1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　虛擬儀器在自動(dòng)控制原理</p><p>　　題 目: 實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 </p><p>　　院 (系) : 電氣信息工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)年級(jí): 電氣工程及其自動(dòng)化2007級(jí)

2、 </p><p>　　LabVIEW在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中遇到的困難和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，本文提出了建立基于Labview的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。文中分析了目前常見的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)的應(yīng)用Labview編程語言實(shí)

3、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)。最后，利用Matlab語言編程進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行正確性驗(yàn)證。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器，Labview，自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，Matlab</p><p>　　In Automatic Control Principle Experiment LabVIEW Application</p><p><b&

4、gt;　　Abstract</b></p><p>　　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 automa

5、tic control theory 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 experimen

6、ts in Automatic Control Theory is complemented successfully using Labview equivalently. In addition，propos</p><p>　　Key words：virtual instrument，Labview，automatic control experiment，MATLAB</p><p&g

7、t;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　2 LabVIEW以及虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介2</p><p>　　2.1 LabVIEW的簡介2</p><p>　　2.2 LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介3</p><

8、;p>　　3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立5</p><p>　　3.1硬件平臺(tái)構(gòu)建5</p><p>　　3.2虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.2.1 使用Visual Basic開發(fā)虛擬儀器5</p><p>　　3.2.2使用LABVIEW開發(fā)的虛擬儀器5</p><p>　　4 LabVIE

9、W在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例6</p><p>　　4.1 基于LabVIEW的自控原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法6</p><p>　　4.1.1自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成6</p><p>　　4.1.2　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展8</p><p>　　4.2 基于LabVIEW 的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用10</p>

10、<p>　　4.2.1 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目的與意義10</p><p>　　4.2.2 虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢11</p><p><b>　　5 結(jié) 論12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)12</b></p><p><b>　　致 謝13<

11、;/b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　自動(dòng)控制原理是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課, 要求學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)方法。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)問題、分析問題和解決問題的能力。但是目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列問題,例如實(shí)驗(yàn)

12、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場地?cái)?shù)量有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化嚴(yán)重以及嚴(yán)重缺乏實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師等, 因此各種虛擬實(shí)驗(yàn)方法相繼提出。某些文獻(xiàn)中提出基于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，解決了目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中的一些問題,并在一定程度上提高了自動(dòng)控制原理的教學(xué)效果。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)菢由羁獭Ａ硗?由于Mat

13、lab 軟件模擬往往需要學(xué)生對(duì)其有一定的熟悉和了解, 這對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生來說比較困難。所以,實(shí)驗(yàn)效果并不很理想。</p><p>　　隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 采用NI公司的LabVIEW編程語言,開發(fā)出基于LabVIEW所設(shè)計(jì)開發(fā)出的虛擬儀器，不僅具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，而且儀器界面非常友好和美觀，能夠采集信號(hào)發(fā)生、波形顯示、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等多功能與一身，替代了實(shí)驗(yàn)室中電壓表、電流表

14、和示波器多種傳統(tǒng)的儀器設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)過程得到相當(dāng)程度的化，結(jié)合第三方公司提供的數(shù)據(jù)采集卡, 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍加改動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)既可以在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),又能結(jié)合學(xué)校原有的硬件電路設(shè)備進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可以顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。虛擬儀器在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了傳統(tǒng)儀器的大部分成本，而且在實(shí)用性上不比傳統(tǒng)儀器遜色。因此，現(xiàn)在虛擬儀器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)等諸多領(lǐng)域，在降低了原有成本的基礎(chǔ)上，同時(shí)它的應(yīng)用比較方便，而且初學(xué)者較容易學(xué)

15、習(xí)、運(yùn)用。在不久的將來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們創(chuàng)新意識(shí)的不斷深入，虛擬儀器的未來將是非常光明的，而且會(huì)被更多的人所認(rèn)可和接受，這樣就會(huì)有更好，更先進(jìn)的虛擬儀器被開發(fā)出來，以滿足不同人的需求。</p><p>　　因此，根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中遇到的困難和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，本文提出了建立基于LabVIEW的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。文中分析了目前常見的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)的應(yīng)用LabV

