基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)設計

1、基于labview的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)設計小4號楷體，固定行距22pt學生姓名：熊漢鑫 班級：090432指導老師：劉清平摘要：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)。最后，利用matlab語言編程進行對比分析，進行正確性驗證。關鍵詞：labview；自動控制實驗；matlab 小4號黑體 指導老師簽名：automatic control theory virtual e

2、xperiment based on labview system design student name :xionghanxin class: 090432supervisor: liuqinpingabstract: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 the

3、ory virtual experiment system based on labview is advanced.strong-point and weadness of common virtual experiment systems at present are analyzed and a virtual experiment system including common experiments in automatic control theory is compleleted successfully using labview equivalently.in additio

4、n,proposal for hardware experiment expansion is put forwand.at last,matlab programming is used for comparison and accuracy certification.keywords:labview;automatic control experiment;matlabsignature of supervisor:目 錄第1章 緒論(1)1.1 背景(1)1.2 課題的目的與意義(1)1.3 labview的介紹(2)第2章 設計原理(4)2.1 一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(

5、4)2.1.1數(shù)學模型的介紹(4)2.1.2單位階躍響應概括(4)2.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(5)2.2.1數(shù)學模型的介紹(5)2.2.2單位階躍響應慨括(5)2.2.3動態(tài)性能(6)2.3 系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(7)2.3.1未校正系統(tǒng)的性能(7)2.3.2校正系統(tǒng)的確定(7)2.4 采樣系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(8)2.4.1“采樣保持器”組件(8)2.4.2數(shù)學模型的介紹(8)2.5 采樣系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(9)2.6 頻率特性虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(10)2.7 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(10)2.7.1用特征方程的根判定系統(tǒng)穩(wěn)定性(10)2

6、.7.2繪制系統(tǒng)的單位階躍響應曲線驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性(11)2.8 非線性系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)設計原理(11)2.8.1繼電型非線性三階系統(tǒng)原理方框圖(11)2.8.2振幅與角頻率的計算(11)第3章 程序方案設計(13)3.1總體設計(13)3.2 基于labview的虛擬實驗系統(tǒng)設計(13)3.3 用戶管理程序設計(14)第4章 基于labview的虛擬實驗系統(tǒng)設計(16)4.1 一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實驗(16)4.1.1功能闡述(16)4.1.2設計過程(16)4.1.3 實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(17)4.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應虛擬實驗(18)4.2.1功能闡述(18)4.2.2設計過程(

7、18)4.2.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(21)4.3 系統(tǒng)校正虛擬實驗(22)4.3.1功能闡述(22)4.3.2設計過程(23)4.3.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(25)4.4 采樣系統(tǒng)虛擬實驗(26)4.4.1功能闡述(26)4.4.2設計過程(26)4.4.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(28)4.5 采樣系統(tǒng)校正虛擬實驗(29)4.5.1功能闡述(29)4.5.2設計過程(29)4.5.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(31)4.6 頻率特性虛擬實驗(32)4.6.1功能闡述(32)4.6.2設計過程(32)4.6.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(34)4.7 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛

8、擬實驗(34)4.7.1功能闡述(34)4.7.2設計過程(35)4.7.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真(36)4.8 非線性系統(tǒng)虛擬實驗(37)4.8.1功能闡述(37)4.8.2設計過程(37)4.8.3在matlab中繪制系統(tǒng)的-1/n與g（jw）軌跡(39)第5章 用戶管理程序的設計(41)5.1 登入系統(tǒng)的設計(41)5.2 主程序的設計(41)結論(43)參考文獻(44)致謝(45)附錄 系統(tǒng)前面板圖(46)附錄 系統(tǒng)程序框圖(52)-62-第1章 緒論虛擬技術的發(fā)展使虛擬平臺實驗的分析設計過程得以在計算機上輕松、準確、快捷地完成。這樣，一方面克服了實驗室在元器件和規(guī)格上的限制，避

