【正文】 它們是由編程來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)者可以根 據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求設(shè)計(jì)儀器面板。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下 6個特點(diǎn) [7]： （ 1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導(dǎo)致許多識別與操作錯誤。虛擬儀器技術(shù)將不但成為測量技術(shù)領(lǐng)域的主流，而且將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 。由于可充分利用 PC、網(wǎng)絡(luò)和通訊的相關(guān)技術(shù)，虛擬儀器有望取代測量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。通過不同軟件模塊的組合，還可以實(shí)現(xiàn)多種自動測試功能。 在虛擬儀器系統(tǒng)中，儀器功能是由軟件編程來實(shí)現(xiàn)的。 在虛擬儀器里由軟件在計(jì)算機(jī)顯示器上生成類似于真實(shí)儀器的操作面板，物理的開關(guān)、按鍵、旋鈕以及數(shù)碼管等顯示器件都是由與實(shí)物外觀很相似的圖形控件來代替，操作人員通過鼠標(biāo)或者鍵盤操縱軟件界面中的這些控件來完成儀器的控制。 虛擬儀器的概念 所謂的虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的通用硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義，采 用虛擬面板，測試功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。且本控制系統(tǒng)采用的直流電機(jī)為小功率電機(jī)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)以變壓調(diào)速為主。 對于要求在一定內(nèi)無極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最佳。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。今年來，由于大功率晶體管 (GTR)，特別是 IGBT 功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo) 體器件實(shí)現(xiàn)的 直流電動機(jī) 脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數(shù)量級。 3） 采用大功率半導(dǎo)體器件的 直流電動機(jī) 脈寬調(diào)速方法 。這是它的一個極為重要的特點(diǎn)。 變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖 24(b)中。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 2） 采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法 。為克服這些缺點(diǎn)， 50 年代開始采用水銀整流器（大容量）(a) 調(diào)速電路 (b) 機(jī)械特性 圖 23 發(fā)電機(jī) 電動機(jī)調(diào)速電路機(jī)械特性圖 8 和閘流管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。由于電動機(jī)既可以工作在電動機(jī)狀態(tài)，又可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵磁電流的方向，如圖 23(a)中切換接觸器 ZC 和 FC，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個象限內(nèi)。 如圖 23(a)所示，通過改變發(fā)電機(jī)勵磁電流 IF 來改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓 aU ，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。下面 分別介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)。連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使 直流電動機(jī) 在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。而且由于勵磁線圈電感較大， 動態(tài)響應(yīng)較差。 這種調(diào)速電路的實(shí)現(xiàn)很簡單 ， 只要在勵磁繞組上加一個獨(dú)立可調(diào)的 電源 供電即可實(shí)現(xiàn)。 為了使電動機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動機(jī)磁通 ? 的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地降低。由式（ ）可看出，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通 ? （也就是勵磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 升高；反之，則 n 降低。 這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為 2： 1 左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。其機(jī)械特性如圖 22(b)所示。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為： ????ewaaa C RRIUn )( )(式中 wR 為電樞回路中的外接電阻（ ? ）。 直流 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 和其他參量的關(guān)系可表示為 ： ( / m in)a a aeU I RnrC?? ?? )( 式 )( 中 ： aU —— 電樞供電電壓（ V ）； aI —— 電樞電流（ A ）； ? —— 勵磁磁通（ Wb ）； aR —— 電樞回路總電阻（ ? ）； eC —— 電勢系數(shù)； apNCe 60? )( 式 )( 中： P 為電磁對數(shù)， a 為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N 為導(dǎo)體數(shù)。機(jī)械方法是通過改變傳動機(jī)構(gòu)的傳動比來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。 定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝備；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件。下面介紹它的具體結(jié)構(gòu) [3]（如圖 21）。因此，直流電動機(jī)可獲得恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 工作原理 本論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的電動機(jī)是普通的直流電機(jī)， 直流電動機(jī)的工作原理是基于載流導(dǎo)體在磁場中受力產(chǎn)生電磁力形成電磁轉(zhuǎn)矩的基本原理。 第六章 結(jié)論，主要是對本文的研究情況作總結(jié)。 本文的結(jié)構(gòu)安排 本論文主要分六章： 第一章 前言，介紹論文研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、本文內(nèi)容以及架構(gòu)； 第二章 直流電機(jī)，主要介紹了直流電機(jī)的速度控制方法； 第三章 虛擬儀器與 LabVIEW 介紹，詳細(xì)介紹虛擬儀器和 LabVIEW 編程語言。 （ 4）詳細(xì)介紹了 PID 控制系數(shù)整定方法，并應(yīng)用于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速在線實(shí)時(shí)控制過程中。 （ 3）以 LabVIEW 為開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)出來直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 VI，并擁有良好的使用界面。 3 本課題的工作內(nèi)容 本文完成的工作有： （ 1）詳細(xì)介紹了虛擬儀器技術(shù)以及 LabVIEW 編程方法。其中，采用虛擬儀器對系統(tǒng)進(jìn)行 PID 控制是一個新的組合方法，有較好的發(fā)展前景。第四代 I GBT 具有發(fā)熱減少、高載波控制、開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小等特點(diǎn)，它的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。 功率器件及變頻技術(shù)以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)。電力電子器件是實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的關(guān)鍵所在。