16、IEW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)。最后，利用Matlab語言編程進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行正確性驗(yàn)證。</p><p>　　2 LabVIEW以及虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介</p><p>　　2.1 LabVIEW的簡介</p><p>　　LabVIEW是一種基于圖形的集成化程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概

17、念，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(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，強(qiáng)調(diào)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。他與傳統(tǒng)儀器有許多不同，它們的比較如下：</p><p>　　虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比擬的優(yōu)勢，但它并不否定傳統(tǒng)儀器的作用，它們相互交叉又相互補(bǔ)充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分

18、獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。</p><p>　　專家們指出，在這個(gè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物，因此，在21世紀(jì)，虛擬儀器將大行其道，日漸受寵，將會(huì)引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場新的革命。</p><p&g

19、t;　　LabVIEW是NI推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，它們能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。</p><p>　　LabVIEW采用圖形化編程語言--G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。

20、特別是對(duì)于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、現(xiàn)場工程技術(shù)人員及測試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣；因此，硬件工程師、現(xiàn)場工程技術(shù)人員及測試技術(shù)人員們學(xué)習(xí)LabVIEW駕輕就熟，在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會(huì)并應(yīng)用LabVIEW。也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。</p><p>　　LabVIEW這么容易學(xué)習(xí)和使用，是不是LabVIEW的功能十分有限呢？不。像C或C++等其它計(jì)算機(jī)高級(jí)語言一樣，LabVI

21、EW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且LabVIEW與其它計(jì)算機(jī)語言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn)：其它計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生

22、代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語言—G語言。</p><p>　　LabVIEW程序又稱為虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，它的程序很容易改變設(shè)置和功能。因此，LabVIEW特別適用于實(shí)驗(yàn)室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備的參數(shù)和功能的場合，及對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析研究、傳輸?shù)葓龊稀?lt;/p><p>　　總之，由于LabVIEW能夠?yàn)橛脩籼峁┖喢鳌⒅庇^、易用的圖形

23、編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時(shí)簡便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶可以將原有的帶有RS232接口的儀器、VXI總線儀器以及GPIB儀器通過計(jì)算機(jī)，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系

24、統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理和操作。</p><p>　　可以預(yù)見，由于LabVIEW這些其他語言無法比擬的優(yōu)勢，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一朵奇葩！最終將引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場新的革命。</p><p>　　2.2 LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介</p><p>　　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室由不同功能儀器組成，以滿足不同實(shí)驗(yàn)課題的要求。虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很相似，提供不同功能的儀器

25、完成實(shí)驗(yàn)，不同之處在于，前者基于真實(shí)的物理儀器，而后者是基于虛擬儀器。</p><p>　　LabVIEW虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室是有NI公司建立的。LabVIEW7.1的虛擬儀器技術(shù)提供信號(hào)發(fā)生、濾波處理、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室所提供的常見功能。通過使用此系統(tǒng)，用戶可以方便、直觀、系統(tǒng)地了解和掌握信號(hào)分析、處理的常規(guī)方法，進(jìn)一步驗(yàn)證理論知識(shí)的正確性。其主要部分主要有以下功能：</p><p&g

26、t;<b>　　(1)信號(hào)發(fā)生</b></p><p>　　用于演示常規(guī)信號(hào)發(fā)生器功能，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波以及脈沖、沖激、噪聲等信號(hào)。信號(hào)的類型確定后，用戶要設(shè)置信號(hào)的各種參數(shù)（如正弦波的幅值、頻率、相位，脈沖信號(hào)的幅值、延時(shí)、脈寬等），系統(tǒng)根據(jù)用戶所選擇的信息，自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字顯示到面板中，而且會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)信號(hào)信息的改變而改變信號(hào)的輸出。在此過程中，如果用戶想保存產(chǎn)生的信號(hào)

