系統(tǒng)。 一階系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程具有如下的一般形式： )()()( trtcdttdcT ?? （ ） 式中， T 為一階系統(tǒng)時(shí)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(hào)和輸出信號(hào)。 對(duì)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： 1)( )()( ???? TSKSR SCS （ ） 一階系統(tǒng)的方框圖如 圖 21所示 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 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(hào) r(t)=1(t)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng) c(t)稱作其單位階躍響應(yīng)。拉氏變換為： STSSRSSC 111)()()( ????? （ ） 兩端去拉氏 反變換，求的其單位階躍響應(yīng)為： Ttetc ???1)( () 2． 2 二 階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理 2． 2． 1 數(shù)學(xué)模型的建立 運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)間常數(shù)，單位為秒； LCR2?? — 二階系統(tǒng)的阻尼比，無量綱。 對(duì)式（ ）進(jìn)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(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(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： SSSSRSSC 12)()()( 222 ?????? ???? () 對(duì)分母多項(xiàng)式作因式分解，得到： ))(()( 212SSSSSSC ??? ? () 式 中 ， S1,S2是系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)特征根。 對(duì)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(shí)，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(shí)間響應(yīng)對(duì)應(yīng)有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。下面分別加以討論： (1)欠阻尼響應(yīng) ： 阻尼比 01 ??? 時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為欠阻尼響應(yīng)。 時(shí)間響應(yīng)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(yīng) ： 阻尼比 1?? 時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為臨界阻尼響應(yīng)。 時(shí)間響應(yīng)為： )1(1)( tetc wt ???? ? （ ） R（ S） + E（ S） ToS1 111?STK C（ S） 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 (3)過阻尼響應(yīng) ： 阻尼比 1?? 時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為過阻尼響應(yīng)。時(shí)間響應(yīng)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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算 系統(tǒng)只有在欠阻尼條件下能計(jì)算性能指標(biāo)中的超調(diào)量 Mp、峰值時(shí)間 tp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)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(jì)算式。常用的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)如下： (1)峰值時(shí)間 tp:峰值時(shí)間 tp 是指輸出超過穩(wěn)態(tài)值到達(dá)第一個(gè) 峰值所需的時(shí)間。 二階系統(tǒng) 峰值時(shí)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(shí)間 ts： 調(diào)節(jié)時(shí)間是指在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取穩(wěn)態(tài)值的%或 %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(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間又成為過渡時(shí)間。工程上，當(dāng)阻尼比在 到 之間時(shí) ，通常用下列二式近似計(jì)算調(diào)節(jié)時(shí)間。 ??4?st )(%2 ??? c () ??3?st )(%5 ??? c () 武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 2． 3 線性系統(tǒng) 根軌跡 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)（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(gè)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(shí)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(diǎn)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(shí)間常數(shù) T等）變化而在 s平面上移動(dòng)的軌跡（簡稱根軌跡）。利用根軌跡則可以對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)，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)的根軌跡，從而達(dá)到事半功倍的效果。根據(jù)根軌跡方程討論武漢紡織大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)