【正文】 總體設(shè)計(jì)的流程圖如圖 41。這些實(shí)驗(yàn)有著不同的實(shí)驗(yàn)原理，但是，有著相同的設(shè)計(jì)步驟，其設(shè)計(jì)的流程圖如圖 42。主程序是一個(gè)包含所有虛擬實(shí)驗(yàn)的程序，其程序框圖如圖 43。 ……圖 43 主程序設(shè)計(jì)程序框圖一階系統(tǒng) 二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)穩(wěn)定性判定奈氏曲線繪制 根軌跡的繪制增益裕量與相位裕量分析 超前校正與滯后校正采樣系統(tǒng)校正進(jìn)入系統(tǒng)開始進(jìn)入系統(tǒng)填寫登錄信息選擇實(shí)驗(yàn)退出15 / 46圖 44 登陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖5 《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā) 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 功能描述本實(shí)驗(yàn)是研究一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線。 設(shè)計(jì)步驟 16 / 46(1) 前面板設(shè)計(jì)啟動(dòng) LabVIEW，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖 51。圖 51 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)儀器前面板(2) 程序框圖設(shè)計(jì)①依次點(diǎn)擊 Functions→All Functions→Analyze→Mathematics→Formula→MATLAB Script 進(jìn)行操作，并根據(jù)表 51 添加輸入、輸出變量。num=[K]。sys=tf(num,den)。y=step(sys,t)。 ③進(jìn)入后面板，如圖 52 完成連線。點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)說明”按鈕可以查看實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，輸入相應(yīng)參數(shù)后點(diǎn)擊“保存”可以將數(shù)據(jù)以圖片格式保存。 二階系統(tǒng)的時(shí)域特性研究 功能描述 本實(shí)驗(yàn)是研究二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。 在已知傳遞函數(shù)的情況下，依次輸入分子、分母系數(shù)后運(yùn)行程序，可以直觀的看到階躍特性曲線、脈沖特性曲線和時(shí)間特性曲線并讀出上升時(shí)間、峰值18 / 46的主要參數(shù)。圖 54 二階系統(tǒng)的時(shí)域特性研究前面板（創(chuàng)建傳遞函數(shù)） 創(chuàng)建“創(chuàng)建二次傳遞函數(shù)” ，可以通過輸入 和 來定義不同的傳遞函數(shù)，?n?如圖 55。19 / 46圖 二階系統(tǒng)時(shí)域研究程序框圖(3) 程序運(yùn)行演示點(diǎn)擊“創(chuàng)建傳遞函數(shù)” ，并以傳遞函數(shù) 為例。圖 57 二階系統(tǒng)時(shí)域研究運(yùn)行結(jié)果點(diǎn)擊“創(chuàng)建二階傳遞函數(shù)” ，以傳遞函數(shù) 為例。?n?圖 58 =， =4 時(shí)二階系統(tǒng)時(shí)域研究運(yùn)行結(jié)果?n?20 / 46 二階系統(tǒng)穩(wěn)定性判定 功能描述本系統(tǒng)為二階系統(tǒng)穩(wěn)定性判定，通過繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線就可以直觀地判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具體的判斷方法如下：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 【15】 。前面板主要控件如下: 1 個(gè) Array 控件，功能是顯示輸出閉環(huán)特征根的值；1 個(gè) XY Graph 控件，功能是顯示單位階躍響應(yīng)曲線；3 個(gè) Button 控件，功能是實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)說明” 、“保存”和“退出” 。表 52 二階系統(tǒng)穩(wěn)定性判定輸入和輸出變量輸出變量 類型t 2D Array of Real21 / 46y 2D Array of Realp 2D Array of Real輸入輸出變量設(shè)置完成后，將下面的程序文件寫入 MATLAB 節(jié)點(diǎn)內(nèi)。