9、免了損壞儀器等不利因素，另一方面使得實驗不受時間及空間的限制，從而促進模擬實驗教學的現(xiàn)代化。本文介紹了基于labview的自動控制實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。此系統(tǒng)具有參數(shù)調節(jié)方便、易實現(xiàn)、可靠度高等優(yōu)點。在高等工程教育中采用虛擬實驗室，可以從根本上解決實驗與實習經費嚴重短缺問題。作為傳統(tǒng)電子技術實驗的補充，使學生初步掌握仿真軟件技術，可使實驗內容緊密聯(lián)系課本內容，比較全面地概括和反映部分所學的知識點，將課堂內容具體化。1.1背景 “自動控制原理”一門重要的專業(yè)基礎課，學生需要掌握自動控制系統(tǒng)的分析及設計方法，為設計和調試工業(yè)自動控制系統(tǒng)打下基礎。在學習中，最好的方法是調動學生的學習積極性，從而發(fā)揮

10、高度的主觀能動。學生對課文中的理論學習缺乏主觀積極性和學習興趣，而實踐教學過程中能充分調動學生的積極參與意識和表現(xiàn)意識，實驗是檢驗理論的最好方法，而理論又是指導實驗的最好依據(jù)。實驗學習的程中使學生形象生動地掌握了原來枯唱無味的理論知識，又創(chuàng)造了實際動手能力和創(chuàng)造能力，從而最大限度的發(fā)揮了良好的學習興趣。但是目前自動控制實驗教學存在一系列問題，例如實驗設備和實驗場地數(shù)量有限，實驗設備老化嚴重以及嚴重缺乏實驗指導教師等，因此各種虛擬實驗方法相繼提出。對于此問題首先提出了基于matlab的虛擬實驗系統(tǒng)，它能比較好的解決目前自動控制實驗中的一些問題，并在提高了目前“自動控制原理”教學效果。但是，由于m

11、atlab的局限性，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。另外，由于matlab軟件模需要學生對其有一定的熟悉和了解，對于初學者來說比較困難。隨著計算機技術的發(fā)展，采用ni公司的labview的語言系統(tǒng)，開發(fā)出基于labview虛擬實驗系統(tǒng)，結合第三方公司的數(shù)據(jù)采集卡，從而實現(xiàn)在課堂上進行模擬實驗，并且結合學校原有的硬件電路設備進行硬件實驗的綜合實驗系統(tǒng)，達到顯著提高教學效果和實驗效果。虛擬實驗系統(tǒng)的交互式式接口和良好的界面的特點?？梢酝瓿赡M實驗，以便更好的幫助學生理解、消化、吸收學習內容，重點解決教學和實驗過程中的一些難點問題。1.2課題

12、的目的與意義labview像c和c+開發(fā)環(huán)境一樣，是一種程序語言開發(fā)環(huán)境，但與現(xiàn)有的labview采用圖形化編程語言g語言，產生塊狀的程序。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：visa庫、儀器驅動程序、應用軟件。visa(virtual 1nstrumentation software architecture)虛擬儀器軟件體系結構，實質就是標準的i/o函數(shù)庫及其相關規(guī)范的總稱。一般稱這個i/0函數(shù)庫為visa庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現(xiàn)對儀器的程控。它對于儀器驅動程序開發(fā)者來說是一個個可調用的操作函數(shù)集。儀器驅動程序是完成對

13、某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應用程序實現(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務。而matlab是“演算紙”式的程序設計語言，幾乎在所有的工程計算領域都提供了準確、高效的工具箱。 鑒于labview可以通過調用控件，實現(xiàn)labview與matlab的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。本設計正是采用labview和matlab的混合編程思想，通過控件調用和操作來實現(xiàn)自動控制原理中常見實驗的虛擬實驗系統(tǒng)。 通過不同的軟件編

14、程，實現(xiàn)多個儀器的功能。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。虛擬儀器用戶可以才艮據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，通過不同功能模塊的組合可構成多種儀器，而不必受限于儀器廠商提供的特定功能。虛擬儀器將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數(shù)據(jù)、分析的結果和控制過程。這種對關鍵部分的轉移進一步增加了虛擬儀器的靈活性。使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理。虛擬儀器價格低，而且其基于軟件的體系結構還大大節(jié)省了開發(fā)

