【正文】 曲線出發(fā)進(jìn)行研究，這就是工程中的圖解分析法。完整地描述了網(wǎng)絡(luò)在正弦輸入電壓作用下，穩(wěn)態(tài)輸出時電壓幅值和相角隨正弦輸入電壓頻率變化的規(guī)律，稱為網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。當(dāng)時間時，第一項(xiàng)趨于零，所以上述網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可以表示為 （） 由式（）可知，網(wǎng)絡(luò)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仍是一個同頻率的正弦信號，但幅值和相角發(fā)生了變化，其變化取決于頻率。一個RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其微分方程為： （）式中。法則7 根軌跡的起始角與終止角。 （）法則6 根軌跡與虛軸的交點(diǎn)。兩條或兩條以上根軌跡分支在s平面上相遇又立即分開的點(diǎn)，稱為分離點(diǎn)。實(shí)軸上的某一區(qū)域，若其右邊開環(huán)實(shí)數(shù)零、極點(diǎn)個數(shù)之和為奇數(shù)，則該區(qū)域必是根軌跡。法則3 根軌跡的漸近線。法則2 根軌跡的分支數(shù)、對稱性和連續(xù)性?，F(xiàn)分述如下：法則1 根軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。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。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。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或時間常數(shù)T等）變化而在s平面上移動的軌跡（簡稱根軌跡）。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(yīng)用。工程上，通常用下列二式近似計(jì)算調(diào)節(jié)時間。二階系統(tǒng)超調(diào)量為： （）(3)調(diào)節(jié)時間ts：調(diào)節(jié)時間是指在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，%%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間。常用的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)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(dá)第一個峰值所需的時間。2．2．3 二階系統(tǒng)動態(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、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts。時間響應(yīng)為： （）(3)過阻尼響應(yīng)：阻尼比時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為過阻尼響應(yīng)。時間響應(yīng)為： （）式中，；。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(yīng)對應(yīng)有不同的運(yùn)動規(guī)律。由式（），其輸出的拉氏變換為： ()對分母多項(xiàng)式作因式分解，得到： ()式中，S1,S2是系統(tǒng)的兩個閉環(huán)特征根。對式（）進(jìn)行拉氏變換得二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: ()引入?yún)?shù)w=1/T,稱作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為rad/s。對式（）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： （）一階系統(tǒng)的方框圖如圖21所示Ui（S）Uo（S） 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r(t)=1(t)時，系統(tǒng)的響應(yīng)c(t)稱作其單位階躍響應(yīng)。一階系統(tǒng)的運(yùn)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)。程序框圖如圖14所示，函數(shù)選板圖15所示。這里是編程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。程序框圖也叫后面板，與前面板相互對應(yīng)。前面板如圖12所示，控件選板如圖13所示。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，找到相應(yīng)的控件，并拖動到需要的位置即可。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。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。除此之外，LabVIEW還包含了針對應(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)存儲以及Internet網(wǎng)絡(luò)通信的函數(shù)庫。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)。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。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。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。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。LabVIEW所采用的圖形化開發(fā)語言又叫做G（表示graphical）語言。結(jié)構(gòu)化是指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。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(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。NI公司是世界上最大的虛擬儀器制造商，從NI的發(fā)展規(guī)?？梢钥闯鎏摂M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)。由于虛擬儀器具有先進(jìn)的性能和廣泛的應(yīng)用前景，在NI公司之后還有很多知名廠商加入到虛擬儀器的研發(fā)中。當(dāng)Windows ，其良好的操作性能得到廣大用戶的肯定，并為虛擬儀器的快速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。經(jīng)過不斷的改進(jìn)，1986年5月NI公司推出了LabVIEW Beta版本，同年10月推出了LabVIEW 。后來杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱倆人在多次研發(fā)后，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將一些功能進(jìn)行了模塊化處理，大大簡化了程序結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性。世界上最早開發(fā)虛擬儀器的公司是National Instrument(簡稱NI)公司。 圖11 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器組成的對比圖1．2．4虛擬儀器的發(fā)展過程虛擬儀器產(chǎn)生的關(guān)鍵是測試計(jì)算的發(fā)展和計(jì)算機(jī)水平的提高。