畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于labview的pid控制器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　基于LabVIEW的PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2010年 6 月 15 日</p><p>　系 別自動(dòng)化工程系</p><p>　專(zhuān) 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器</p><p>　班級(jí)學(xué)號(hào)</

2、p><p>　姓 名</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　　基于LabVIEW的PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹一種利用LabVIEW8.6軟件設(shè)計(jì)的PID控制器。PID控制器是一種線(xiàn)性的控制器，具有原理簡(jiǎn)單、易于整定、

3、使用方便和控制性能較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它能夠?qū)θA以?xún)?nèi)的線(xiàn)性控制系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的確定P、I和D三個(gè)參數(shù)和階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。同時(shí)，可以給出控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)或者閉環(huán)的階躍響應(yīng)。</p><p>　　PID控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程控制中。作為一種廣泛的控制規(guī)律，PID控制在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，并沒(méi)有因?yàn)楦鞣N先進(jìn)控制算法的出現(xiàn)而遭到淘汰，相反，經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗(yàn)，PID控制仍然在各種控制

4、技術(shù)中占著主導(dǎo)地位。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，虛擬測(cè)試技術(shù)引入了儀器領(lǐng)域。隨著相關(guān)軟件的不斷誕生，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NATIONAL INSTRUMENTS ，簡(jiǎn)稱(chēng)NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化

5、軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境（G語(yǔ)言）。LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)，為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。</p><p>　　該控制器適用于機(jī)電、冶金、機(jī)械、化工等各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的過(guò)程控制系統(tǒng)中，減少了臨界比例度等方法進(jìn)行調(diào)整各個(gè)參數(shù)的繁瑣過(guò)程，為各領(lǐng)域的過(guò)程控制系統(tǒng)提供了方便，節(jié)省了時(shí)間，大大的提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器,

6、PID控制器,LabVIEW8.6,G語(yǔ)言</p><p>　　The design of PID controller based on Virtual Device</p><p>　　Auther： Wang Ruofei</p><p>　　Tutor： Qu Xiuyun</p><p><b>　　Absrtact<

7、;/b></p><p>　　The text introduces a PID controller which is designed by Labview8.6 .PID controller is a linear controller, which has such advantages as simple principles, easy setting, convenient applicat

8、ion and strong control performance. It can quickly and exactly define three parameters—P、I、D—for linear control system below three orders, and accurately determine the step response curve of the open loop and the closed

9、loop systems. At the same time, may give the control system split-ring or the closed loop </p><p>　　Because of the simple structure, easy to realize, and the strong robustness, the PID controller is widely a

10、pplied in each commercial run control. As one kind of widespread control rule, the PID control in quite long period of time, has not been eliminated because of each kind of advanced control algorithm appearance, on the c

11、ontrary, the process time test, the PID control was still occupying the dominant position in each kind of control technology. </p><p>　　Along with the computer technology, the large scale integrated circuit

12、technology and the communication technology rapid development, the instrument area of technology has had the huge change, the hypothesized test technology has introduced the instrument domain. Along with the correlation

13、software unceasing birth, the hypothesized instrument will be able to substitute for traditional the measuring instrument to become the measuring instrument gradually the mainstream. LabVIEW is the laboratory </p>

14、<p>　　This controller is applicable for many fields in process control system, and it reduces the trivial process of the method like threshold proportional band. It also supplies convenience for process control sys

15、tem in every field, saves the time, and improves the production efficiency greatly.</p><p>　　Keywords: Virtual Device、PID controller、Labview8.6、Graphical program</p><p><b>　　目 錄</b&g

16、t;</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 課題研究的背景與意義1</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究的狀況與成果2</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)研究的思路和主要

17、內(nèi)容2</p><p>　　2 虛擬儀器基礎(chǔ)4</p><p>　　2.1 虛擬儀器技術(shù)4</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器概念4</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的發(fā)展歷程4</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.1

18、.4 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)技術(shù)7</p><p>　　2.1.5 虛擬儀器將來(lái)的發(fā)展方向8</p><p>　　2.2 labview軟件平臺(tái)8</p><p>　　2.2.1 labview的簡(jiǎn)介8</p><p>　　2.2.2 選用labVIEW設(shè)計(jì)控制器的優(yōu)勢(shì)所在9</p><p>　　2.2.