27、，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，將信號(hào)保存到數(shù)據(jù)文件中。</p><p><b>　　(2)濾波處理</b></p><p>　　用于演示濾波器功能，用戶選好待處理的信號(hào)，并設(shè)置好幅值、頻率等信號(hào)參數(shù)，系統(tǒng)將此信號(hào)疊加一個(gè)500HZ以上的高頻干擾信號(hào)用于濾波分析，接著用戶要設(shè)置濾波器的各種參數(shù)（包括濾波器的類型、截止頻率，階數(shù)等），確定濾波器的功能，最后系統(tǒng)將從“原始信號(hào)”、

28、“濾波后的原始信號(hào)”、“原始信號(hào)的FFT”、“濾波后的FFT”四個(gè)方面顯示濾波效果。</p><p><b>　　(3)頻譜分析</b></p><p>　　用于演示頻譜分析儀的功能。選好待分析的信號(hào)以后，系統(tǒng)將輸入信號(hào)分別經(jīng)單邊FFT、雙邊FFT快速傅里葉變換、功率譜處理后的信號(hào)顯示到屏幕中，驗(yàn)證頻譜分析的功能。</p><p><b&

29、gt;　　(4)電橋電路</b></p><p>　　用于演示電橋電路平衡原理，用戶設(shè)定好系統(tǒng)的誤差精度，然后根據(jù)系統(tǒng)提示調(diào)節(jié) 、電阻，根據(jù)電橋平衡原理，測出系統(tǒng)給定的待測值Rx，電橋平衡后，系統(tǒng)將自動(dòng)退出。</p><p><b>　　(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)</b></p><p>　　用于演示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與再現(xiàn)功能，選好要存儲(chǔ)的信號(hào)，系統(tǒng)將

30、產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，當(dāng)點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕擊“讀取數(shù)據(jù)”時(shí)，可根據(jù)提示框，讀入數(shù)據(jù)文件，便于數(shù)據(jù)的離線分析。</p><p><b>　　(6)直線擬合</b></p><p>　　用于演示最小二乘法直線擬合原理，選擇好需要擬合的數(shù)據(jù)以后，只要點(diǎn)擊“直線擬合”按鈕，擬合前的數(shù)據(jù)曲線和擬合后的數(shù)據(jù)曲線將顯示屏幕中，同時(shí)顯示擬合方程和相應(yīng)參數(shù)。</p><p

31、><b>　　(7)通訊控制</b></p><p>　　用于顯示基于LabVIEW的上下微機(jī)通訊控制功能，實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與單片機(jī)之間的通訊。</p><p>　　3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立</p><p>　　在虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，虛擬儀器的構(gòu)成是最重要的。虛擬儀器的基本構(gòu)成包括硬件平臺(tái)、虛擬儀器軟件，硬件接口模塊等。</p>

32、;<p><b>　　3.1硬件平臺(tái)構(gòu)建</b></p><p>　　虛擬儀器的硬件一般包括計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備。PC 機(jī)可以選擇各種類型的通用計(jì)算機(jī)，它主要用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理和顯示功能。而外圍硬件設(shè)備則主要包括各種計(jì)算機(jī)內(nèi)置儀器插卡和外置測試儀器設(shè)備。通過友好的圖形界面操作，自己定義、自己設(shè)計(jì)，從而完成對(duì)被測試量的采集、分析和顯示等功能。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)

33、據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB 儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。在這里，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。</p><p>　　3.2虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　目前虛擬儀器軟件開發(fā)工具有兩大類：</p><p>　　(1) 文本式編輯語言：Visual C++ 和LAB windows ／CVI。</p>

34、<p>　　使用通用軟件Visual Basic開發(fā)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器和信號(hào)發(fā)生器。可以完成對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生、測量，能替代傳統(tǒng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（低頻）和示波器，節(jié)約了大量成本。利用此系統(tǒng)可完成《信號(hào)與系統(tǒng)》虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在我院成功使用。 利用文本式編輯語言所開發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)功能簡單，局限性較大。所以進(jìn)一步限制了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。</p><p>　　(2)圖形化編輯語言：LABVIEW，HPV

