利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)--階躍激勵(lì)的設(shè)計(jì)

1、NoI沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙目 錄1 引言12 虛擬儀器開發(fā)軟件Labview入門22.1 Labview介紹22.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)33 利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)-階躍激勵(lì)的設(shè)計(jì)143.1 連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)階躍激勵(lì)的基本原理143.2 連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)階躍激勵(lì)的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)153.2.1 一階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)153.2.2 二階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)163.3 運(yùn)行結(jié)果及分析193.3.1 一階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析193.3.2 二階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析204 總結(jié)235 參考文獻(xiàn)23

2、沈陽理工大學(xué)No22沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙1 引言連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)處理連續(xù)時(shí)間信號，通常用微分方程來描述這類系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)的輸入與輸出之間通過它們時(shí)間函數(shù)及其對時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)的線性組合聯(lián)系起來。如果輸入與輸出只用一個(gè)高階的微分方程聯(lián)系，而且不研究系統(tǒng)內(nèi)部其他信號的變化，這種描述系統(tǒng)的方式稱為輸入輸出法。系統(tǒng)分析的任務(wù)是對給定的系統(tǒng)模型和輸入信號求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。 系統(tǒng)時(shí)域分析法包含兩方面內(nèi)容，一是微分方程的求解，另一是已知系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)，將沖激響應(yīng)與輸入激勵(lì)信號進(jìn)行卷積積分，求出系統(tǒng)輸出響應(yīng)。同時(shí)作為近代系統(tǒng)時(shí)域分析方法，將建立零狀態(tài)響應(yīng)，運(yùn)算過程方便，往往成為系統(tǒng)分析的基本方

3、法。 本課程設(shè)計(jì)就是利用LabVIEW軟件來實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)（階躍激勵(lì)）的過程，LabVIEW是常用的虛擬儀器開發(fā)軟件。所謂虛擬儀器，就是在計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制功能，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果；利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集,測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)，鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用的測量儀器一樣。因此測量儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了。虛擬儀器的虛擬兩字主

4、要包含以下兩方面含義：（1）虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)面板上的器件完成的功能是相同的；由各種開關(guān)，按鈕，顯示器等圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器的通，斷；被測信號的輸入通道，放大倍數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，及測量結(jié)果的數(shù)值顯示，波形顯示等。（2）虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。2 虛擬儀器開發(fā)軟件Labv

5、iew入門2.1 Labview介紹LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW的程序模塊。  LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界

6、面在 LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。LabVIEW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(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件

7、。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(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)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生動(dòng)有趣，它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)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(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大的提高工作效率。Labview在測試、測量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢，因?yàn)長abview提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集

8、、分析、顯示和存儲(chǔ)，用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲(chǔ)的自動(dòng)化測試測量系統(tǒng)，因此，Labview被廣泛的應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。2.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)1. 寫一個(gè)正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào) 圖21習(xí)題1前面板圖 圖22習(xí)題1程序面板圖2. 新建一個(gè)VI，進(jìn)行如下練習(xí)： （1）任意放置幾個(gè)控件在前面板，改變它們的位置、名稱、大小、顏色等等。 （2）在VI前面板和后面板之間進(jìn)行切換 （3）并排排列前面板和后面板窗口 圖23習(xí)題2前面板圖 圖24習(xí)題2程序面板圖3. 編寫一個(gè)VI求三個(gè)數(shù)

9、的平均值： （1）要求對三個(gè)輸入控件等間隔并右對齊，對應(yīng)的程序框圖控件對象也要求如此 對齊。添加注釋 （2）分別用普通方式和高亮方式運(yùn)行程序，體會(huì)數(shù)據(jù)流向。 （3）單步執(zhí)行一遍 圖25習(xí)題3前面板圖 圖26習(xí)題3程序面板圖4. 寫一個(gè)VI判斷兩個(gè)數(shù)的大小，如右圖所示：當(dāng)A>B時(shí)，指示燈亮 圖27習(xí)題4前面板圖 圖28習(xí)題4程序面板圖5. 寫一個(gè)VI獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其轉(zhuǎn)換為字符串和浮點(diǎn)數(shù)。這在實(shí)際編程中會(huì)經(jīng)常遇到。 圖29習(xí)題5前面板圖 圖210習(xí)題5程序面板圖6. 寫一個(gè)溫度監(jiān)測器，當(dāng)溫度超過報(bào)警上限，而且開啟報(bào)警時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮。溫度值可以由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。圖211習(xí)題6前面板圖