19、3 labview的操作模板9</p><p>　　2.2.4 創(chuàng)建VI13</p><p>　　2.3 本節(jié)小結(jié)17</p><p>　　3 PID算法及基本知識(shí)18</p><p>　　3.1 模擬PID控制器18</p><p>　　3.1.1 模擬PID控制器的基本原理18</p

20、><p>　　3.1.2 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響19</p><p>　　3.2 數(shù)字PID控制算法21</p><p>　　3.2.1 位置式PID控制算法22</p><p>　　3.2.2 增量式PID控制算法25</p><p>　　3.3 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)27</p>

21、<p>　　3.3.1 PID控制器的優(yōu)點(diǎn)27</p><p>　　3.3.2 PID控制器的缺點(diǎn)27</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)的分類(lèi)及性能指標(biāo)27</p><p>　　3.4.1 控制系統(tǒng)的分類(lèi)27</p><p>　　3.4.2 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)28</p><p>

22、　　3.5 PID控制器參數(shù)整30</p><p>　　3.5.1 經(jīng)驗(yàn)試湊法30</p><p>　　3.5.2 臨界比例度法31</p><p>　　3.5.3 歸一參數(shù)整定法32</p><p>　　3.5.4 衰減曲線(xiàn)法33</p><p>　　3.5.5 響應(yīng)曲線(xiàn)法33</p&g

23、t;<p>　　3.5.6 變參數(shù)尋優(yōu)法35</p><p>　　3.6 本章小結(jié)35</p><p>　　4 labVIEW中PID控制器的實(shí)現(xiàn)36</p><p>　　4.1 用LabVIEW進(jìn)行仿真的可行性36</p><p>　　4.2 PID控制器的設(shè)計(jì)及各SubVI的設(shè)計(jì)36</p>

24、<p>　　4.2.1 積分作用37</p><p>　　4.2.2 微分作用38</p><p>　　4.2.3 比例微分積分作用39</p><p>　　4.3.1 總體程序的前面板設(shè)計(jì)40</p><p>　　4.3.2 總體程序的框圖程序設(shè)計(jì)41</p><p><b>

25、;　　總結(jié)45</b></p><p><b>　　致謝46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　附錄48</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>&

26、lt;p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　目前，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異，測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合，引起了測(cè)試儀器領(lǐng)域里一場(chǎng)新的技術(shù)革命，一種全新的儀器概念導(dǎo)致了新一代儀器——虛擬儀器的出現(xiàn)。它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物、是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革、是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。它的出現(xiàn)使測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。Lab

27、VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。它類(lèi)似于VB，VC++。但它使用圖形化編程語(yǔ)言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒(méi)有使用基于文本的語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生源程序代碼。使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱(chēng)為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱(chēng)VI。這是因?yàn)樗暮芏嘟缑婵刂婆c操作都模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器，例如萬(wàn)用表和示波器等。由于La

28、bVIEW可以創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序，因此被稱(chēng)為一種通用的編程語(yǔ)言。但是它在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢(shì)。它不僅提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)，還提供了大量常用于自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域的圖形控件?，F(xiàn)今，越來(lái)越多的工程</p><p>　　1.2 課題研究的背景與意義</p><p>　　國(guó)際上有一些研究文章陳述了當(dāng)前工業(yè)控制的狀況，如日本電子測(cè)量?jī)x表制造協(xié)會(huì)在198

29、9年對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)做的調(diào)查報(bào)告。該報(bào)告表明90％以上的控制回路是PID結(jié)構(gòu)。另外一篇有關(guān)加拿大造紙廠(chǎng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明典型的造紙廠(chǎng)一般有2000多個(gè)控制回路，其中97％以上是PI控制，而且僅僅有20％的控制回路工作比較滿(mǎn)意，因此利用LABVIEW進(jìn)行PID控制器的設(shè)計(jì)具有重要的意義，它可以對(duì)直觀容易的對(duì)比例系數(shù) 、積分系數(shù)和微分系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，快速的確定PID的三個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)定值的跟蹤和快速消除擾動(dòng)，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。&