15、和維護費用。通過采用虛擬儀器技術，不僅大大節(jié)約經費，還可以有效提高實驗室建設水平，為大學實驗儀器建設提供了一條新可行的途徑。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。虛擬儀器采集的是現(xiàn)場真實的物理數(shù)據(jù)，可通過與其它儀器、電路的相互配合，完成實際實驗過程，達到與用實際儀器教學相同的實驗目的。學生在進行實驗時不必擔心弄壞儀器，可以極大地提高學生的學習興趣、激發(fā)學生自主學習的積極性。1.3 labview的介紹虛擬儀器研究的另一個問題是各種標準儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是ieee488 或 gpib協(xié)議。未來的儀器也應當是網(wǎng)絡化的。labvi

16、ew（lboratory virtual instrument engineering workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview 集成了與滿足 gpib、vxi、rs-232和 rs-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “g” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而

17、代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用 labview，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位/64位編譯器。像許多重要的軟件一樣，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當于軟件即硬件

18、！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系統(tǒng)，國內現(xiàn)在已經開發(fā)出圖形化的單片機編程系統(tǒng)，不斷完善中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。另外，由于充分利用了計算機技術，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理集中交由計算機來處理，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能使得組建系統(tǒng)變得更加靈活和簡單，增強了數(shù)據(jù)處理能力。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

19、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。第2章 設計原理本章介紹了“自動控制原理”中常見的虛擬實驗子系統(tǒng)的原理，包括實驗有：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、系統(tǒng)穩(wěn)定性、非線性系統(tǒng)。2.1一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實驗系統(tǒng)設計原理2.1.1數(shù)學模型的介紹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：式(2.1)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。對式2.1進行拉氏變換得一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：式(2.2)一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的方框圖如圖2.1所示。ui

20、（s）uo（s）圖2.1 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)方框圖2.1.2單位階躍響應慨括當輸入信號r（t）=1（t）時，系統(tǒng)的響應c（t）稱作其單位階躍響應。拉氏變換為：式(2.3)兩端取拉氏反變換，求的其單位階躍響應為：式(2.4)2.2二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應虛擬實驗系統(tǒng)設計原理2.2.1數(shù)學模型的介紹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(2.5)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。對式2.5進行拉氏變換得二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:式(2.6)引入?yún)?shù)，稱作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為rad/s。則：式(2.7)二階系統(tǒng)的方框圖如圖2.2所示

21、。r（s）+e（s）c（s）圖2.2單位階躍響應方框圖2.2.2單位階躍響應慨括單位階躍函數(shù)作用下，二階系統(tǒng)的響應稱其為單位階躍響應。由式2.7，其輸出的拉氏變換為：式(2.8)對分母多項式作因式分解，得到：式(2.9)式中，是系統(tǒng)的兩個閉環(huán)特征根。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。阻尼比在不同的范圍內取值時，二階系統(tǒng)的特征根在s平面上的位置不同，二階系統(tǒng)的時間響應對應有不同的運動規(guī)律。下面分別加以討論：a. 欠阻尼響應阻尼比時，系統(tǒng)的響應稱為欠阻尼響應。時間響應為： 式(2.10)式中，； 。 b. 臨界阻尼響應阻尼比時，系統(tǒng)的響應稱為臨界阻尼響應。時間響應為：式(2

22、.11)c. 過阻尼響應阻尼比時，系統(tǒng)的響應稱為過阻尼響應。時間響應為：式(2.12)式中，； 。2.2.3動態(tài)性能系統(tǒng)只有在欠阻尼條件下能計算性能指標中的超調量mp、峰值時間tp和調節(jié)時間ts。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。a. 峰值時間tp峰值時間tp是從階躍輸入作用于系統(tǒng)開始，到其響應達到其第一個峰值的時間。峰值時間為： 式(2.13)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：式(2.14)超調量為：式(2.15)c. 調節(jié)時間ts工程上，當時，通常用下列二式近似計算調

23、節(jié)時間： 式(2.16) 式(2.17)2.3系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)設計原理2.3.1未校正系統(tǒng)的性能 原系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.3所示。 +c(s)_r(s) 圖2.3 未校正系統(tǒng)的方框圖由閉環(huán)傳函 2.3.2校正系統(tǒng)的確定要求設計串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足下述性能指標：由理論推導得，校正網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：式(2.18)所以校正后系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.4所示。+_r(s)c(s) 圖2.4校正后系統(tǒng)的方框圖2.4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。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)相比，雖然在本質上有所不同，但對于線性系統(tǒng)，分析研究方法存有很大程度上的相似性。只要在系統(tǒng)