10、圖212習(xí)題6程序面板圖7. 給定任意x, 求如下表達(dá)式的值， 圖213習(xí)題7前面板圖 圖214習(xí)題7程序面板圖8. 利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tick count VI，計(jì)算for循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)長度為20000點(diǎn)的隨機(jī)波形所需的時(shí)間。圖215習(xí)題8前面板圖圖216習(xí)題8程序面板圖9. 為第四章習(xí)題3添加一個(gè)while循環(huán)和定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的溫度采集監(jiān)測。圖217習(xí)題9前面板圖圖218習(xí)題9程序面板圖10. 計(jì)算學(xué)生三門課（語文，數(shù)學(xué)，英語）的平均分，并根據(jù)平均分劃分成績等級。要求輸出等級A,B,C,D,E。90分以上為A，8089為B，7079為C，6069為D，60分以下為E。 圖2

11、19習(xí)題10前面板圖 圖220習(xí)題10程序面板圖11. 為第5章的習(xí)題2連續(xù)溫度采集監(jiān)測添加報(bào)警信息，如下圖所示，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)輸出報(bào)警信息，例如“溫度超限！當(dāng)前溫度78.23”，正常情況下輸出空字符串。圖221習(xí)題11前面板圖圖222習(xí)題11程序面板圖12. 將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的輸出字符串，輸出的字符串是一個(gè)GPIB命令字符串，它可以用來與串口儀器進(jìn)行通信。 圖223習(xí)題12前面板 圖224習(xí)題12程序面板圖13. 用for循環(huán)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，并用圖形顯示輸出的數(shù)組。圖225習(xí)題13程序面板圖圖226習(xí)題13程序面板圖14. 利用簇模擬汽車控制，如右圖所示，控制面板可以對顯示面板中的

12、參量進(jìn)行控制。油門控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速=油門*100，檔位控制時(shí)速，時(shí)速=檔位*40，油量隨VI運(yùn)行時(shí)間減少。 圖227習(xí)題14前面板圖圖228習(xí)題14程序面板圖15. 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，利用實(shí)時(shí)趨勢曲線實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果。 圖229習(xí)題15前面板圖 圖230習(xí)題15程序面板圖16. 在第七章習(xí)題1的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號采集，此路電壓信號的范圍為5到10V。圖231習(xí)題16前面板圖圖232習(xí)題16程序面板圖17. 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，共采集50個(gè)點(diǎn)，采集完后一次性顯示在Waveform Graph上。 圖

13、233習(xí)題17前面板圖 圖234習(xí)題17程序面板圖18. 在第七章習(xí)題3的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號采集，此路電壓信號的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個(gè)點(diǎn)。采樣完成后，將兩路采樣信號顯示在同一個(gè)Waveform Graph中。圖235習(xí)題18前面板圖圖236習(xí)題18程序面板圖3 利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)-階躍激勵(lì)的設(shè)計(jì)3.1 連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)階躍激勵(lì)的基本原理零狀態(tài)響應(yīng)：是不考慮起始系統(tǒng)儲(chǔ)能的作用（設(shè)起始狀態(tài)等于零），由系統(tǒng)的外加激勵(lì)信號所產(chǎn)生的響應(yīng)，記為r zs(t)。它滿足方程 ：及起始狀態(tài)r(k) (