30、lt;/p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究的狀況與成果</p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)概念是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相</p><p>　　結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)</p><p>　　據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶(hù)可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升&

31、lt;/p><p>　　級(jí)等，能夠更好的滿(mǎn)足測(cè)控要求。虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。USB是一種近幾年才發(fā)展起來(lái)的通用串行總線(xiàn)。它已經(jīng)成為現(xiàn)行PC機(jī)上常用的設(shè)備。它解決了一般通用總線(xiàn)存在的麻煩，具有速度快、連線(xiàn)少、即插即用、自帶電源以及支持熱插拔等特性，能很好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)測(cè)量控制系統(tǒng)的要求，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的儀器總線(xiàn)。它的出現(xiàn)，也進(jìn)一步推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近幾年來(lái)，以NI為首的廠(chǎng)

32、家已經(jīng)生產(chǎn)出了基于USB的數(shù)據(jù)采集卡等一系列虛擬器件配套硬件設(shè)備，有力地保證了基于USB的虛擬儀器的研究開(kāi)發(fā)。就我國(guó)而言，從90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)相繼開(kāi)展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作，至今已經(jīng)取得了一些成績(jī)，但和國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平、已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了打翅控制理論、現(xiàn)代控制理論利智能控制理論一個(gè)階段。自動(dòng)控

33、制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) ，閉環(huán)控制系統(tǒng)。目前，PID控制及其扮制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，備大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。國(guó)內(nèi)的有些研究已

34、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制規(guī)律融為一體，用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法,將虛擬儀器技術(shù)和PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有機(jī)地結(jié)合起來(lái),采用LabView設(shè)計(jì)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊,提高控制系統(tǒng)的性能和開(kāi)發(fā)效率。</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)研究的思路和主要內(nèi)容</p><p>　　面對(duì)實(shí)際的PID控制系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)已知的被控對(duì)象快速的實(shí)現(xiàn)PID的三個(gè)參數(shù)的整定，是個(gè)實(shí)際的問(wèn)題。而在labv

35、iew上設(shè)計(jì)PID控制器，若被控對(duì)象的傳遞函數(shù)已知，我們可以在labview上實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的仿真，從系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)可直觀的看出控制效果的好壞，而且可以很方便的確定PID控制器的三個(gè)參數(shù)，這樣可為實(shí)際的控制過(guò)程節(jié)省大量的時(shí)間和資源，無(wú)需對(duì)實(shí)際過(guò)程反復(fù)的調(diào)試來(lái)確定最佳參數(shù)，這是本設(shè)計(jì)的實(shí)際意義所在。全文的安排如下：</p><p><b>　　第一章：緒論</b></p><

36、;p>　　主要介紹了國(guó)內(nèi)外PID控制技術(shù)的狀況與成果以及虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，并闡述了該課題研究的意義。</p><p>　　第二章：虛擬儀器基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　這章分兩個(gè)大的方面：一方面介紹了虛擬儀器的概念、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程和虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)技術(shù)；另一方面闡述了labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基本知識(shí)，包括操作模板、編程方法、調(diào)試程序的經(jīng)驗(yàn)等。</p&

37、gt;<p>　　第三章：PID運(yùn)算及基本知識(shí)</p><p>　　這章主要介紹了PID控制器的基本原理，基本的PID運(yùn)算，分析了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)，以及PID控制器的參數(shù)整定方法。</p><p>　　第四章：labview中PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　這章主要介紹了如何用labview實(shí)現(xiàn)PID控制器的設(shè)計(jì)，以及最后得出對(duì)給

38、定被控對(duì)象的控制相應(yīng)曲線(xiàn)。</p><p><b>　　最后是總結(jié)與展望。</b></p><p><b>　　2 虛擬儀器基礎(chǔ)</b></p><p>　　2.1 虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器概念</p><p>　　所謂虛擬儀器，就是在通用

39、的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)等同常規(guī)儀器的各種功能，用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件在測(cè)控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測(cè)試硬件平臺(tái)的重要性。虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備將計(jì)算機(jī)硬件和被測(cè)量硬件連接起來(lái)，再通過(guò)軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算

