【正文】 …..233． 3． 3顯示效果………………………………………………………………………..253．4 頻率特性之伯德圖虛擬實驗設(shè)計……………………………………...…..253． 4． 1 功能描述…………..……………………………………………………….…..253． 4． 2 設(shè)計步驟………….…………………………………………………..………..253． 4． 3 顯示效果……………………………………………………………..………...263．5 頻率特性之奈氏圖虛擬實驗設(shè)計……………………………………....….263． 5． 1功能描述…………….………………………………………………….…..…..273． 5． 2程序設(shè)計………………………………..…………………………………….273． 5． 3顯示效果……………………………………………………………………..…273．6 串聯(lián)校正虛擬實驗設(shè)計……………………………………..………………….283．6．1功能描述……………………………………..……………………………………283．6．2設(shè)計步驟………………………………………………………………….…..…..283． 6． 3顯示效果……………………………………………………………..……..…..303．7非線性虛擬實驗設(shè)計…………………………………………………….……..…..303．7．1功能描述………………………………………………………………..……..…..303．7．2設(shè)計步驟………………………………………………………………..……..…..313．7．3顯示效果……………………………………………………………………..…....313．8 登錄系統(tǒng)實驗設(shè)計…………………………………………………………...…..323．8．1功能描述……………………………………………………………………..……323．8．2程序設(shè)計……………………………………………………………………..……323．8．3顯示效果……………………………………………………………..………..….334 結(jié)論………………………………………………………………………………….………34參考文獻………………………………………………………………………………………35致謝………………………………………………………………………………………..……36武漢紡織大學(xué)2015畢業(yè)設(shè)計論文37武漢紡織大學(xué)2015屆畢業(yè)設(shè)計論文1 前言1．1 背景在我國自動化及其相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，《自動控制原理》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程旨在讓學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計方法，為設(shè)計和調(diào)試工業(yè)上自動控制系統(tǒng)打下堅實基礎(chǔ)。通過實驗教學(xué)，可以加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生動手能力，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、決解問題的能力。這些在很大程度上制約了實驗教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。首先提出了基于MATLAB的虛擬實驗系統(tǒng)，MATLAB是一廣泛應(yīng)用于工程計算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級語言，由主開發(fā)環(huán)境、擴展MATLAB功能的工具箱、Simulink仿真環(huán)境和第三方開發(fā)的輔助工具等內(nèi)容組成。在自動化專業(yè)教學(xué)中引入MATLAB仿真解決了目前自動控制實驗教學(xué)中的一些問題，并在一定程度上提高了《自動控制原理》課程的教學(xué)效果。另外，MATLAB軟件模擬實驗往往需要學(xué)生對其有一定的了解，這對低年級的學(xué)生來說有一定的困難。基于LabVIEW虛擬實驗系統(tǒng)具有交互式人機接口和界面友好的特點，使得用戶可以自己定義儀器，靈活的設(shè)計儀器系統(tǒng)。用戶只需利用一套數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，通過軟件編程，就可以實現(xiàn)多個儀器的功能。虛擬儀器具有仿真的用戶面板，學(xué)生通過虛擬面板控件就可以了解儀器原理、功能和操作。并且學(xué)生在實驗時不必擔心順壞儀器，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)枯燥的理論課程的同時，從實驗課程中找到學(xué)習(xí)的樂趣，極大的提高學(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。從計算機和儀器兩者的結(jié)合粗略地講，虛擬儀器可以分為智能儀器和虛擬儀器。虛擬儀器把計算機的處理器、存儲器、顯示器和儀器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字輸入輸出等結(jié)合到一起，用于數(shù)據(jù)的分析處理、傳輸、顯示等。虛擬儀器是在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有特點，并超越了傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器配置了多種相應(yīng)的I/O接口設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，用不同功能的測試軟件對數(shù)據(jù)信號進行分析處理及顯示，構(gòu)成一整套的虛擬測試系統(tǒng)。其各個功能和面板可以由編程用戶根據(jù)需要進行擴展和自定義。在不同時期的不同場合下，用戶可以編寫程序來實現(xiàn)對不同環(huán)境的測量，達到資源節(jié)省。虛擬儀器的產(chǎn)生，徹底改變了多年來傳統(tǒng)儀器的觀念，開辟了測量及控制領(lǐng)域的新紀元。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有更大的應(yīng)用范圍，因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視。它的迅速發(fā)展，主要依托如下幾個方面：（1）性能高，虛擬儀器是建立在計算機平臺基礎(chǔ)之上的，隨著計算機運行速度的快速發(fā)展、數(shù)據(jù)傳輸能力的不斷加強及與PC總線的結(jié)合，數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能適時地進行復(fù)雜的分析計算并保存。