一個好的虛擬儀器開發(fā)平臺應(yīng)該使用戶能根據(jù)自己的專業(yè)知識，定義各種界面模式，設(shè)置檢測方案或步驟，該軟件平臺就能完成相應(yīng)的檢測任務(wù)，并給出非常直觀的分析結(jié)果。第三部分是由軟件實(shí)現(xiàn)的。1．2．3 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器的構(gòu)成主要包括三部分：數(shù)據(jù)輸入部分(包括模擬量輸入和數(shù)字量輸入)，數(shù)據(jù)輸出部分(包括模擬量輸出和數(shù)字量輸出)，數(shù)據(jù)處理部分(包括數(shù)據(jù)的處理控制和顯示等)。現(xiàn)在的虛擬儀器可基本都可與傳統(tǒng)儀器兼容，也就是說虛擬儀器可以和傳統(tǒng)儀器搭配工作。它提供了充分發(fā)揮個人才能和想象空間的平臺，可編寫適合自己的儀器儀表。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，如數(shù)據(jù)采集、視覺、運(yùn)動和分布式I/O等，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少任務(wù)的復(fù)雜性；（4）界面友好，虛擬儀器采了圖形化界面，在屏幕上可以直接構(gòu)建儀器面板。其軟件適用性強(qiáng)，只需修改程序和部分硬件就能開發(fā)出不同的測試系統(tǒng)；（3）智能化程度高，虛擬儀器相關(guān)的軟件應(yīng)用簡單，功能強(qiáng)大，集成了大量常用工具。同時越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)出更強(qiáng)大的優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)分享進(jìn)入了一個全新的階段；（2）擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性好，虛擬儀器的提出是針對于傳統(tǒng)儀器而言的，它們之間最大的區(qū)別是虛擬儀器完成的測量或控制任務(wù)中所需的軟件和硬件設(shè)備是由用戶定義的。1．2．2 虛擬儀器的特征 虛擬儀器的出現(xiàn)到現(xiàn)在的廣泛應(yīng)用經(jīng)歷了幾十年，可以說它的發(fā)展速度是相當(dāng)快的，尤其是近年來各行各業(yè)中大量應(yīng)用此技術(shù)。虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化、多樣化和模塊化等功能，體現(xiàn)出多功能、低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和完善，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程調(diào)試和控制。因而用戶不用花費(fèi)昂貴的價格購買多種不同功能的儀器，只需要在最基本的虛擬單位上進(jìn)行自行開發(fā)。虛擬儀器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理能力，也具有友好的人機(jī)界面。其把傳統(tǒng)儀器的顯示和硬件數(shù)據(jù)處理引入到計(jì)算機(jī)中來顯示并進(jìn)行軟件處理，這也是近年來計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展的結(jié)果。它充分利用了計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的計(jì)算和存儲。它們的區(qū)別是，前者把計(jì)算機(jī)裝入儀器，后者把儀器裝入計(jì)算機(jī)。1．2 虛擬儀器技術(shù)的介紹 1．2．1 虛擬儀器的簡介 虛擬儀器是個全新的概念，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的結(jié)晶，同樣也是測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器采集的是現(xiàn)場的真實(shí)的物理數(shù)據(jù)，可通過與其他儀器，電路相互配合，完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，很大程度上虛擬儀器可以代替真實(shí)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中采用虛擬儀器技術(shù)，不僅大大節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，還可以提高實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平，滿足大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不斷改革的現(xiàn)實(shí)需要，為大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)提供了一條可行的途徑。用戶可以用虛擬儀器來組建適合自己的任何儀器系統(tǒng)，再也不必將自己封閉在功能固定、性能單一而且價格昂貴的傳統(tǒng)儀器中。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW，以圖形化編程語言和集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合第三方公司提供的數(shù)據(jù)采集卡（DQA），對虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍加改動就能夠?qū)崿F(xiàn)對課堂上的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以顯著的提高教學(xué)效果。但是，由于MATLAB是用軟件模擬了硬件的全部功能，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?。它可靠的?shù)值計(jì)算和符號計(jì)算功能、簡單易學(xué)的編程語言、強(qiáng)大的圖形功能以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱以及像“草稿紙”一樣的工作空間是區(qū)別于其它科技應(yīng)用軟件的顯著特點(diǎn)。因此各種虛擬實(shí)驗(yàn)方法相繼提出[2]。但是目前自動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列的問題，諸如：實(shí)驗(yàn)設(shè)備由傳統(tǒng)模擬或數(shù)字器件構(gòu)成，設(shè)備容易老化；實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)重復(fù)，沉積較多，利用率差，造成資源浪費(fèi)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備參差不齊，大部分落后于課程建設(shè)的需要，設(shè)備維修更新需要大量的人力物力；滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性，甚至在教學(xué)過程中，常常缺乏專業(yè)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師。由于該課程實(shí)踐性極強(qiáng)，所以在課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種重要的教學(xué)手段。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器、 自動控制原理實(shí)驗(yàn)、 LabVIEW ABSTRACT This paper is based on Virtual Instrument software LabVIEW of NI graphical software programming and integrated development environment to achieve the ``Automatic Control Theory``Virtual experiment system