40、機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的發(fā)展歷程</p><p><b>　　1、國(guó)外發(fā)展歷程</b></p><p>　　隨著個(gè)人電腦技術(shù)的出現(xiàn)，人們開(kāi)始考慮使用電腦來(lái)處理傳統(tǒng)儀器所測(cè)數(shù)據(jù)。由此，GP

41、IB技術(shù)在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)，這也就是IEEE 488及后來(lái)的IEEE488．2標(biāo)準(zhǔn)。但由于GPIB總線(xiàn)帶寬(1Mbytes／s)限制了數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)傳輸，所以大量的數(shù)據(jù)處理工作仍然依靠?jī)x器自身所帶有的功能。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，個(gè)人電腦可以帶有多個(gè)擴(kuò)展槽，就出現(xiàn)了插在計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)采集卡。它可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由計(jì)算機(jī)軟件完成，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形。1986年，美國(guó)NI公司提出

42、了“軟件即儀器’’的口號(hào)，推出了NI—LabVIEW直觀的流程圖編程風(fēng)格的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行程序平臺(tái)，開(kāi)啟了虛擬儀器的先河。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)總線(xiàn)速度進(jìn)一步加快，PCI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了132Mbytes／s。1996年底，美國(guó)NI公司在PCI數(shù)據(jù)總線(xiàn)的基礎(chǔ)上提出了第一代PXI系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范?，F(xiàn)在，PXI技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)有很多的成員公司為這一平臺(tái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。</p><p><b>　　2、我國(guó)發(fā)展歷程&

43、lt;/b></p><p>　　1985年，我國(guó)的東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所(China Orient Institute of Noise＆Vibration以下簡(jiǎn)稱(chēng)COINV)開(kāi)始提出PC卡泰(PCCATAI)一微機(jī)卡式采集測(cè)試分析儀的概念，并推出了數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理軟件(DASP Data Acquisition&SignalProcessing)，隨后又提出了“把實(shí)驗(yàn)室拎著走"的口

44、號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行了虛擬儀器庫(kù)平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了INV虛擬儀器庫(kù)。DASP軟件概念突破了傳統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析儀和FFT分析儀概念，實(shí)現(xiàn)了向虛擬儀器和計(jì)算機(jī)采集測(cè)試分析儀器概念的過(guò)渡。</p><p>　　3、國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)比較</p><p>　　虛擬儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線(xiàn)：一是GPIB_VXI_PXI總線(xiàn)方式，二是PC插卡式--LPT并行口式一串口USB方式一IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1

45、394口方式瞄1。美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的LabVlEW和中國(guó)COINV開(kāi)發(fā)的DASP虛擬儀器平臺(tái)是國(guó)內(nèi)外具有代表性的兩個(gè)平臺(tái)，其軟件各有特點(diǎn)，互相不能替代、功能互補(bǔ)。LabVIEW平臺(tái)是一個(gè)在國(guó)內(nèi)外具有相當(dāng)影響和大量用戶(hù)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它對(duì)于一般儀器的開(kāi)發(fā)商、學(xué)校儀器制造專(zhuān)業(yè)的教學(xué)以及一些特殊的用戶(hù)是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開(kāi)發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對(duì)大量的一般直接用戶(hù)即只想用虛擬儀器馬上直接測(cè)試分析試驗(yàn)結(jié)果的用

46、戶(hù)，有不方便的地方，也有局限性。DASP平臺(tái)它是直接面向最終用戶(hù)的虛擬儀器庫(kù)，直接可以使用，不需要再進(jìn)行編程加工，用起來(lái)非常的快捷方便、可靠，精度又很高，用戶(hù)拿起來(lái)就可直接使用，但是，對(duì)于專(zhuān)業(yè)儀器開(kāi)發(fā)商或者儀器行業(yè)自己需開(kāi)發(fā)虛擬儀器的用戶(hù)，有一定的局限性。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　1、虛擬儀器的硬件平臺(tái)</p><p&g

47、t;　　虛擬儀器的硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和I／O接口設(shè)備組成。I／O接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線(xiàn)有其相應(yīng)的I／O接口硬設(shè)備，如利用PC機(jī)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡／板(簡(jiǎn)稱(chēng)為數(shù)采卡板，DAQ)、GPIB總線(xiàn)儀器、VXI工總線(xiàn)儀器模塊、串口總線(xiàn)儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類(lèi)型，如圖2-1所示：</p><p>　?。?）PC-DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成