24、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。2.4.1“采樣保持器”組件本系統(tǒng)中采用“采樣保持器”組件，它具有將連續(xù)信號離散再恢復為連續(xù)信號輸出的功能，其原理方框圖如圖2.5所示。 x（s）xh（s）t圖2.5 “采樣保持器”原理方框圖2.4.2數(shù)學模型的介紹閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)原理方框圖如圖2.6所示。x（s）+ 圖2.6 閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)原理方框圖圖2.6所示閉環(huán)采樣系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：式(2.19)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：式(2.20)離散系統(tǒng)中的z變換即為連續(xù)系統(tǒng)中的拉氏變換，確定t值即便確定了傳函。2.5采樣系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)

25、設計原理設校正前閉環(huán)采樣系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.7所示。r（s）+c（s）圖2.7 校正前采樣系統(tǒng)的原理方框圖期望性能指標如下：靜態(tài)誤差系數(shù)：式(2.21)超調量：式(2.22)采用斷續(xù)校正網(wǎng)絡：式(2.23)校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.8所示。r（s）c（s）+圖2.8 校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖2.6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2.9所示。r（s）+h（s）e（s）g2（s）g1（s）c（s）圖2.9 被測系統(tǒng)的原理方框圖 系統(tǒng)的頻率特性g（jw）是一個復變量，可以表示成以角頻率w為參數(shù)的幅值和相角：式(2.24)圖2.9所示系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為：式(2.25

26、)采用對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示為： 式(2.26)式(2.27)根據(jù)式2.26和式2.27分別計算出各個頻率下的開環(huán)對數(shù)幅值和相位，再根據(jù)計算出的數(shù)值分別畫出幅頻特性和相頻特性曲線。2.7系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實驗系統(tǒng)設計原理2.7.1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。由此可知，求解控制系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的根并進而判斷所有根的實部是否小于零就可以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種方法是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判別的最基本方法，這就是所謂代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。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

27、左半平面。若系統(tǒng)閉環(huán)特征方程所有根的實部都小于零，則系統(tǒng)閉環(huán)是穩(wěn)定的，只要有一個根的實部不小于零，則系統(tǒng)閉環(huán)就是不穩(wěn)定的；只要有一個根的實部為零，則控制系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，工程上實際將臨界穩(wěn)定當作是不穩(wěn)定的。2.7.2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。2.8非線性系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)設計原理2.8.1繼電型非線性三階系統(tǒng)原理方框圖方框圖如圖2.10所示。e（s）r（s）+m=1c（s） 圖2.10 繼電型非線性三

28、階系統(tǒng)的原理方框圖2.8.2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：式(2.28)利用交點在橫坐標上，求自振的振幅x，即：式(2.29)這里，繼電型非線性元件 第3章 程序方案設計3.1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8個虛擬實驗系統(tǒng)?？紤]到涉及的程序較多不好管理，因此，添加了登陸系統(tǒng)和主程序。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。為了方便觀察實驗的輸入輸出數(shù)據(jù)，最后添加了輸出報

29、表部分。總體設計的流程圖如圖3.1所示。開始 登入程序主程序 各子系統(tǒng)是 圖3.1 總體設計流程圖3.2基于labview的虛擬實驗系統(tǒng)設計“自動控制原理”中常見的虛擬實驗子系統(tǒng)如下：實驗一：基于labview的一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實驗系統(tǒng)實驗二：基于labview的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應虛擬實驗系統(tǒng)實驗三：基于labview的系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)實驗四：基于labview的采樣系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)實驗五：基于labview的采樣系統(tǒng)校正虛擬實驗系統(tǒng)實驗六：基于labview的頻率特性虛擬實驗系統(tǒng)實驗七：基于labview的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實驗系統(tǒng)實驗八：基于labview的非線性系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)這些

