畢業(yè)論文---labview在自動控制原理實驗中的應(yīng)用

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

2、 </p><p>　　LabVIEW在自動控制原理實驗中的應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　根據(jù)“自動控制原理”課程實驗教學(xué)在高校實驗實踐中遇到的困難和實驗教學(xué)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(yīng)的應(yīng)用Labview編程語言實

3、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(jìn)行對比分析，進(jìn)行正確性驗證。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器，Labview，自動控制實驗，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以及虛擬實驗室簡介2</p><p>　　2.1 LabVIEW的簡介2</p><p>　　2.2 LabVIEW的虛擬實驗室簡介3</p><

8、;p>　　3 虛擬實驗室的建立5</p><p>　　3.1硬件平臺構(gòu)建5</p><p>　　3.2虛擬儀器軟件設(shè)計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在自動控制原理實驗中的應(yīng)用舉例6</p><p>　　4.1 基于LabVIEW的自控原理虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計方法6</p><p>　　4.1.1自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成6</p><p>　　4.1.2　虛擬實驗系統(tǒng)的擴展8</p><p>　　4.2 基于LabVIEW 的實驗在教學(xué)中的應(yīng)用10</p>

10、<p>　　4.2.1 構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)目的與意義10</p><p>　　4.2.2 虛擬儀器引入實驗教學(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)生掌握自動控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計方法。自動控制課程中, 實驗是一種重要的教學(xué)手段。學(xué)生通過做實驗,可以加深對所學(xué)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。但是目前自動控制實驗教學(xué)存在一系列問題,例如實驗

12、設(shè)備和實驗場地數(shù)量有限、實驗設(shè)備老化嚴(yán)重以及嚴(yán)重缺乏實驗指導(dǎo)教師等, 因此各種虛擬實驗方法相繼提出。某些文獻(xiàn)中提出基于Matlab 的虛擬實驗系統(tǒng), 用軟件模擬了實際硬件的全部功能，解決了目前自動控制實驗中的一些問題,并在一定程度上提高了自動控制原理的教學(xué)效果。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(xué)生的動手能力和硬件調(diào)試能力, 并且軟件模擬實驗給學(xué)生的印象并不如硬件實驗?zāi)菢由羁獭Ａ硗?由于Mat

13、lab 軟件模擬往往需要學(xué)生對其有一定的熟悉和了解, 這對于低年級的學(xué)生來說比較困難。所以,實驗效果并不很理想。</p><p>　　隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計算機技術(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)計開發(fā)出的虛擬儀器，不僅具有強大的數(shù)據(jù)運算和處理功能，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，替代了實驗室中電壓表、電流表

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

15、習(xí)、運用。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)新意識的不斷深入，虛擬儀器的未來將是非常光明的，而且會被更多的人所認(rèn)可和接受，這樣就會有更好，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)“自動控制原理”課程實驗教學(xué)在高校實驗實踐中遇到的困難和實驗教學(xué)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(yīng)的應(yīng)用LabV

16、IEW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(jìn)行對比分析，進(jìn)行正確性驗證。</p><p>　　2 LabVIEW以及虛擬實驗室簡介</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)計的圖形化編程軟件，強調(diào)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計算機上配以高效經(jīng)濟的硬件設(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充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨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、獨立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。</p><p>　　專家們指出，在這個計算機和網(wǎng)絡(luò)時代，利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(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)正是計算機和網(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)平臺軟件，它們能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、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、實驗室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實踐中去。

20、特別是對于熟悉儀器結(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，在很短的時間內(nèi)就能夠?qū)W會并應(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++等其它計算機高級語言一樣，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，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、單步等。LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(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與其它計算機語言相比，有一個特別重要的不同點：其它計算機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特別適用于實驗室、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，及對信號進(jìn)行分析研究、傳輸?shù)葓龊稀?lt;/p><p>　　總之，由于LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、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)時間，其運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儀器通過計算機，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系

24、統(tǒng)，由計算機進(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的虛擬實驗室簡介</p><p>　　傳統(tǒng)實驗室由不同功能儀器組成，以滿足不同實驗課題的要求。虛擬實驗室的組成與傳統(tǒng)實驗室很相似，提供不同功能的儀器