48、的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的工總線(xiàn)，將數(shù)據(jù)采集卡／板(DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。</p><p>　?。?）GPIB工系統(tǒng)是以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　?。?）VXI／PXI系統(tǒng)是以VXI／PXI標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p&

49、gt;　?。?）串口系統(tǒng)是以標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.1 虛擬儀器的構(gòu)成模塊圖</p><p>　　2、常見(jiàn)虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)</p><p>　　應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎(chǔ)條件下構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀．器的應(yīng)用軟件主要

50、包括集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級(jí)接口和虛擬儀器的用戶(hù)界面。應(yīng)用件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇，可因開(kāi)發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶(hù)一個(gè)界面友好，功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。</p><p>　　常用的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具分類(lèi)如下：</p><p>　　（1）文本式編程語(yǔ)言，如VisualC++，Visual Basic，LabwIND0wS／CVI等。</p><p>

51、;　?。?）圖形化編程語(yǔ)言，如LabVIWE、HPVEE等。</p><p>　　（3）實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序。</p><p>　?。?）定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。</p><p>　　2.1.4 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)技術(shù)</p><p>　　虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，它的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面一：</p><p&

52、gt;　　1、傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類(lèi)繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多的識(shí)別和操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡(jiǎn)捷化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器面板上的指示控件和控制控件的種類(lèi)與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件"和“加工工藝"的限制，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶(hù)的認(rèn)知要求和操作要求，設(shè)計(jì)儀器面板。</p

53、><p>　　2、虛擬儀器將信號(hào)分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡(jiǎn)單。</p><p>　　3、虛擬儀器提供給用戶(hù)組建自己儀器的可重用源代碼庫(kù)，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時(shí)和觸發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給了用戶(hù)一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。</p&

54、gt;<p>　　4、在虛擬儀器中，傳統(tǒng)儀器的某些硬件已被軟件所代替，由于減少了許多可能隨時(shí)間漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上采用標(biāo)準(zhǔn)化總線(xiàn)，使儀器的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。</p><p>　　5、虛擬儀器硬件和軟件都制定了開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶(hù)可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)、維護(hù)和開(kāi)發(fā)費(fèi)用降低。&l

55、t;/p><p>　　6、虛擬儀器既可以作為測(cè)試儀器獨(dú)立使用，又可以通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布式測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器的購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性好。</p><p>　　目前，我國(guó)高檔臺(tái)式儀器，如頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴(lài)進(jìn)口，因?yàn)檫@些儀器加工工藝復(fù)雜，對(duì)制造水平要求高，生產(chǎn)突破有

56、困難，而采用虛擬儀器技術(shù)只需購(gòu)買(mǎi)必要的通用儀器硬件就可以設(shè)計(jì)高性?xún)r(jià)比的儀器?？傊?，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠(chǎng)家定義、用戶(hù)無(wú)法改變的模式，豐富了儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、顯示和存儲(chǔ)等方面的使用，有廣泛的應(yīng)用前景?？梢?jiàn)，虛擬儀器在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　2.1.5 虛擬儀器將來(lái)的發(fā)展方向</p><p>　　從20世紀(jì)80年代末美國(guó)成功研制

57、了虛擬儀器到1993年，虛擬儀器己發(fā)展到有三百多家廠(chǎng)商，一千多種虛擬儀器產(chǎn)品，1995年廠(chǎng)商更達(dá)到一千多家，產(chǎn)品種類(lèi)達(dá)到數(shù)千種。虛擬儀器正以傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的速度飛速發(fā)展。目前，虛擬儀器已經(jīng)在科研開(kāi)發(fā)、測(cè)控、超大規(guī)模集成電路測(cè)試、軍事、航天、生物醫(yī)學(xué)和電工技術(shù)等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓寬。近十年來(lái)，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)已滲透到儀器儀表領(lǐng)域。虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合則進(jìn)一步延伸了虛擬儀器的