d1=den。sys=feedback(s1,1)。p=roots(P)。y=step(sys,t)。 ③進(jìn)入后面板，如圖 510 完成連線。分子系數(shù)輸入 0、1，分母系數(shù)輸入 、7，運(yùn)行結(jié)果如圖 511。 22 / 46圖 511 二階系統(tǒng)穩(wěn)定性判定的運(yùn)行結(jié)果 MATLAB仿真采用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真。dun=[ 1 7]。 sys=feedback(s,1)。figure(2)。仿真結(jié)果如圖 512 所示。 設(shè)計(jì)步驟(1) 前面板設(shè)計(jì) 創(chuàng)建“輸入傳遞函數(shù)” ，可以任意輸入分子分母組合出不同的傳遞函數(shù)，如圖 513。圖 514 奈氏曲線前面板(輸入二次傳遞函數(shù))(2) 程序框圖設(shè)計(jì) 主要程序的連線如圖 515。24 / 46圖 516 奈氏曲線運(yùn)行結(jié)果 系統(tǒng)根軌跡圖繪制 功能描述本系統(tǒng)為根軌跡繪制，可以通過輸入傳遞函數(shù)分子分母的系數(shù)或者輸入相應(yīng)的零點(diǎn)、極點(diǎn)定義不同的傳遞函數(shù)，進(jìn)而畫出相應(yīng)的根軌跡曲線 【17】 。圖 517 根軌跡繪制前面板（輸入傳遞函數(shù)）創(chuàng)建“輸入傳遞函數(shù)” ，可以通過輸入零點(diǎn)和極點(diǎn)來定義不同的傳遞函數(shù)，如圖 518。圖 519 根軌跡繪制程序框圖(3) 程序運(yùn)行演示以傳遞函數(shù) 為例，多項(xiàng)式選擇降序排列，分子輸入8036s1)(23??G1，分母輸入 380，運(yùn)行結(jié)果如圖 520。圖 521 根軌跡繪制運(yùn)行結(jié)果 增益裕量與相位裕量分析 功能描述(1) 增益裕量 在開環(huán)頻率特性的相角等于負(fù) 180176。(2) 相位裕量 描述系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的另一度量是相位裕量。在剪切頻率處，使系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所能接受的附加相位滯后角，定義為相角裕量。圖 523 增益裕量與相位裕量前面板(3) 程序運(yùn)行演示以傳遞函數(shù) 為例，分子輸入 25，分母輸入 25，運(yùn)254s)(2??G行結(jié)果見圖 524。顯然超前校正裝置對頻率在兩截止頻率之間的輸入信號有明顯的微分作用，在該頻率范圍內(nèi)，輸出信號比輸入信號相角超前，反映在相頻特性上就是具有正相移。這也就是所謂超前網(wǎng)絡(luò) 【18】 。 設(shè)計(jì)步驟(1) 前面板設(shè)計(jì)創(chuàng)建“輸入傳遞函數(shù)” ，可以任意輸入分子分母組合出不同的傳遞函數(shù)，如圖 525。圖 526 超前校正與滯后校正前面板（輸入二次傳遞函數(shù)）29 / 46(2) 程序框圖設(shè)計(jì) 主要程序的連線如圖 527。?圖 528 超前校正與滯后校正運(yùn)行結(jié)果以傳遞函數(shù) 為例，輸入 =2 和 =4，校正函數(shù)為16s)(2??G?n?，見圖 529。校正后采樣系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)是由要求的性能指標(biāo)理論推導(dǎo)得出 【19】 。1 個(gè) Numeric 控件，功能是輸入未校正采樣系統(tǒng)的采樣周期； 2 個(gè) XY Graph 控件，功能是分別顯示校正前、后的單位階躍響應(yīng)曲線； 3 個(gè) Button 控件，功能是實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)說明” 、 “保存”和“退出” 。表 53 采樣系統(tǒng)輸入、輸出變量輸入變量 類型T Real輸出變量 類型t1 2D Array of Realy1 2D Array of Realt2 2D Array of Realy2 2D Array of Real輸入輸出變量設(shè)置好后，將下面的程序文件寫入 MATLAB 節(jié)點(diǎn)內(nèi)。sys2=c2d(sys1,T,39。)。t1=0::3。sys4=tf([ 1],[5 1])。zoh39。sys6=sys2*sys5。t2=0::3。 ②依次點(diǎn)擊 Functions→All Functions→Array → Reshape Array 進(jìn)行操作，功能是將輸出變量 tyyt2 的維數(shù)統(tǒng)一。32 / 46圖 530 采樣系統(tǒng)校正程序框圖(3) 程序運(yùn)行演示輸入 T=，運(yùn)行結(jié)果如圖 531。