25、完成實驗，不同之處在于，前者基于真實的物理儀器，而后者是基于虛擬儀器。</p><p>　　LabVIEW虛擬儀器實驗室是有NI公司建立的。LabVIEW7.1的虛擬儀器技術(shù)提供信號發(fā)生、濾波處理、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲等傳統(tǒng)實驗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)地了解和掌握信號分析、處理的常規(guī)方法，進(jìn)一步驗證理論知識的正確性。其主要部分主要有以下功能：</p><p&g

26、t;<b>　　(1)信號發(fā)生</b></p><p>　　用于演示常規(guī)信號發(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。信號的類型確定后，用戶要設(shè)置信號的各種參數(shù)（如正弦波的幅值、頻率、相位，脈沖信號的幅值、延時、脈寬等），系統(tǒng)根據(jù)用戶所選擇的信息，自動產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字顯示到面板中，而且會實時根據(jù)信號信息的改變而改變信號的輸出。在此過程中，如果用戶想保存產(chǎn)生的信號

27、，點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，將信號保存到數(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，并設(shè)置好幅值、頻率等信號參數(shù)，系統(tǒng)將此信號疊加一個500HZ以上的高頻干擾信號用于濾波分析，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”、

28、“濾波后的原始信號”、“原始信號的FFT”、“濾波后的FFT”四個方面顯示濾波效果。</p><p><b>　　(3)頻譜分析</b></p><p>　　用于演示頻譜分析儀的功能。選好待分析的信號以后，系統(tǒng)將輸入信號分別經(jīng)單邊FFT、雙邊FFT快速傅里葉變換、功率譜處理后的信號顯示到屏幕中，驗證頻譜分析的功能。</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)將自動退出。</p><p><b>　　(5)數(shù)據(jù)存儲</b></p><p>　　用于演示數(shù)據(jù)存儲與再現(xiàn)功能，選好要存儲的信號，系統(tǒng)將

30、產(chǎn)生相應(yīng)信號，當(dāng)點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕擊“讀取數(shù)據(jù)”時，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的上下微機通訊控制功能，實現(xiàn)了LabVIEW與單片機之間的通訊。</p><p>　　3 虛擬實驗室的建立</p><p>　　在虛擬實驗室建設(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、虛擬儀器軟件，硬件接口模塊等。</p>

32、;<p><b>　　3.1硬件平臺構(gòu)建</b></p><p>　　虛擬儀器的硬件一般包括計算機和外圍硬件設(shè)備。PC 機可以選擇各種類型的通用計算機，它主要用來提供實時高效的數(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算機內(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，從而完成對被測試量的采集、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的輸入輸軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。</p><p>　　3.2虛擬儀器軟件設(shè)計</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)字存儲示波器和信號發(fā)生器?？梢酝瓿蓪π盘柕漠a(chǎn)生、測量，能替代傳統(tǒng)的函數(shù)信號發(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《信號與系統(tǒng)》虛擬實驗室的建設(shè)。這個實驗室已經(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)一步限制了實驗室的建設(shè)。</p><p>　　(2)圖形化編輯語言：LABVIEW，HPV

35、EE。</p><p>　　LABVIEW是構(gòu)建虛擬實驗室的最理想的軟件平臺。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)用于電子和計算機工程、機械工程、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，整個程序是基于多線程的設(shè)計，前面板和流程圖各用一個線程。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象相對應(yīng)的連線子(termina1)。</p><p>　　4 LabVIEW在自動控制原理實驗中的應(yīng)用舉例</p><

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

38、理這門課程的傳統(tǒng)實驗和虛擬儀器特點開發(fā)許多實驗。</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)的動態(tài)特性研究。</p><p>　　(2) 時域特性分析：包括一階，二階和三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和性能指標(biāo)計算。如穩(wěn)態(tài)誤差，上升時間，調(diào)整時間，超調(diào)。峰值時間等。</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對系統(tǒng)性能的影響。<

40、;/p><p>　　下面對典型環(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，即放大系數(shù)K。工程上如無彈性變形的杠桿傳動、電子放大器檢測儀表、比例式執(zhí)行機構(gòu)等都是比例環(huán)節(jié)的一些實際例子。</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，只要有一個恒定的輸入量作用于積分環(huán)節(jié)，其輸出量就與時間成正比地?zé)o限增加。積分環(huán)節(jié)具有記憶功能，當(dāng)輸入信號突然除去時，輸出總要變化下去。在