30、實驗有著不同的實驗原理，但是，有著相同的設計步驟，其設計的流程圖如圖3.2所示。開始參數(shù)設置調用matlab程序結果顯示返回圖3.2 虛擬實驗設計流程圖3.3用戶管理程序設計本畢業(yè)設計涉及的用戶管理程序如3.1節(jié)所指：登陸系統(tǒng)和主程序主程序是一個包含所有虛擬實驗的程序，其程序框圖如圖3.3所示。登入系統(tǒng)是按登入后直接進入主程序，其流程圖如圖3.4所示。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)登入系統(tǒng) 圖3.3 主程序設計程序框圖開始 進入主程序退出按鈕labview界面 圖3.4 登陸系統(tǒng)設計流程圖 第4章 基于labview的虛擬實驗系統(tǒng)設計4.1一階系統(tǒng)

31、典型環(huán)節(jié)虛擬實驗4.1.1功能闡述本系統(tǒng)為自動控制原理中一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的虛擬實驗系統(tǒng)，當給一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的兩個特征參數(shù)k和t分別輸入不同值時，可以確定不同的傳遞函數(shù)，據(jù)此可以畫出一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應曲線。自動控制原理中一階系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)和比例積分微分環(huán)節(jié)的單位階躍響應畫法與該系統(tǒng)一樣。4.1.2設計過程 1. 面板設計啟動labview，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.1所示，面板主要控件如下。2個numeric 控件，分別輸入時間常數(shù)t和放大倍數(shù)k的值；一個xy graph 控件，是為了顯示一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應曲線；一個

32、ok button 控件，功能是為了實現(xiàn)功能退出到主程序界面。圖4.1 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)儀器面板2. 程序框圖設計a. 執(zhí)行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，添加如下的輸入、輸出變量。輸入變量 類型 t real k real 輸出變量 類型 t 2-d array of real y 2-d array of real將下面的matlab文件寫入節(jié)點內。num=k;den=t 1;sys=tf(num,den);t=0:0.01:1.2;y=step(sys,t);b執(zhí)行functionsall fu

33、nctionsarrayreshape array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 c. 連線，完成見附錄圖一。3. 保存，運行 運行結果如圖4.2所示。圖4.2 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)運行結果4.1.3 實驗子系統(tǒng)matlab的仿真在設計虛擬實驗系統(tǒng)中，為了對設計好的實驗子系統(tǒng)進行驗證，采用matlab軟件進行仿真。仿真結果如圖4.3所示。圖4.3 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)matlab仿真 分別設置時間常數(shù)t=0.2和放大倍數(shù)k=1的值，所得結果和labview仿真的結果相同。4.2二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應虛擬實驗4.2.1功能闡述本系統(tǒng)為自動控制原理中二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應的虛擬實驗系統(tǒng)，當給二階系統(tǒng)的兩

34、個結構參數(shù)和分別輸入不同值時，可以求出該二階系統(tǒng)的動態(tài)性能指標：超調量mp、峰值時間tp和調節(jié)時間ts，并且可以輸出該二階系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。4.2.2設計過程1. 面板設計啟動labview，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.4所示，面板主要控件如下。5個numeric 控件，功能是輸入二階系統(tǒng)結構參數(shù)和的值，輸出性能指標超調量、峰值時間和調節(jié)時間的值；1個xy graph 控件6，功能是顯示二階系統(tǒng)的單位階躍響應曲線；2個ok button 控件，功能是使程序退出到主程序界面。圖4.4 二階系統(tǒng)儀器面板2. 程序框圖設計a.執(zhí)行functionsall functionsana

35、lyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。輸入變量 類型 zeta realomegan real輸出變量 類型 sigma realtp realts realt realy real然后，將下面的matlab文件寫入節(jié)點內。sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta2)(1/2);tp=pi/(omegan*sqrt(1-zeta2);ts=4/(zeta*omegan);num=omegan2;den=1 2*zeta*omegan omegan2;sys=tf(num,den);t=0:0.01:5;y1=ste

36、p(sys,t);b執(zhí)行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 c. 連線，完成后見附錄ii圖2。3. 保存，運行 欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼三種情況下的運行結果分別如圖4.5、4.6和4.7所示。 圖4.5 欠阻尼情況下運行結果 圖4.6臨界阻尼情況下運行結果圖4.7過阻尼情況下運行結果4.2.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真在設計虛擬實驗系統(tǒng)中，為了對設計好的實驗子系統(tǒng)進行驗證，采用matlab軟件進行仿真。仿真結果分別如圖4.8、4.9和4.10所示。圖4.8 欠阻尼情況下matlab仿真 分別設置二階系統(tǒng)

