【正文】 校正系統(tǒng) 采樣系統(tǒng) 采 樣系統(tǒng)校正 頻率特性 穩(wěn)定性 非線性系統(tǒng) 進(jìn)入系統(tǒng) 登入系統(tǒng) 15 圖 登陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 開始 進(jìn)入主程序 Labview 界面 退出按鈕 16 第 4 章 基于 Labview 的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 功能闡述 本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)給一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的兩個(gè)特征參數(shù) K 和 T 分別輸入不同值時(shí)，可以確定不同的傳遞函數(shù)，據(jù)此可以畫出一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng) 曲線。 圖 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖 本畢業(yè)設(shè)計(jì)涉及的用戶管理程序如 節(jié)所指：登陸系統(tǒng)和主程序主程序是一個(gè)包含所有虛擬實(shí)驗(yàn)的程序，其程序框圖如圖 所示。 總體設(shè)計(jì)的流程圖如圖 所示。在正確的登陸以后，進(jìn)入到主程序，在主程序中包含了所有的“自動(dòng)控制原理”課程常見實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)它們進(jìn)行有選擇性的操作。 圖 繼電型非線性三階系統(tǒng)的原理方框圖 振幅與角頻率的計(jì)算 若系統(tǒng)的非線性元件 1/N 及線性部分的 G（ jw）的軌跡已知，則： 利用交點(diǎn)的虛部為零，求交點(diǎn)的角頻率 w，即： 0)](Im[ ?jwG 式 () 利用交點(diǎn)在橫坐標(biāo)上，求自振的振幅 X，即： E（ S） R（ S） + M=1 )2)(1( 10 ?? SSS C（ S） 12 )](R e[1 AjwGN ?? 式 () 這里，繼電型非線性元件 XMN ?4? 13 第 3 章 程序方案設(shè)計(jì) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：應(yīng)用 Labview 編程語言實(shí)現(xiàn)包含“自動(dòng)控制原理”課程常見 8個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線可以直觀而又方便的判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，判斷方法如下： 若輸出曲線是發(fā)散的，則系統(tǒng)不穩(wěn)定； 若輸出曲線是等幅振蕩的，則系統(tǒng)臨界穩(wěn)定； 若輸出曲線是衰減振蕩的，則系統(tǒng)穩(wěn)定。 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)特征方 程的全部根，或者系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的全部極點(diǎn)都位于 S左半平面。 用特征方程的根判定系統(tǒng)穩(wěn)定性 線性定常系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的全部根，不論是實(shí)根還是復(fù)根，若其實(shí)部均為)( 30?SS SeTS??1 R（ S） SeTS??1 15 ??SS C（ S） + R（ S） + H（ S） E（ S） G2（ S） G1（ S） C（ S） 11 負(fù)值，則閉環(huán)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。 )( 25?SS SeTS??1 X（ S） + — — R（ S） SeTS??1 )( 30?SS + C（ S） 10 圖 校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖 被測(cè)系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。 設(shè)校正前閉環(huán)采樣系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。 圖 “采樣 — 保持器”原理方框圖 數(shù)學(xué)模型的介紹 閉環(huán)采樣 控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 所示。只要在系統(tǒng)中采用“采樣 — 保持器”組件，即可實(shí)現(xiàn)離散信號(hào)到連續(xù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，便把問題轉(zhuǎn)換到前面研究過的連續(xù)信號(hào)問題上。 圖 校正后系統(tǒng)的方框圖 擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 采樣系統(tǒng)是將采樣器位于系統(tǒng)中，將連續(xù)系統(tǒng)離散化。 峰值時(shí)間為： 21 ????? ???dpt 式 () b. 超調(diào)量 Mp 超調(diào)量 Mp 指階躍響應(yīng)的最大峰值超出其穩(wěn)態(tài)值的部分，用百分比表示為： %100|)( )()(|% ?? ??? c ctcMp p 式 () 超調(diào)量為： %1 0 0% 21 ?? ?? ???eMp 式 () c. 調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 工程上，當(dāng) ??? 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 式 () ??3?st )(%5 ??? c 式 () 未校正系統(tǒng)的性能 原系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。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 ，7 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。 時(shí)間響應(yīng)為： ???? ? 1/1)(121TT etcTt1/ 122??TTeTt 式 () 式中，)1( 1 21 ??? ???T； )1( 1 22 ??? ???T。 b. 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)。下面分別加以討論： a. 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)。 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。 圖 單位階躍響應(yīng)方框圖 單位階躍響應(yīng)慨括 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)。 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 ? 式 () 引入?yún)?shù) T/1?? ，稱作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為 rad/s。 圖 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)方框圖 單位階躍響應(yīng)慨括 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)。 數(shù)學(xué)模型的介紹 可以用一階微分方程描述的系統(tǒng)稱為一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程具有如下的一般形式： )()()( trtcdttdcT ?? 式 () 式中， T 為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，代表系統(tǒng)的慣性； c（ t）和 r（ t）分別是系統(tǒng)的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)。虛擬儀器作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展方向，已迅速成為一種新的產(chǎn)業(yè)，尤其在發(fā)達(dá)國(guó)家中發(fā)展更快，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用已經(jīng)十分普及，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)，不斷完善中在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)將其高效的軟件構(gòu)架與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，給用戶提供最方便的、最靈活的操作以及強(qiáng)大的功能，讓用戶輕松地配置、創(chuàng)建、部署和維護(hù)高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的 可執(zhí)行文件 ，它是一個(gè)真正的 32位 /64位 編譯器 。