仿真結(jié)果如圖 532 和 533。 設(shè)計(jì)步驟(1) 前面板設(shè)計(jì) 以單水槽為模型，模擬簡單的 PID 控制系統(tǒng)。圖 534 基于 PID 算法的水位控制系統(tǒng)前面板(2) 程序框圖設(shè)計(jì) 主要程序的連線如圖 535。通過觀察圖 536 可知，實(shí)際水位會(huì)逐步上升至設(shè)定水位，并維持在該水位。圖 536 基于 PID 算法的水位控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 綜合性實(shí)驗(yàn) 功能描述 綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是對之前各實(shí)驗(yàn)的綜合，將所有實(shí)驗(yàn)集成在一個(gè)界面內(nèi)，可以同時(shí)觀察多個(gè)數(shù)據(jù),便于分析和對比。 圖 537 創(chuàng)建二階傳遞函數(shù)前面板 圖 538 創(chuàng)建傳遞函數(shù)前面板 圖 539 創(chuàng)建 PID 傳遞函數(shù)前面板 圖 540 創(chuàng)建零點(diǎn)極點(diǎn)函數(shù)前面板(2) 程序框圖設(shè)計(jì) 主要程序的連線如圖 541。點(diǎn)擊“分析” ，查看運(yùn)行結(jié)果。36 / 46圖 542 波特圖 圖 543 奈奎斯特圖 圖 544 頻率響應(yīng)圖 圖 545 零極點(diǎn)圖圖 546 根軌跡圖 37 / 466 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì) 功能描述 為了便于記錄每次使用軟件的人員信息，設(shè)計(jì)登錄系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)步驟(1) 前面板設(shè)計(jì) 設(shè)置姓名、專業(yè)、班級和學(xué)號的信息填寫框，并設(shè)置保存路徑，如圖 61。圖 62 登錄系統(tǒng)系統(tǒng)框圖(3) 程序運(yùn)行演示填入登錄信息，并設(shè)定保存路徑后，信息會(huì)顯示在主頁面。本文基于 LabVIEW 的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了各校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的困難。(2)應(yīng)用 LabVIEW 編程語言實(shí)現(xiàn)了包含 《自動(dòng)控制原理 》課程常見實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。(3)利用 MATLAB 語言編程進(jìn)行對比分析，進(jìn)行正確性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示一致。基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：(1)仿真的實(shí)驗(yàn)界面加強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感。(2)采用基于虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，減少了硬件設(shè)備的需求，降低了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成本。將基于 LabVIEW 的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)，使學(xué)生能直觀的領(lǐng)會(huì)和理解自動(dòng)控制原理課程的分析方法和處理結(jié)果，對調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)興趣都有相當(dāng)?shù)淖饔?。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我的指導(dǎo)老師王雙紅老師對我進(jìn)行了精心指導(dǎo)，從畢業(yè)設(shè)計(jì)的開始到結(jié)束，王老師時(shí)時(shí)關(guān)心我的進(jìn)度，幫我理清思路，指導(dǎo)我的思想，讓我有了學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的方向。在軟件程序的編寫上王老師又給我提供了很多指導(dǎo)和幫助。在此，對王老師的指導(dǎo)和幫助表示衷心的感謝。其次，感謝電子信息學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和老師為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了良