虛擬儀器具有開放的模塊化設(shè)計，用戶可按自己的要求對其開發(fā)使用。它具有強大的數(shù)據(jù)分析、計算，圖形顯示等功能。這些操作過程簡單、快捷，儀器功能選擇、參數(shù)設(shè)置和顯示等都可以通過友好的人機對話來實現(xiàn)；（5）開發(fā)時間少，高效的軟件構(gòu)架與計算機、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，使開發(fā)過程相當快。虛擬儀器軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的靈活操作，同時提供強大的功能，讓用戶能輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布和維護一個系統(tǒng)；（6）兼容性，虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器會并存一段時間，有一些場合必然要將兩者配合使用，他們之間的兼容性問題已成為關(guān)注的焦點。虛擬儀器提供了與傳統(tǒng)儀器連接的總線，例如USB、GPIB、串行總線和以太網(wǎng)等，同時也提供了大量互相連接的函數(shù)庫，方便它們之間的連接。有些虛擬儀器前倆部分是由插入計算機插槽的數(shù)據(jù)采集板(即所謂的 DAQ 卡)實現(xiàn)的。虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器組成的對比圖如圖11。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，是許多行業(yè)發(fā)生了巨大的變化，各行業(yè)之間的聯(lián)系更加緊密。20世紀70年代，杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱倆人為美國海軍研制一種聲納測試儀，它是基于計算機的測試儀，能為用戶提供多種數(shù)據(jù)、多層次的交互式接口，并在計算機的控制下完成指定的測試任務(wù)，它還可以對系統(tǒng)中的可編程控制器進行編程，配置不同的測試系統(tǒng)，這就是第一次開發(fā)出的虛擬儀器，成本相當高而且開發(fā)的周期很長，用戶在操作過程中要學(xué)習(xí)很多的指令，難以在短時間內(nèi)掌握。這是一次里程碑式的改進，為以后虛擬儀器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。在Windows ，LabVIEW完全運行在Macintosh平臺上。隨后，通過NI公司的研發(fā)，使虛擬儀器的功能越來越強大，如現(xiàn)在的LabVIEW 2014。例如，HP公司、PC儀器公司、Racal公司等先后研發(fā)了一些儀器，但NI公司任然處于領(lǐng)先地位。1．3 虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW1．3．1 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”。Labview是一種結(jié)構(gòu)化解釋型開發(fā)平臺。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。通過這種語言，可以極大的提高工作效率。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。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。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(wù)。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。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。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。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?？丶x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。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。 圖12 VI前面板 圖13控件選板2 程序框圖（block diagram）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。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。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。 圖14 VI程序框圖 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(xué)模型的建立自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個復(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)的運動方程具有如下的一般形式： （）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。拉氏變換為： （）兩端去拉氏反變換，求的其單位階躍響應(yīng)為： ()2．2 二階系統(tǒng)實驗原理2．2．1 數(shù)學(xué)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： （）式中—二階系統(tǒng)的時間常數(shù)，單位為秒；—二階系統(tǒng)的阻尼比，無量綱。則 ()二階系統(tǒng)的方框圖如圖22所示：R（S）+E（S）C（S） 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)。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(yīng)表達式。下面分別加以討論：(1)欠阻尼響應(yīng)：阻尼比時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為欠阻尼響應(yīng)。(2)臨界阻尼響應(yīng)：阻尼比時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為臨界阻尼響應(yīng)。時間響應(yīng)為： （）式中，；。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(yīng)的表達式，可以導(dǎo)出系統(tǒng)性能指標通過其特征參數(shù)和表達的計算式。二階系統(tǒng)峰值時間為： （）(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。調(diào)節(jié)時間又成為過渡時間。