37、結構參數(shù)=0.5和=10，在欠阻尼情況下matlab仿真所得結果和labview仿真的結果相同。圖4.9臨界阻尼情況下matlab仿真 分別設置二階系統(tǒng)結構參數(shù)=1和=5，在臨界阻尼情況下matlab仿真所得結果和labview仿真的結果相同。圖4.10過阻尼情況下仿matlab仿真 分別設置二階系統(tǒng)結構參數(shù)=1.50和=3.16，在過阻尼情況下matlab仿真所得結果和labview仿真的結果相同。4.3系統(tǒng)校正虛擬實驗4.3.1功能闡述本系統(tǒng)為自動控制原理中系統(tǒng)校正的虛擬實驗系統(tǒng)，對于預先給定的受控對象，算出其性能指標，目的是和系統(tǒng)要求滿足的性能指標進行對比；由理論推導得出滿足要求的性能指

38、標的校正網(wǎng)絡后，繪制出系統(tǒng)校正前后的階躍響應曲線。4.3.2設計過程1. 面板設計啟動labview，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.11所示，面板主要控件如下。4個numeric 控件，功能是輸入未校正系統(tǒng)的阻尼比和角頻率的值，輸出超調量和調節(jié)時間的值；1個xy graph 控件，功能是輸出未校正系統(tǒng)的調節(jié)時間；1個ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。圖4.11校正系統(tǒng)儀器面板2. 程序框圖設計a.執(zhí)行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。輸入變量

39、 類型zeta（） realomegan（） real輸出變量 類型 sigma（mp） real ts real t1 2-d array of real y1 2-d array of realt2 2-d array of real y2 2-d array of real然后，將下面的matlab文件寫入節(jié)點內。k0=20;n1=1;d1=conv(1 0,0.5 1);s1=tf(k0*n1,d1);sys1=feedback(s1,1);t1=0:0.01:6;y1=step(sys1,t1);sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta2)(1/2);ts=4/(zeta

40、*omegan);n2=0.5 1;d2=0.05 1;s2=tf(n2,d2);sope=s1*s2;sys2=feedback(sope,1);t2=0:0.01:0.6;y2=step(sys2,t2);b執(zhí)行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 c. 連線，完成后見附錄ii圖3。3. 保存，運行 運行結果如圖4.12所示。圖4.12 校正系統(tǒng)運行結果4.3.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真在設計虛擬實驗系統(tǒng)中，為了對設計好的實驗子系統(tǒng)進行驗證，采用matlab軟件進行仿真。仿真結果分別如圖4.13和4

41、.14所示。圖4.13 系統(tǒng)校正前的matlab仿真圖4.14系統(tǒng)校正后的matlab仿真 分別設置未校正系統(tǒng)的阻尼比為0.15和角頻率為6.3的值，在matlab下仿真所得結果和labview仿真的結果相同。4.4采樣系統(tǒng)虛擬實驗4.4.1功能闡述本系統(tǒng)為自動控制原理中采樣系統(tǒng)的虛擬實驗系統(tǒng)，當給采樣系統(tǒng)的采樣周期t輸入不同值時，可以確定不同的傳遞函數(shù)，據(jù)此可以畫出采樣系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。4.4.2設計過程1.面板設計啟動labview，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.15所示，面板主要控件如下。圖4.15 采樣系統(tǒng)儀器面板1個numeric 控件，功能是輸入采樣系統(tǒng)的采樣時間

42、t；1個xy graph 控件，功能是顯示采樣系統(tǒng)的單位階躍響應曲線；1個ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。2. 程序框圖設計a.執(zhí)行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。輸入變量 類型 t real 輸出變量 類型 t 2-d array of real y 2-d array of real然后，將下面的matlab文件寫入節(jié)點內。num=12.5*(2*t-1+exp(-2*t) 12.5*(1-exp(-2*t)-2*t*exp(-2*t);den=

43、1 25*t-13.5+11.5*exp(-2*t) 12.5-11.5*exp(-2*t)-25*t*exp(-2*t);sys=tf(num,den,t);t=0:0.01:3;y=step(sys);b執(zhí)行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 c. 連線，完成后見附錄ii圖4。 3.保存，運行 運行結果如圖4.16所示。圖4.16 采樣系統(tǒng)運行結果4.4.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真在設計虛擬實驗系統(tǒng)中，為了對設計好的實驗子系統(tǒng)進行驗證，采用matlab軟件進行仿真。仿真結果如圖4.17所示。圖4.