43、控制系統(tǒng)設(shè)計中，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（實際上無法實現(xiàn)），由于微分環(huán)節(jié)能預(yù)示輸出信號的變化趨勢，所以常用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。</p&

44、gt;<p>　　實際上可實現(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>　　它有一個負(fù)極點和一個位于S平面原點的零點。實際微分環(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　虛擬實驗系統(tǒng)的擴展</p><p>　　在實際“自動控制原理”的教學(xué)和實驗過程中，通常不僅需要進(jìn)行軟件的模擬實驗室，還需要利用硬件設(shè)備進(jìn)行

45、硬件實驗。由于語言的特性，在基于LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)中進(jìn)行擴展時只需要調(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采集到實驗系統(tǒng)中，再對采集到的信號進(jìn)行分析。因此該虛擬實驗系統(tǒng)擴展是十分方便的，這也是其他類型的虛擬實驗系統(tǒng)所不能做到的。虛擬實驗系統(tǒng)擴展需要有以下幾個方面組成：</p><p><b>　　(1)界面設(shè)計</b></p><p&

46、gt;　　首先設(shè)計實驗子系統(tǒng)的實驗界面。本系統(tǒng)設(shè)計了動態(tài)調(diào)用界面模式，動態(tài)調(diào)用界面模式的優(yōu)點在于子模塊單獨編程，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)用時動態(tài)加載入內(nèi)存，調(diào)用結(jié)束后即釋放程序；動態(tài)加載，占用內(nèi)存少，加載速度快。根據(jù)實驗需要, 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、程序控制按鈕及實驗結(jié)果顯示控件, 就可以得到一定的結(jié)果。</p><p>　　由于系統(tǒng)有多個子項目，各自有自

47、己的前面板，因此將這些子項目進(jìn)行整合以便在同一個界面中調(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，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驗子項目整合到同一個界面中，可以在同一個界面中調(diào)用和顯示所有的子項目界面，用子面板是很簡單的。有了子面板功能，我們可以將各個子項目做成插件，由主程序動態(tài)調(diào)用，分別設(shè)計子項目的界面，在調(diào)用個子項

48、目的同時，顯示各子項目的界面.需要說明的是，子VI的前面板只有在子VI被調(diào)用時才會顯示在主VI的面板中，子VI調(diào)用結(jié)束后，子VI的面板也會消失。并且，在使用面板調(diào)用子VI時，子VI必須處于關(guān)閉狀態(tài)，如果子VI已經(jīng)打開，主程序會報錯。子功能程序僅在被調(diào)用時動態(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)用時顯示和運行相應(yīng)界面及功能.在</p><p>　　要完成動態(tài)調(diào)用功能，首先做好每個子項目，然后可通過LIB管理器把子項目全面放到同一個路徑下。當(dāng)需要調(diào)用某一子功能程序時，首先應(yīng)該知道該子程序的整體路徑：設(shè)計一個把已知路徑的子程序加載并啟動的子VI“Load.vi”和調(diào)用子VI程序的自動控制原理實驗系統(tǒng)。vi把所做好的VI程序和Load.vi和自動控制原

50、理實驗系統(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“自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)”，就建好LIB了，然后打開“自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)”，打開要裝入的程序，把程序另存為到“自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)”中就可以了。</p><p><b>　　(2)框圖程序設(shè)計</b></p><p&g

51、t;<b>　　根據(jù)式</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　對實驗系統(tǒng)的后面板進(jìn)行設(shè)計。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>　　在實現(xiàn)時域結(jié)果的程序中, 采用LabVIEW 中常用的公式節(jié)點, 使

52、得程序簡潔易懂, 對于不同的輸入?yún)?shù), 得到不同的輸出結(jié)果。并且將整個程序放入一個大的循環(huán)程序中, 可以對改變輸入?yún)?shù)得到及時的響應(yīng), 提高實驗的對比性。在這個實驗中, 在實驗界面的左側(cè)輸入實驗參數(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, 改變采樣點數(shù)可改變波形的長度。本實驗子系統(tǒng)除了能顯示二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形外, 還能計算出時域指標(biāo): 上升時間

53、、延遲時間、峰值時間、調(diào)節(jié)時間、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 的實驗在教學(xué)中的應(yīng)用</p><p>　　采用基于LabVIE 的實驗教學(xué)， 可從根本上解決實驗經(jīng)費嚴(yán)重短缺的問題，利用計算機優(yōu)勢，建立一種新型的實驗教學(xué)方式，可進(jìn)一步提高實驗教學(xué)效率。</p><p>　　4.2.1 構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)目