近年來，各種集成化的數(shù)字信號處理器（ DSP)的性能得到很大的改善，比起單片機(jī)， DSP具有更快的 CPU，更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和 FIFO 緩沖器，越來越多的單片機(jī)使用者開始選用 DSP 器件來提高產(chǎn)品性能。目前，現(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA） 可以作為一種解決方案，一片 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代對快集成電路和分立元件組成的電路。 有了好的控制方法，還需要有能將其實(shí)現(xiàn)的控制器。 MATLAB 程序設(shè)計(jì)語言是美國 MathWorks 公司在 20 世紀(jì) 80 年代中期推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件，是國際、國內(nèi)控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的計(jì)算和仿真軟件 ,功能強(qiáng)大，工具箱豐富。為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方針提供的軟件業(yè)越來越多。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面。目前，在電機(jī)速度控制領(lǐng)域，由于 PID 控制算法簡單，結(jié)構(gòu)改變靈活，技術(shù)成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外電機(jī)控制有關(guān)方面的研究工作正圍繞電機(jī)控制理論、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、電機(jī)控制器、電力電子技術(shù)幾個方面展開。在此基礎(chǔ)上，研究直流電機(jī)的基于虛擬儀器的速度控制將有極大的意義。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流發(fā)電機(jī)雖有被可控整流電源取代的趨勢，但從供電的質(zhì)量和可靠性來看，直流發(fā)電機(jī)仍有一定的優(yōu)勢。 LabVIEW 作為虛擬儀器概念的首創(chuàng)者，自 1986 年問世以來，已經(jīng)成為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ，在研究、制造和開發(fā)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測試儀器，開發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)，測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分保證，具有很高的性價(jià)比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能的轉(zhuǎn)換與補(bǔ)充。 velocity of DC motor。 LabVIEW。本文以 PID 經(jīng)典控制方法為理論指導(dǎo)，采用經(jīng)驗(yàn)法、 4： 1 衰減法分別對直流電機(jī) PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，然后利用整定結(jié)果進(jìn)行速度在線實(shí)時(shí)控制，最后對控制效果進(jìn)行對比與分析。 本文主要開發(fā)了基于 LabVIEW 的直流電機(jī)的速度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了電 機(jī)轉(zhuǎn)速控制 VI，實(shí)現(xiàn)了其速度的在線實(shí)時(shí)控制，達(dá)到了較好的速度控制效果。 在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，電機(jī)是工業(yè)應(yīng)用及電能生產(chǎn)的基本裝備，同時(shí)也是速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的核心部件之一，應(yīng)用范圍極為廣泛，特別是拖動系統(tǒng)。 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 （設(shè)計(jì)） 題 目： 基于 LabVIEW 的直流電機(jī)控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 院 系： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自動化系 專 業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 朱文城 學(xué) 號： 05376017 指導(dǎo)教師： 楊智 （職 稱） 中山大學(xué)教授 二〇〇 九 年 五 月 i 摘 要 虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測量與控制技術(shù)的一個新的發(fā)展方向。虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)的一個重要組成部分，其中最具有代表性的是圖形化編程開發(fā)平臺LabVIEW，它是一個功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用的開發(fā)工具。因此弄清和熟悉電機(jī)的特性，研究其速度控制方法尤為重要。軟件方面，主要采用美國 NI 公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW 作為平臺；硬件方面，主要采用 NI ELVIS 虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件 ,并結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ)PCI6024E。 關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 ； LabVIEW ； PID ；電機(jī)轉(zhuǎn)速 ；數(shù)據(jù)采集卡 ii Abstract Virtual instrument technology is a new development direction of puter measure and control technology. Virtual instrument is an important ponent of virtual instrument technology, and LabVIEW is the most representative graphic programming development platform with its powerful and flexible function. In the modern industry domain, the DC motor is basic equipment in industry application and electric energy producing, and it is the most important part in the DC motor velocity control system, which is used in many domains, especially in drag system. Therefore, it is very important to clear and know well the feature of DC motor and its velocity control methods. The article mainly develops the speed control system based on the LabVIEW for the DC motor, and designs the speed control VI which has realized its speed online realtime control and achieves a good speed control effect. The software system mainly uses LabVIEW, which is a virtual instrument development platform and is promoted by NI Corporation. The hardware mainly uses virtual instrument teaching experiment suite of the NI ELVIS, unifies the multipurpose data acquisition system called PCI6024E. The article takes the PID classical control theory as the conduct, uses the thumb rule and 4:1 weaken law to carry on the installation separately to the PID variable of DC motor, and then carries on the speed online realtime control using the installation result, and finally carries on the contrast and the analysis to the control effect. Keywords: Vi rtual instrument