35、EE。</p><p>　　LABVIEW是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的最理想的軟件平臺(tái)。LABVIEW 具有圖形編程開發(fā)環(huán)境，可用于數(shù)據(jù)采集及控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。目前，已應(yīng)用于電子和計(jì)算機(jī)工程、機(jī)械工程、Interact連通性等領(lǐng)域。LABVIEW程序由前面板(front pane1)和流程圖(block diagram)兩部分構(gòu)成，整個(gè)程序是基于多線程的設(shè)計(jì)，前面板和流程圖各用一個(gè)線程。前面板是LABVIEW 的圖形用

36、戶接口，此接口集成了用戶輸入、程序的輸出,相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板；流程圖包括虛擬儀器程序的圖形源代碼，在流程圖內(nèi)對(duì)VI 進(jìn)行編程，以控制前面板的輸入和輸出功能。流程圖包括內(nèi)置于LABVIEW庫里的函數(shù)(function)和結(jié)構(gòu)(structure)，還包括與前面板控制和顯示對(duì)象相對(duì)應(yīng)的連線子(termina1)。</p><p>　　4 LabVIEW在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例</p><

37、p>　　4.1 基于LabVIEW的自控原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　4.1.1自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成</p><p>　　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有交互式人機(jī)接口，界面友好，通過課堂上模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以更好地幫助學(xué)生理解、消化、吸收所學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)解決教學(xué)及實(shí)驗(yàn)過程中的一些難點(diǎn)問題。本文介紹的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)界面簡單，參數(shù)改變方便等特點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)控制原

38、理這門課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器特點(diǎn)開發(fā)許多實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　(1) 典型環(huán)節(jié)的模擬研究：包括比例、比例積分、比例微分、慣性等基本環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性研究。</p><p>　　(2) 時(shí)域特性分析：包括一階，二階和三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和性能指標(biāo)計(jì)算。如穩(wěn)態(tài)誤差，上升時(shí)間，調(diào)整時(shí)間，超調(diào)。峰值時(shí)間等。</p><p>　　(3) 二階系統(tǒng)根軌跡分析:通過畫開環(huán)

39、系統(tǒng)的根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能。</p><p>　　(4) 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析:通過計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的根是否全在左半平面以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　(5) 頻率特性分析：通過畫開環(huán)系統(tǒng)的BODE圖分析系統(tǒng)的性能。</p><p>　　(6) PID調(diào)節(jié)：可對(duì)一階，二階和三階系進(jìn)行PID調(diào)節(jié)分析，輸入P，I，D參數(shù)可以分析PID對(duì)系統(tǒng)性能的影響。<

40、;/p><p>　　下面對(duì)典型環(huán)節(jié)中的比例、積分、微分、慣性等基本環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析：</p><p><b>　　比例環(huán)節(jié) </b></p><p>　　比例環(huán)節(jié)又稱放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　這表明，輸出量與輸入量成正比，動(dòng)態(tài)關(guān)系與靜態(tài)關(guān)系都一樣，不失真也不遲延，所以又稱為"無慣性環(huán)節(jié)&qu

41、ot;或"放大環(huán)節(jié)"。比例環(huán)節(jié)的特征參數(shù)只有一個(gè)，即放大系數(shù)K。工程上如無彈性變形的杠桿傳動(dòng)、電子放大器檢測儀表、比例式執(zhí)行機(jī)構(gòu)等都是比例環(huán)節(jié)的一些實(shí)際例子。</p><p><b>　　慣性環(huán)節(jié) </b></p><p>　　慣性環(huán)節(jié)又稱非周期環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　T為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，K為比例系數(shù)。&

42、lt;/p><p><b>　　積分環(huán)節(jié)</b></p><p>　　積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為</p><p>　　在單位階躍輸入的作用下，積分環(huán)節(jié)的輸出c(t)為</p><p>　　這表明，只要有一個(gè)恒定的輸入量作用于積分環(huán)節(jié)，其輸出量就與時(shí)間成正比地?zé)o限增加。積分環(huán)節(jié)具有記憶功能，當(dāng)輸入信號(hào)突然除去時(shí)，輸出總要變化下去。在

43、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用積分環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 </p><p><b>　　微分環(huán)節(jié)</b></p><p>　　微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為</p><p>　　理想微分環(huán)節(jié)的輸出與輸入量的變化速度成正比。在階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為一理想脈沖（實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)），由于微分環(huán)節(jié)能預(yù)示輸出信號(hào)的變化趨勢，所以常用來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。</p&