58、概念，大大增強(qiáng)了虛擬儀器的功能。在國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒(méi)有一個(gè)比較明確的提法，也沒(méi)有一個(gè)被測(cè)量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測(cè)試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫(kù)等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測(cè)試任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警等。因此，使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可以使在任何地點(diǎn)、任意時(shí)刻獲取到測(cè)量數(shù)據(jù)信息的愿望成為現(xiàn)實(shí)。與以個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器相比，網(wǎng)絡(luò)化將對(duì)虛擬儀器的發(fā)展產(chǎn)生一次

59、革命。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將由單臺(tái)虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的功能分開(kāi)處理，分別使用獨(dú)立的基本硬件模塊實(shí)現(xiàn)傳</p><p>　　2.2 labview軟件平臺(tái)</p><p>　　2.2.1 labview的簡(jiǎn)介</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是

60、NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。它類(lèi)似于VB，VC++。但它使用圖形化編程語(yǔ)言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒(méi)有使用基于文本的語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生源程序代碼。使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱(chēng)為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱(chēng)為VI。這是因?yàn)樗暮芏嘟缑婵刂婆c操作都模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器，例如萬(wàn)用表和示波器等。由于LabVIEW可以創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序，因此被稱(chēng)為一種通用的編程語(yǔ)言。但是它在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢(shì)。它不僅提供了大量的工具與函

61、數(shù)用于數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)，還提供了大量常用于自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域的圖形控件?，F(xiàn)今，越來(lái)越多的工程師選擇它來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。它已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過(guò)程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，涵蓋了從研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所有階段。</p><p>　　2.2.2 選用labVIEW設(shè)計(jì)控制器的優(yōu)勢(shì)所在</p><p>　　選擇LabVIEW開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)pid控制

62、器的一大決定性因素是其開(kāi)發(fā)速度。通常，使用LabVlEW開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比使用其他編程語(yǔ)言快4～lO倍。這一速度背后的原因在于LabVIEW易用易學(xué)，它所提供的工具使創(chuàng)建測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用變得更為輕松。LabVIEW的具體優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1、提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從復(fù)雜枯澀的文本編程工作中解放出來(lái)。</p><p>　　

63、2、內(nèi)建的編譯器在用戶(hù)編寫(xiě)程序的同時(shí)就在后臺(tái)自動(dòng)完成了編譯。因此用戶(hù)在編寫(xiě)程序的過(guò)程中如果有語(yǔ)法錯(cuò)誤，它會(huì)被立即顯示出來(lái)。</p><p>　　3、由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的多線(xiàn)程，從而能充分利用處理器尤其基于LabVIEW信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章虛擬儀器、聲卡及數(shù)據(jù)采集理論是多處理器的處理能力。</p><p>　　4、通過(guò)DLL、CIN節(jié)點(diǎn)、ActiveX、．NET或MATLA

64、B腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)LabVIEW與其它編程語(yǔ)言混合編程。</p><p>　　5、通過(guò)應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布EXE、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或安裝包。</p><p>　　6、LabVIEW提供了大量的驅(qū)動(dòng)與專(zhuān)用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。</p><p>　　7、LabVIEW內(nèi)建了600多個(gè)分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理。</p>

65、<p>　　9、NI同時(shí)提供了豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展LabVIEW在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。</p><p>　　2.2.3 labview的操作模板</p><p>　　LabVIEW具有多個(gè)圖形化的操作模扳，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)．并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類(lèi)，為工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和功能(Func

66、tions)模板。</p><p>　　工具模板（Tools Talette）</p><p>　　工具模板如圖2.2所示。工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vI程序的工具。工具圖標(biāo)有如下幾種：</p><p>　　圖2.2 labview8.6的工具模板</p><p>　　操作工具：用于操作前面板的控制和顯示。使用它向數(shù)字或字

67、符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具。</p><p>　　選擇工具：用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小。一當(dāng)它用于改變對(duì)象的連框大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)形狀。</p><p>　　標(biāo)簽工具：用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)形狀。</p><p>　　連線(xiàn)工具：用于在框圖程序上連接對(duì)象。</p><p>　　對(duì)象彈出菜單工

68、具：用左鼠標(biāo)鍵可以彈出對(duì)象的彈出式菜單。</p><p>　　漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游。</p><p>　　斷點(diǎn)工具：使用該工具在vI的框圖對(duì)象上設(shè)置斷點(diǎn)。</p><p>　　探針工具：可|三l在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線(xiàn)上設(shè)置探針。程序調(diào)試員可以通過(guò)控針窗口來(lái)觀察該數(shù)據(jù)流線(xiàn)上的數(shù)據(jù)變化狀況。</p><p>　