54、的與意義</p><p>　　傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式， 在實驗的過程中面對的是各種真實儀器，這種實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，可能會損壞元器件及測試儀器；實驗元器件離散性大，溫漂、干擾等因素會造成實驗數(shù)據(jù)的偏差；只能進(jìn)行定性測試，難以得到實時的量化值；實驗數(shù)據(jù)不能及時存儲，不便于對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析；實驗附加設(shè)備較多、靈活性低等，這些因素使得傳統(tǒng)實驗教學(xué)效果不理想。使用LABV

55、IEW 構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)能在一定程度上彌補傳統(tǒng)實驗的不足。</p><p>　　4.2.2 虛擬儀器引入實驗教學(xué)的優(yōu)勢</p><p>　　應(yīng)用LabVIEW 構(gòu)建的虛擬儀器可以利用計算機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采樣及運算處理，從而實現(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，能夠建立基于計算機網(wǎng)絡(luò)的測試系統(tǒng)，方便地組織多人同時進(jìn)行實驗，具有操作簡單，界面友好等許多優(yōu)點。</p>

56、<p>　　(1)虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器更靈活</p><p>　　虛擬儀器具有信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、濾波處理、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲等多種功能，可替代多種獨立的儀器設(shè)備，如萬用表、電壓表、電流表、示波器、信號發(fā)生器濾波器、頻譜分析儀等。虛擬儀器擴展了常規(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，具有強大的數(shù)據(jù)運算和分析處

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

58、程序計算出結(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，就可實現(xiàn)不同儀器儀表的功能，非常方便，易于擴展組成自動測試系統(tǒng)，它不僅使測試儀器具備了自動化程度高、可靠性高、價格低、升級容易、可維護(hù)性好的優(yōu)點，而且對于復(fù)雜的測試系統(tǒng)，它良好的人機界面、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>　　實驗不受時空限制，促進(jìn)實驗

59、教學(xué)的現(xiàn)代化。學(xué)生可在計算機上自行設(shè)計，構(gòu)建虛擬儀器，實現(xiàn)新的測量功能，并且可通過修改參數(shù)，迅速進(jìn)行實驗仿真，不斷地得到實驗結(jié)果，而不必?fù)?dān)心損壞儀器，檢驗自己對所學(xué)知識的掌握情況，這對于提高學(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>　　本實驗系統(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，人機界面友好，學(xué)生使用方便，并且具有良好的可擴展性，不僅能方便的進(jìn)行軟件模擬實驗，而且能夠很好的與硬件實驗電路相結(jié)合，進(jìn)行硬件實驗。將基于LabVIEW的自動控制虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于“自動控制原理”的教學(xué)，使學(xué)生能直觀的領(lǐng)會和理解自動控制原理課程的分析方法和處理結(jié)果，對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高學(xué)生的實驗效果和實驗興趣都有相當(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驗系統(tǒng)的設(shè)計．微型計算機信息，2010，26（6-1）：152~155

62、 </p><p>　　4 袁浩，朱暢，陳志敏．基于LabVIEW的自動控制仿真系統(tǒng)設(shè)計．實驗室研究與探索，2006，25（4）：457~459 </p><p>　　5 趙莉，徐春妹．LabVIEW在實驗教學(xué)中應(yīng)用．中國現(xiàn)代教育裝備，2007，24（05）：216~218</p><p>　　6 朱先桃．自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)開

63、發(fā)．浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2010，22（3）：65~69</p><p>　　7 張慧妍，王晨凱，翁貽方等．基于 LabVIEW 的自動控制理論實驗系統(tǒng)的設(shè)計與研究現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（8）：139~141</p><p>　　8 趙劍鋒，吳繼平．基于LabVIEW的自動控制原理虛擬系統(tǒng)．電氣電子教學(xué)學(xué)報，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)老師對我精心指導(dǎo)，從畢業(yè)論文的開始到結(jié)束，老師時時關(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。同時老師又在我完成設(shè)計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)用于實踐的工作，使得畢業(yè)論文順利進(jìn)行。在此，對老師的指導(dǎo)和幫助表示衷心的感謝!</p><p>　　在工作中當(dāng)我遇到困難的時候，同學(xué)也都給我提供了很多幫助，對我畢業(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)