14、0-)(k=0,1,.n-1)，其形式為  其中e（t）為激勵(lì)信號，有時(shí)稱輸入信號。r（t）為響應(yīng)信號。n為微分方程的階次，或系統(tǒng)的階次。由于系統(tǒng)是線性是不變的，所以上述微分方程的系數(shù)均取自然數(shù)，B（t）為方程的特接。可見零狀態(tài)響應(yīng)在激勵(lì)信號作用下，它的響應(yīng)有自由響應(yīng)部分及強(qiáng)迫響應(yīng)部分B(t)兩部分構(gòu)成。本課設(shè)利用的是經(jīng)典解法微分方程求解。對于一階系統(tǒng)：先求齊次線性方程的通解，再利用所謂常數(shù)變易法來求非齊次線性方程的特解。通過計(jì)算可知，一階連續(xù)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)方程的通解等于對應(yīng)的齊次方程的通解與非齊次方程的一個(gè)特解之和。對于二階方程：求齊次線性方程通解和非齊次方程的一個(gè)特解

15、。其中求通解得步驟如下： 第一步 寫出微分方程的特征方程，如。第二步 求出特征方程的兩個(gè)根 ，。第三步 根據(jù)特征方程的兩個(gè)根的不同情形，按照下面的表寫出微分方程的通解：特征方程的兩個(gè)根，微分方程的通解兩個(gè)不相等的實(shí)根，兩個(gè)相等的實(shí)根一對共軛復(fù)根第四步 用待定系數(shù)法求方程特解，本課設(shè)激勵(lì)是階躍函數(shù)，即滿足 的形式，其中?？汕蟮?3.2 連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)階躍激勵(lì)的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)3.2.1 一階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng) 圖31一階連續(xù)系統(tǒng)的前面板圖圖32一階連續(xù)系統(tǒng)的程序面板圖3.2.2 二階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)圖33二階連續(xù)系統(tǒng)的前面板圖 圖34二階連續(xù)系統(tǒng)的程序面板圖3.3 運(yùn)

16、行結(jié)果及分析3.3.1 一階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析 圖35 一階系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖3.3.2 二階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析圖36 二階不相等實(shí)根運(yùn)行結(jié)果圖圖37 二階重根運(yùn)行結(jié)果圖圖38 二階共軛復(fù)根運(yùn)行結(jié)果圖4 總結(jié) 課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，它是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)  通過課程設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，做任何事都必須耐心，細(xì)致。課程設(shè)計(jì)過程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感

17、到有些心煩意亂，有幾次因?yàn)椴恍⌒奈矣?jì)算出錯(cuò)，只能毫不情意地重來想過放棄，想過抄襲，但凡事要有始有終，相信努力必有回報(bào)，信念讓我堅(jiān)持；再加上老師耐心的知道和幫助，終于算是順利的完成了本次設(shè)計(jì)。   這次課程設(shè)計(jì)，讓我覺得受益匪淺，認(rèn)識了Labview軟件，熟悉并可以靈活將其運(yùn)用，而且對系統(tǒng)的時(shí)域分析也有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對零狀態(tài)的認(rèn)識更客觀。 其中對于連續(xù)系統(tǒng)時(shí)域分析我有以下幾點(diǎn)的認(rèn)識：1系統(tǒng)分析的任務(wù)是對給定的系統(tǒng)模型和輸入信號求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)分析的方法很多，其中時(shí)域分析法不通過任何變換，直接求解系統(tǒng)的微分、積分方程，系統(tǒng)的分析與計(jì)算全部在時(shí)間變換領(lǐng)域進(jìn)行，這種方法直觀，物理概念清楚，是學(xué)習(xí)各種變換域分析方法的基礎(chǔ)。2系統(tǒng)時(shí)域分析法包括兩方面內(nèi)容，一是微分方程的求解，另一是已知系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)，將沖激響應(yīng)與輸入激勵(lì)信號進(jìn)性卷積積分，求系統(tǒng)輸出響應(yīng)。3卷積積分也是時(shí)間與變換域分析線性系統(tǒng)的一條紐帶，通過它把變換域分賦