【正文】 7 致謝 ..................................................................................................................................... 48 附錄Ⅰ 系統(tǒng)前面板圖 ....................................................................................................... 49 附錄Ⅱ 系統(tǒng)程序框圖 ....................................................................................................... 59 1 第 1 章 緒論 隨著教育規(guī)模的不斷增長和高等教育課程教學內容的更新，許多院校實驗室的儀器設備由于數(shù)量不夠、功能落后，無法滿足開放性和設計性實驗教學的需要，作為未來儀器發(fā)展的一個重要方向，虛擬儀器技術克服了傳統(tǒng)儀器功能單一、無法靈活配置的缺點。Labview。最后，利用 Matlab語言編程進行對比分析，進行正確性驗證。 基于 LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗 系統(tǒng)設計 院 系 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 負責教師 I 摘 要 根據(jù)“自動控制原理”課程實驗教學在高校實驗實踐中遇到的困難和實驗教學改革的需要，本文提出了建立基于 Labview的自動控制虛擬實驗系統(tǒng)方案。文中分析了目前常見的虛擬實驗系統(tǒng)，相應的應用 Labview編程語言實現(xiàn)了包含“自動控制原理”課 程常見實驗的虛擬實驗系統(tǒng)。 關鍵詞 ： 虛擬儀器； Labview；自動控制實驗； Matlab II Abstract On the basis of problems encountered in actual experiment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of experiment teaching 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。本文設計的虛擬實驗系統(tǒng)具有實驗界面簡單，參數(shù)改變方便等特點。自動控制課程中，實驗是一種重要的教學手段， 學生通過做實驗，可以加深對所學知識 的理解，提高動手能力，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。 首先提出了基于 Matlab的虛擬實驗系統(tǒng)，用軟件模擬了實際硬件的全部功能。但是，由于 Matlab的局限性，這些虛擬實驗系統(tǒng)僅限于軟件模擬，這樣不能鍛煉學生的動手能力和硬件調試能力，并且軟件模擬實驗給學生的印象并不如硬 件實驗那樣深刻。所以，試驗效果并不很理想。 虛擬實驗系統(tǒng)具有交互式人機接口和界面友好的特點。 2 課題的目的與意義 Labview像 C或 C++開發(fā)環(huán)境一樣，也是一種程序語言開發(fā)環(huán)境，但與現(xiàn)有的計算機高級語言不同的是， Labview采用圖形化編程語言 — G語言，產生塊狀的程序。 Labview也有完善的仿真、調試工具，如設置斷電、單步等。 Labview程序又稱虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實際的儀器，但 Labview程序容易改變設置和功能。但是， 對于一些需要進行大量數(shù)據(jù)運算處理的復雜應用， Labview顯得有些力不從心。 鑒于 Labview 和 Matlab的優(yōu)點，在 Labview 中調用和操作 Matlab可 實現(xiàn)Labview和 Matlab的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。 利用一套數(shù)據(jù)采集硬件設備，通過不同的軟件編程，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，學生通過操作虛擬面板就可學習和掌握儀器原理、功能與操作。在很大程度上，虛擬儀器可以代替真實儀器進行實驗教學。 Labview 的介紹 Labview 是一種基于圖形的集成化程序開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了虛擬儀器的概念， 3 它 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)表達而設計的圖形化編程軟件，強調了用戶在標準的計算機上配以高效經濟的硬件設備來構建自己的儀器系統(tǒng)的能力。結構化是指 Labview 的程序完全支持順序結構、循環(huán)結構和條件結構 3 種標準結構。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。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，但是這些不同設備之間的連接和集成總需耗費大量時間，并不是輕易可以完成的。 虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。虛擬儀器改變了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。 在驅動和應用兩個層面上，優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺已經將其高效的軟件構架與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起，給用戶提供最方便的、最靈活的操作以及強大的功能，讓用戶輕松地配置、創(chuàng)建、部署和維護高性能、低成本的測量和控制解決方案。 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業(yè)，尤其在發(fā)達國家中發(fā)展更快，其設計、生產和使用已經十分普及，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。 