44、17采樣系統(tǒng)matlab仿真 設置采樣系統(tǒng)的采樣時間t=0.03，在matlab下仿真所得結果和labview仿真的結果相同。4.5采樣系統(tǒng)校正虛擬實驗4.5.1功能闡述本系統(tǒng)為自動控制原理中采樣系統(tǒng)校正的虛擬實驗系統(tǒng)，當給采樣周期t一個輸入值時，可以分別確定校正前、后采樣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)可以分別畫出校正前、后采樣系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。校正后采樣系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡是由要求的性能指標理論推導得出。4.5.2設計過程1. 面板設計啟動labview，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.18所示，面板主要控件如下。1個numeric 控件，功能是輸入未校正采樣系統(tǒng)的采樣周期；2個xy

45、graph 控件，功能是分別顯示校正前、后的單位階躍響應曲線；1個ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。圖4.18 采樣系統(tǒng)校正儀器面板2. 程序框圖設計a.執(zhí)行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。輸入變量 類型 t real 輸出變量 類型 t1 2-d array of real y1 2-d array of realt2 2-d array of real y2 2-d array of real然后，將下面的matlab文件寫入節(jié)點內。n1=30;d

46、1=conv(1 0,0.1 1);s1=tf(n1*k1,d1);s = tf('s'); s3 = (1+t*s-(t2)*(s2)/ss4=s1*s3;sys1=feedback(s4,1);t1=0:0.01:5;y1=step(sys1);n2=0.68 1;d2=5 1;s2=tf(n2,d2);s5=s1*s2*s3*s3;sys2=feedback(s5,1);t2=0:0.01:2.5;y2=step(sys2);b執(zhí)行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 c. 連線，完成

47、后見附錄ii圖5。3. 保存，運行 運行結果如圖4.19所示。圖4.19采樣系統(tǒng)矯正運行結果4.5.3實驗子系統(tǒng)matlab的仿真在設計虛擬實驗系統(tǒng)中，為了對設計好的實驗子系統(tǒng)進行驗證，采用matlab軟件進行仿真。仿真結果如圖4.20和4.21所示。圖4.20校正前采樣系統(tǒng)的matlab仿真圖4.21 校正后采樣系統(tǒng)的matlab仿真 設置未校正采樣系統(tǒng)的采樣周期=0.03，在matlab下仿真所得結果和labview仿真的結果相同。4.6頻率特性虛擬實驗4.6.1功能闡述本系統(tǒng)為自動控制原理中頻率特性的虛擬實驗系統(tǒng)，能夠針對不同的傳遞函數(shù)，進行幅值、相位和頻率的測量，并可以畫出幅頻特性和相

48、頻特性曲線。4.6.2設計面板1.面板設計啟動labview，進入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.22所示，面板主要控件如下。圖4.22 頻率特性儀器面板5個array 控件，功能是輸入傳遞函數(shù)分子和分母參數(shù)值，輸出幅值、相位和頻率；2個xy graph 控件，功能是顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線；1個ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。2. 程序框圖設計a.執(zhí)行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。輸入變量 類型 num 2-d array of re

49、al den 2-d array of real 輸出變量 類型 mag 2-d array of real pha 2-d array of realw 2-d array of real 然后，將下面的matlab文件寫入節(jié)點內。w=logspace(-1,1,100);figure(1)mag,pha,w1=bode(num,den,w);subplot(211); hold onsemilogx(w1,mag);subplot(212); hold onsemilogx(w1,pha); end subplot(211); grid on title('bode plot'); xlabel('frequency(rad/sec)'); ylabel('gain db'); subplot(212); grid on xlabel('frequency(rad/sec)'); ylabel('fhase deg'); hold offb執(zhí)行funct