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用這種語言編 程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是 流程圖 或 框圖 。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、 ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。 LabVIEW（ Lboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 數(shù)據(jù)采集 和儀器控制軟件。目前使用較多的是 IEEE488 或 GPIB協(xié)議。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)不必?fù)?dān)心弄壞儀3 器，可以極 大地 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。虛擬儀器具有仿真的用戶面板，學(xué)生通過操作虛擬面板就可學(xué)習(xí)和掌握儀器原理、功能與操作。虛擬儀器價(jià)格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。這種對(duì)關(guān)鍵部分的轉(zhuǎn)移進(jìn)一步增加了虛擬儀器的靈活性。虛擬儀器用戶可以才艮據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，通過不同功能模塊的組合可構(gòu)成多種儀器，而不必受限于儀器廠商提供的特定功能。 通過不同的軟件編程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)儀器的功能。 鑒于 Labview可以通過調(diào)用控件 ，實(shí)現(xiàn) Labview與 Matlab的混合編程，充分發(fā) 揮兩者的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，通過提供直觀友好的測(cè)控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā) 者來說是一個(gè)個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集。一般稱這個(gè) I/0 函數(shù)庫(kù)為 VISA 庫(kù)。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分： VISA 庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件?？梢酝瓿赡M實(shí)驗(yàn)，以便更好的幫助學(xué)生理解、消化、吸收學(xué)習(xí)內(nèi)容，重點(diǎn)解決教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中的一些難點(diǎn)問題。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用 NI公司的 Labview的語言系統(tǒng)，開發(fā)出基于Labview虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合第三方公司的數(shù)據(jù)采集卡，從而實(shí)現(xiàn)在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并且結(jié)合學(xué)校原有的硬件電路設(shè)備進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，達(dá)到顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。但是，由于 Matlab的局限性，不能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和硬件調(diào)試能力，并且軟件模擬實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的印象并不如硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)菢由羁獭?但是目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列問題，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?cái)?shù)量有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化嚴(yán)重以及嚴(yán)重缺乏實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師等，因此各種虛擬實(shí)驗(yàn)方法相繼提出。學(xué)生 對(duì)課文中的理論學(xué)習(xí)缺乏主觀積極性和學(xué)習(xí)興趣，而實(shí)踐教學(xué)過程中能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極 參與意識(shí)和表現(xiàn)意識(shí)，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的最好方法，而理論又是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的最好依據(jù)。 背景 “自動(dòng)控制原理”一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生需要掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)和調(diào)試工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。在高等工程教育中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以從根本上解決實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺問題。本文介紹了基于 LabVIEW 的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 ) 單位階躍響應(yīng)概括 .........................................................................................(4) 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ........................................................(5) 數(shù)學(xué)模型的介紹 .............................................................................................(5) 單位階躍響應(yīng)慨括 .........................................................................................(5) 動(dòng)態(tài)性能 .........................................................................................................(6) 系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ........................................................................(7) 未校正系統(tǒng)的性能 .........................................................................................(7) 校正系統(tǒng)的確定 .............................................................................................(8) 采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ........................................................................(8) “采樣 — 保持器”組件 ..................................................................................(8) 數(shù)學(xué)模型的介紹 .............................................................................................(8) 采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ................................................................(9) 頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ................................................................