69、　顏色提取工具：使用該工具來(lái)提取顏色用于編輯其他的對(duì)象。</p><p>　　顏色工具：用來(lái)給對(duì)象定義顏色。它也顯示出對(duì)象的前景色和背景色。與上述工具模板不同，控制和功能。</p><p>　　控制模板（Control Palette）</p><p>　　該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類(lèi)子模板，只有前面板才能調(diào)用該模板。</p&

70、gt;<p>　　圖2.3 labview8.6的控制模板</p><p>　　數(shù)值子模板：數(shù)值的控制和顯示。</p><p>　　布爾值子模塊：邏輯數(shù)值的控制和顯示。</p><p>　　字符串子模板：字符串和表格的控制和顯示。</p><p>　　數(shù)組和群子模扳：復(fù)合型數(shù)據(jù)類(lèi)型的控制和顯示。</p><p

71、>　　列表和表格模板：列表和表格的控制和顯示。</p><p>　　圖形子模板：顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢(shì)圖和曲線(xiàn)圖。</p><p>　　環(huán)與枚舉模板：環(huán)與枚舉的控制與顯示。</p><p>　　經(jīng)典容器模板：提供各種編程所需的經(jīng)典容器。</p><p>　　輸入輸出功能模板：輸入輸出功能，用于操作OLE,ActiveX等功能。</p&

72、gt;<p>　　參考書(shū)模板：參考數(shù)。</p><p>　　修飾子模板：用于給前面板進(jìn)行裝飾的各種圖形對(duì)象。</p><p>　　用戶(hù)自定義的控制和顯示</p><p>　　功能模板（Functions Palette）</p><p>　　功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層國(guó)標(biāo)都表示一個(gè)子模板。功能模板如下圖所

73、示。</p><p>　　圖2.4 labview8.6的功能模板</p><p>　　結(jié)構(gòu)子模板：包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局變量和局部變量。</p><p>　　數(shù)組子模板：包括數(shù)組運(yùn)算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。</p><p>　　簇，類(lèi)與變體模板：包括簇的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。</p>&l

74、t;p>　　數(shù)值運(yùn)算子模板：包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算符，如+ - 等；以及各種常見(jiàn)的數(shù)值運(yùn)算式，如+1運(yùn)算；還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)、復(fù)數(shù)等運(yùn)算．以及各種數(shù)值常數(shù)。</p><p>　　布爾邏輯子模板：包括各種邏輯運(yùn)算符以及柿爾常數(shù)。</p><p>　　字符串運(yùn)算子模板：包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符f串)常數(shù)等。</p><p

75、>　　比較子模板：包括各種比較運(yùn)算函數(shù)，如大于、小十、等于</p><p>　　時(shí)問(wèn)和對(duì)話(huà)框子模板：包括對(duì)話(huà)框窗口，時(shí)間和出錯(cuò)處理函數(shù)等</p><p><b>　　對(duì)話(huà)框與用戶(hù)界面</b></p><p>　　文件輸入／輸出于模板：包括處理文件輸入／輸出的程序和函數(shù)</p><p>　　波形模板：各種波形處理工具

76、</p><p>　　應(yīng)用控制模板：包括動(dòng)態(tài)調(diào)用VI,標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行程序的功能函數(shù)</p><p>　　圖形與聲音子模塊：包括3D、OpenGL、聲音播放等功能模塊</p><p><b>　　文檔生成子模板</b></p><p>　　2.2.4 創(chuàng)建VI</p><p>　　1、 創(chuàng)建VI的流程

77、</p><p>　　創(chuàng)建VI的過(guò)程分為四步，其流程圖大致如圖2.5：</p><p>　　圖2.5 創(chuàng)建VI的流程圖</p><p>　　下面利用創(chuàng)建一個(gè)能實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)幅值和頻率調(diào)節(jié)的程序來(lái)介紹labview創(chuàng)建VI的基本流程和技巧。</p><p><b>　　（1）創(chuàng)建前面板</b></p><