44、gt;<p>　　實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的微分環(huán)節(jié)都具有一定的慣性，其傳遞函數(shù)如下：</p><p>　　它有一個(gè)負(fù)極點(diǎn)和一個(gè)位于S平面原點(diǎn)的零點(diǎn)。實(shí)際微分環(huán)節(jié)在單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為</p><p>　　4.1.2　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展</p><p>　　在實(shí)際“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中，通常不僅需要進(jìn)行軟件的模擬實(shí)驗(yàn)室，還需要利用硬件設(shè)備進(jìn)行

45、硬件實(shí)驗(yàn)。由于語言的特性，在基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)只需要調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備提供商提供的數(shù)據(jù)采集函數(shù)，就能將硬件電路的電信號(hào)采集到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，再對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析。因此該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)展是十分方便的，這也是其他類型的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所不能做到的。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)展需要有以下幾個(gè)方面組成：</p><p><b>　　(1)界面設(shè)計(jì)</b></p><p&

46、gt;　　首先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)界面。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)調(diào)用界面模式，動(dòng)態(tài)調(diào)用界面模式的優(yōu)點(diǎn)在于子模塊單獨(dú)編程，結(jié)構(gòu)清楚，編程的復(fù)雜程度低;子功能程序僅在被調(diào)用時(shí)動(dòng)態(tài)加載入內(nèi)存，調(diào)用結(jié)束后即釋放程序；動(dòng)態(tài)加載，占用內(nèi)存少，加載速度快。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要, 在前面板上添加必要的數(shù)據(jù)輸入控件和輸出控件、程序說明標(biāo)簽、程序控制按鈕及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示控件, 就可以得到一定的結(jié)果。</p><p>　　由于系統(tǒng)有多個(gè)子項(xiàng)目，各自有自

47、己的前面板，因此將這些子項(xiàng)目進(jìn)行整合以便在同一個(gè)界面中調(diào)用和顯示尤為重要。LabVIEW提供了多種函數(shù)進(jìn)行子項(xiàng)目整合，本文選用子面板函數(shù)進(jìn)行整合，通過子面板函數(shù)，在主VI調(diào)用子VI時(shí)，可以將子VI的面板顯示在主VI的面板中。如果要把前面所做的虛擬實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目整合到同一個(gè)界面中，可以在同一個(gè)界面中調(diào)用和顯示所有的子項(xiàng)目界面，用子面板是很簡單的。有了子面板功能，我們可以將各個(gè)子項(xiàng)目做成插件，由主程序動(dòng)態(tài)調(diào)用，分別設(shè)計(jì)子項(xiàng)目的界面，在調(diào)用個(gè)子項(xiàng)

48、目的同時(shí)，顯示各子項(xiàng)目的界面.需要說明的是，子VI的前面板只有在子VI被調(diào)用時(shí)才會(huì)顯示在主VI的面板中，子VI調(diào)用結(jié)束后，子VI的面板也會(huì)消失。并且，在使用面板調(diào)用子VI時(shí)，子VI必須處于關(guān)閉狀態(tài)，如果子VI已經(jīng)打開，主程序會(huì)報(bào)錯(cuò)。子功能程序僅在被調(diào)用時(shí)動(dòng)態(tài)加載入內(nèi)存，調(diào)用結(jié)束后即釋放。在前面板中的控件中訪問子面板的方法是：新式→容器→子面板。這樣把子面板加到前面板了，在子面板的下面設(shè)置各功能選擇按鈕，可按需調(diào)用子功能，這樣我們將程序界

49、面分為上下兩個(gè)區(qū)域：上面區(qū)域由子面板控件構(gòu)成，在子VI被調(diào)用時(shí)顯示和運(yùn)行相應(yīng)界面及功能.在</p><p>　　要完成動(dòng)態(tài)調(diào)用功能，首先做好每個(gè)子項(xiàng)目，然后可通過LIB管理器把子項(xiàng)目全面放到同一個(gè)路徑下。當(dāng)需要調(diào)用某一子功能程序時(shí)，首先應(yīng)該知道該子程序的整體路徑：設(shè)計(jì)一個(gè)把已知路徑的子程序加載并啟動(dòng)的子VI“Load.vi”和調(diào)用子VI程序的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。vi把所做好的VI程序和Load.vi和自動(dòng)控制原