一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實驗系統(tǒng)設計原理 數(shù)學模型的建立 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)的運動方程具有如下的一般形式： )()()( trtcdttdcT ?? () 式中， T 為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，代表系統(tǒng)的慣性； c（ t）和 r（ t）分別是系統(tǒng)的輸出信號和輸入信號。 圖 一階系統(tǒng)慣性 環(huán)節(jié)方框圖 單位階躍響應 當輸入信號 r（ t） =1（ t）時，系統(tǒng)的響應 c（ t）稱作其單位階躍響應。 對式 進行拉氏變換得二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 : 121)( )()( 22 ????? TsSTSR SCS ? () 引入?yún)?shù) T/1?? ，稱作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為 rad/s。 圖 方框圖 單位階 躍響應 單位階躍函數(shù)作用下，二階系統(tǒng)的響應稱其為單位階躍響應。 對上式兩端取拉氏反變換，可以求出系統(tǒng)的單位階躍響應表達式。下面分別加以討論： a. 欠阻尼響應 阻尼比 01 ??? 時， 系統(tǒng)的響應稱為欠阻尼響應。 b. 臨界阻尼響應 阻尼比 1?? 時， 系統(tǒng)的響應稱為臨界阻尼響應。 時間響應為： ???? ? 1/1)(121TT etcTt1/ 122??TTeTt () 式中，)1( 1 21 ??? ???T； )1( 1 22 ??? ???T。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 應的表達式，可以導出系統(tǒng)性能指標通過其特征參數(shù) ? 和 ? 表達的計算式 。 峰值時間為： 21 ????? ???dpt () b. 超調量 Mp 超調量 Mp 指階躍響應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 () 超調量為 ： %10 0% 21 ?? ?? ???eMp () c. 調節(jié)時間 ts 工程上，當 ??? 時，通常用下列二式近似計算調節(jié)時間： ??4?st )(%2 ??? c () ??3?st )(%5 ??? c () 系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)設計原理 未校正系統(tǒng)的性能指標計算 原系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。 圖 校正后系統(tǒng)的方框圖 采樣系統(tǒng)虛擬實 驗系統(tǒng)設計原理 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。只要在系統(tǒng)中采用“采樣 — 保持器”組件，即可實現(xiàn)離散信號到連續(xù)信號的轉換，便把問題轉換到前面研究過的連續(xù)信號問題上。 + C(S) _ R(S) )( 20?SS ??SS )(20?SS + _ R(S) C(S) 9 圖 “采樣 — 保持器”原理方框圖 數(shù)學模型的建立 閉環(huán)采樣控制 系統(tǒng)原理方框圖如圖 所示。 采樣系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)設計原理 設校正前閉環(huán)采樣系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。 圖 校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖 頻率特性虛擬實驗系統(tǒng)設計原理 被測系統(tǒng)的原理方框圖如圖 所示。 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實驗系統(tǒng)設計原理 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，不論是實根還是復根，若其實部均為負值，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)的全部極點都位于 S 左半平面。 繪制系統(tǒng)的單位階躍響應曲線驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 繪制系統(tǒng)的單位階躍響應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。 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： 利用交點的虛部為零，求交點的角頻率 w，即： 0)](Im[ ?jwG () 利用交點在橫坐標上，求自振的振幅 X，即 ： )](Re [1 AjwGN ?? () 這里，繼電型非線性元件 XMN ?4? E（ S） R（ S） + M=1 )2)(1( 10 ?? SSS C（ S） 13 第 3 章 程序方案設計 總體設計 本畢業(yè)設計的主要內容是：應用 Labview 編程語言實現(xiàn)包含“自動控制原理”課程常見實驗的虛擬實驗系統(tǒng)。在正確的登陸以后，進入到主程序，在主程序中包含了所有的“自動控制原理”課程常見實驗，可以對它們進行有選擇性的操作。 總體設計的流程圖如圖 所示。 圖 虛擬實驗設計流程圖 用戶管理程序設計 本畢業(yè)設計涉及的用戶管理程序如 節(jié)所指：登陸系統(tǒng)、主程序和輸出報表。 登陸系統(tǒng)是登陸了正確的用戶名和校驗碼后可以進入主程序，其流程圖如圖 所示。 開始 參數(shù)設置 調用 MATLAB 程序 結果顯示 結束 15 圖 主程序設計程序框圖 圖 登陸系統(tǒng)設計流程圖 圖 輸出報表設計的流程圖 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) 進入系統(tǒng) 正確 不正確 開始 輸入用戶名 輸入校驗碼 是否正確 進入主程序 界面初始化 建立報表