【正文】 ing revolution,a new kind of automatic control theory virtual experiment system based on Labview is point and weadness of mon virtual experiment systems at present are analyzed and a virtual experiment system including mon experiments in Automatic Control Theory is pleleted successfully using Labview addition,proposal for hardware experiment expansion is put last,Matlab programming is used for parison and accuracy certification.Keywords: virtual instrument。automatic control experiment。本文設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)界面簡(jiǎn)單，參數(shù)改變方便等特點(diǎn)。自動(dòng)控制課程中，實(shí)驗(yàn)是一種重要的教學(xué)手段，學(xué)生通過(guò)做實(shí)驗(yàn)，可以加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高動(dòng)手能力，鍛煉發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。首先提出了基于Matlab的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用軟件模擬了實(shí)際硬件的全部功能。但是，由于Matlab的局限性，這些虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅限于軟件模擬，這樣不能鍛煉學(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?。所以，試?yàn)效果并不很理想。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有交互式人機(jī)接口和界面友好的特點(diǎn)。Labview像C或C++開(kāi)發(fā)環(huán)境一樣，也是一種程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，但與現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言不同的是，Labview采用圖形化編程語(yǔ)言—G語(yǔ)言，產(chǎn)生塊狀的程序。Labview也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷電、單步等。Labview程序又稱(chēng)虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類(lèi)似于實(shí)際的儀器，但Labview程序容易改變?cè)O(shè)置和功能。但是，對(duì)于一些需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的復(fù)雜應(yīng)用，Labview顯得有些力不從心。 鑒于Labview和Matlab的優(yōu)點(diǎn)，在Labview中調(diào)用和操作Matlab可實(shí)現(xiàn)Labview和Matlab的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。利用一套數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，通過(guò)不同的軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)儀器的功能。虛擬儀器具有仿真的用戶(hù)面板，學(xué)生通過(guò)操作虛擬面板就可學(xué)習(xí)和掌握儀器原理、功能與操作。在很大程度上，虛擬儀器可以代替真實(shí)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 Labview的介紹Labview是一種基于圖形的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念，它是一套專(zhuān)為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，強(qiáng)調(diào)了用戶(hù)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(lái)構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。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)。所謂解釋型是指用Labview開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)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(shuō)Labview不能生成真正的可執(zhí)行文件。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足完整的測(cè)試需求，但是這些不同設(shè)備之間的連接和集成總需耗費(fèi)大量時(shí)間，并不是輕易可以完成的。虛擬儀器的硬、軟件具有開(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。虛擬儀器改變了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶(hù)無(wú)法改變的模式。在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)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(hù)提供最方便的、最靈活的操作以及強(qiáng)大的功能，讓用戶(hù)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。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?？梢杂靡浑A微分方程描述的系統(tǒng)稱(chēng)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：()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)。Ui（S）Uo（S） 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)方框圖當(dāng)輸入信號(hào)r（t）=1（t）時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)c（t）稱(chēng)作其單位階躍響應(yīng)。:()引入?yún)?shù)，稱(chēng)作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為rad/s。R（S）+E（S）C（S）單位階躍函數(shù)作用下，二階系統(tǒng)的響應(yīng)稱(chēng)其為單位階躍響應(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。下面分別加以討論：a. 欠阻尼響應(yīng)阻尼比時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱(chēng)為欠阻尼響應(yīng)。 b. 臨界阻尼響應(yīng)阻尼比時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱(chēng)為臨界阻尼響應(yīng)。時(shí)間響應(yīng)為：()式中，；。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(guò)其特征參數(shù)和表達(dá)的計(jì)算式。峰值時(shí)間為：()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：()超調(diào)量為：()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： () () 。+_R(S)C(S) 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。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(wèn)題轉(zhuǎn)換到前面研究過(guò)的連續(xù)信號(hào)問(wèn)題上。 X（S）Xh（S）T “采樣—保持器”原理方框圖。R（S）C（S）+ 校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖。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)部均為負(fù)值，則閉環(huán)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。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。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。E（S）R（S）+M=1C（S） 繼電型非線性三階系統(tǒng)的原理方框圖若系統(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：()利用交點(diǎn)在橫坐標(biāo)上，求自振的振幅X，即：()這里，繼電型非線性元件 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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)包含“自動(dòng)控制原理”課程常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。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(jiàn)實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)它們進(jìn)行有選擇性的操作。開(kāi)始參數(shù)設(shè)置調(diào)用MATLAB程序結(jié)果顯示結(jié)束 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖：登陸系統(tǒng)、主程序和輸出報(bào)表。登陸系統(tǒng)是登陸了正確的用戶(hù)名和校驗(yàn)碼后可以進(jìn)入主程序。一階系統(tǒng)二階系統(tǒng)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) 主程序設(shè)計(jì)程序框圖正確不正確開(kāi)始輸入用戶(hù)名輸入校驗(yàn)碼是否正確進(jìn)入主程序界面初始化 登陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 建立報(bào)表屬性設(shè)置輸出報(bào)表 輸出報(bào)表設(shè)計(jì)的流程圖第4章 基于Labview的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huà)出一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線。 1. 面板設(shè)計(jì)啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，面板主要控件如下。 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)儀器面板2. 程序框圖設(shè)計(jì)a. 執(zhí)行Functions》All Functions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLAB Script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。num=[K]。sys=tf(num,den)。y=step(sys,t)。 c. 連線。 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)運(yùn)行結(jié)果 實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真和正確性驗(yàn)證在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。1. 面板設(shè)計(jì)啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，面板主要控件如下。