50、理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。VI全部放到LIB管理器中，方法是：菜單→工具→LIB管理器，然后選擇好要建文件的路徑后，在菜單文件→新建LIB，輸入要建的名稱，如“自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，就建好LIB了，然后打開“自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，打開要裝入的程序，把程序另存為到“自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”中就可以了。</p><p><b>　　(2)框圖程序設(shè)計(jì)</b></p><p&g

51、t;<b>　　根據(jù)式</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的后面板進(jìn)行設(shè)計(jì)。面板程序圖如圖3-1 所示</p><p>　　圖3-1 典型二階系統(tǒng)后面板程序圖</p><p>　　在實(shí)現(xiàn)時(shí)域結(jié)果的程序中, 采用LabVIEW 中常用的公式節(jié)點(diǎn), 使

52、得程序簡潔易懂, 對(duì)于不同的輸入?yún)?shù), 得到不同的輸出結(jié)果。并且將整個(gè)程序放入一個(gè)大的循環(huán)程序中, 可以對(duì)改變輸入?yún)?shù)得到及時(shí)的響應(yīng), 提高實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中, 在實(shí)驗(yàn)界面的左側(cè)輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù), 便可得到典型二階系統(tǒng)的參數(shù): 振蕩頻率、阻尼比和虛擬示波器顯示參數(shù)( 采樣點(diǎn)數(shù)) 。改變了二階系統(tǒng)的參數(shù)就改變階躍響應(yīng)的波形, 改變采樣點(diǎn)數(shù)可改變波形的長度。本實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)除了能顯示二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形外, 還能計(jì)算出時(shí)域指標(biāo): 上升時(shí)間

53、、延遲時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差, 并將理論值和測量值進(jìn)行比較。</p><p>　　4.2 基于LabVIEW 的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用</p><p>　　采用基于LabVIE 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)， 可從根本上解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺的問題，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)勢，建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，可進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。</p><p>　　4.2.1 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目

54、的與意義</p><p>　　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式， 在實(shí)驗(yàn)的過程中面對(duì)的是各種真實(shí)儀器，這種實(shí)物模式有一些固有的缺陷：設(shè)備易磨損老化，需要定期更新；當(dāng)線路連接有誤時(shí)，可能會(huì)損壞元器件及測試儀器；實(shí)驗(yàn)元器件離散性大，溫漂、干擾等因素會(huì)造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差；只能進(jìn)行定性測試，難以得到實(shí)時(shí)的量化值；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能及時(shí)存儲(chǔ)，不便于對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析；實(shí)驗(yàn)附加設(shè)備較多、靈活性低等，這些因素使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。使用LABV

55、IEW 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。</p><p>　　4.2.2 虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢</p><p>　　應(yīng)用LabVIEW 構(gòu)建的虛擬儀器可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣及運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)了定量化測試，可將測得的數(shù)據(jù)保存以便于進(jìn)一步分析，能夠建立基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的測試系統(tǒng)，方便地組織多人同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有操作簡單，界面友好等許多優(yōu)點(diǎn)。</p>

56、<p>　　(1)虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器更靈活</p><p>　　虛擬儀器具有信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、濾波處理、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種功能，可替代多種獨(dú)立的儀器設(shè)備，如萬用表、電壓表、電流表、示波器、信號(hào)發(fā)生器濾波器、頻譜分析儀等。虛擬儀器擴(kuò)展了常規(guī)儀器的功能。傳統(tǒng)常規(guī)儀器一般只能用于某個(gè)量的測量，而虛擬儀器既可構(gòu)成電壓表，也可構(gòu)成示波器，所構(gòu)造出的儀器間具備控制通道和數(shù)據(jù)通道，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析處

57、理功能，能對(duì)多個(gè)參量進(jìn)行自動(dòng)分析、信息綜合及控制等。使實(shí)驗(yàn)過程得到簡化，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。</p><p><b>　　(2)實(shí)驗(yàn)效果良好</b></p><p>　　在計(jì)算機(jī)上就可完成實(shí)驗(yàn)線路的連接，可在短暫的時(shí)間快速完成較復(fù)雜的線路連接、測試工作，評(píng)估元器件參數(shù)變化對(duì)電路造成的影響，分析一些較難測量的電路特性，充分利用計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確將繁瑣的計(jì)算公式通過編制

58、程序計(jì)算出結(jié)果，畫出精確仿真圖線，幫助學(xué)生理解和分析復(fù)雜的電路。通過改變軟件，就可實(shí)現(xiàn)不同儀器儀表的功能，非常方便，易于擴(kuò)展組成自動(dòng)測試系統(tǒng)，它不僅使測試儀器具備了自動(dòng)化程度高、可靠性高、價(jià)格低、升級(jí)容易、可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于復(fù)雜的測試系統(tǒng)，它良好的人機(jī)界面、菜單式操作，簡化了儀器操作。</p><p>　　(3)便于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維</p><p>　　實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空限制，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)

59、教學(xué)的現(xiàn)代化。學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上自行設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)新的測量功能，并且可通過修改參數(shù)，迅速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，不斷地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而不必?fù)?dān)心損壞儀器，檢驗(yàn)自己對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況，這對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)水平是有幫助的。</p><p><b>　　5 結(jié) 論</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于LabVIEW語言，充分利用了其靈活、開放、用軟件代替

60、儀器功能的特點(diǎn)，人機(jī)界面友好，學(xué)生使用方便，并且具有良好的可擴(kuò)展性，不僅能方便的進(jìn)行軟件模擬實(shí)驗(yàn)，而且能夠很好的與硬件實(shí)驗(yàn)電路相結(jié)合，進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)。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(duì)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)淖饔谩?lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b&g

61、t;</p><p>　　1 胡壽松．自動(dòng)控制原理（第5版）．北京：科學(xué)出版社，2007，35（3）：121~125</p><p>　　2 袁源．虛擬儀器基礎(chǔ)教程．成都：電子科技大學(xué)出版社，2002，80（6）：156~163</p><p>　　3 曾文琪，高滿茹．基于虛擬儀器的自控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．微型計(jì)算機(jī)信息，2010，26（6-1）：152~155

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63、發(fā)．浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，22（3）：65~69</p><p>　　7 張慧妍，王晨凱，翁貽方等．基于 LabVIEW 的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（8）：139~141</p><p>　　8 趙劍鋒，吳繼平．基于LabVIEW的自動(dòng)控制原理虛擬系統(tǒng)．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（1）：85~87</p><p&g

64、t;<b>　　致 謝</b></p><p>　　畢業(yè)論文是大學(xué)期間我們經(jīng)歷的最后一次綜合性的考核。在這次畢業(yè)論文中，我的指導(dǎo)老師對(duì)我精心指導(dǎo)，從畢業(yè)論文的開始到結(jié)束，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)的方向。同時(shí)老師又在我完成設(shè)計(jì)的過程中起到了很好的督促作用，讓我能盡快地完成任務(wù)。在軟件程序的編寫上老師又給我提供了很多指導(dǎo)和幫助。在開始階段由于知識(shí)量的不足使我

65、在畢業(yè)論文過程中的前期階段遇到很多難題，老師又安排好了學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容、查找相關(guān)資料以及將其應(yīng)用于實(shí)踐的工作，使得畢業(yè)論文順利進(jìn)行。在此，對(duì)老師的指導(dǎo)和幫助表示衷心的感謝!</p><p>　　在工作中當(dāng)我遇到困難的時(shí)候，同學(xué)也都給我提供了很多幫助，對(duì)我畢業(yè)論文的順利完成起到了積極的作用，在此我向他們表示謝意!</p><p>　　其次，感謝自動(dòng)控制系的領(lǐng)導(dǎo)和老師為我的畢業(yè)論文提供了良好的環(huán)