78、p>　　前面板是圖形化用戶(hù)界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對(duì)象。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具見(jiàn)工具模板點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。圖2.6中波形顯示工具來(lái)自于控制模板，實(shí)現(xiàn)正弦波形的幅值和頻率的顯示；頻率和調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦

79、信號(hào)的幅值和頻率大小的調(diào)節(jié)；停止按鈕作為控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的停止控制。</p><p>　　圖2.6 示例程序的前面板</p><p><b>　　（2）創(chuàng)建框圖程序</b></p><p>　　在前面板窗口的主菜單中選擇將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時(shí)會(huì)看到與前面板對(duì)象對(duì)應(yīng)的端口?？驁D程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線(xiàn)四種元素構(gòu)成的。根據(jù)需

80、要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。用數(shù)據(jù)連線(xiàn)將這些端口和節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的框圖程序。</p><p>　　圖2.7 示例程序的框圖連線(xiàn)</p><p><b>　?。?）創(chuàng)建圖標(biāo)</b></p><p>　　一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)連接端口就像一個(gè)圖形表示某一虛擬儀器的參數(shù)列表。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)

81、據(jù)傳輸給一個(gè)子儀器。圖標(biāo)和連接允許將此儀器作為最高級(jí)的程序，也可以作為其它程序或子程序的子程序。在前面板或者程序面板的右上角有圖表編輯器，可將編好的程序進(jìn)行圖標(biāo)更改。</p><p>　　圖2.8 程序的圖標(biāo)編輯</p><p>　?。?）運(yùn)行和調(diào)試程序</p><p>　　運(yùn)行和調(diào)試程序是任何一門(mén)編程語(yǔ)言編程的最重要的一步。利用仿真或者實(shí)測(cè)進(jìn)行運(yùn)行檢驗(yàn)，利用調(diào)試工

82、具(如“RUN"按鈕、斷點(diǎn)及探針設(shè)置等)進(jìn)行程序調(diào)試。在工程中，用戶(hù)可以通過(guò)兩種方式柬運(yùn)行程序運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。如果一個(gè)程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)這個(gè)按鈕被稱(chēng)作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。調(diào)試程序時(shí)可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來(lái)顯示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。</p><

83、;p>　　2、程序的運(yùn)行和調(diào)試方法</p><p>　　在程序調(diào)試中根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題，找到以下幾種解決方法：</p><p><b>　?。?）找出語(yǔ)法錯(cuò)誤</b></p><p>　　如果一個(gè)V1程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)這個(gè)按鈕被稱(chēng)作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，貝LabVIEW彈出

84、錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用Find功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。</p><p>　?。?）設(shè)置執(zhí)行程序高亮</p><p>　　在LabVIEW的工具條上有一個(gè)畫(huà)著燈泡的按鈕，這個(gè)按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使該按鈕圖標(biāo)變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，VI程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒(méi)有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流在線(xiàn)的數(shù)據(jù)值。

85、這樣，你就可以在根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。</p><p>　　（3）斷點(diǎn)與單步執(zhí)行</p><p>　　為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，希望框圖程序一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框?qū)τ诼?lián)機(jī)表示為紅點(diǎn)。當(dāng)VI程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在

86、將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)</p><p><b>　　（4）探針</b></p><p>　　可以用探針工具來(lái)查看當(dāng)框圖程序流經(jīng)某一根連接線(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)值。從Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊探針的連接線(xiàn)。這時(shí)顯示器上會(huì)出現(xiàn)

87、一個(gè)探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或框圖窗口的上面。在框圖中使用選擇工具或聯(lián)機(jī)工具，在聯(lián)機(jī)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在聯(lián)機(jī)的彈出式菜單中選擇“探針”命令同樣可以為該聯(lián)機(jī)加上一個(gè)探針。</p><p><b>　?。?）保存連線(xiàn)值</b></p><p>　　可以通過(guò)單擊保存連線(xiàn)值按鈕，在程序運(yùn)行時(shí)保存流過(guò)連線(xiàn)的數(shù)據(jù)流的值。Labview雖然為我們提供了功能完善的調(diào)試

88、工具，但仍然存在著許多隱含在程序內(nèi)部的錯(cuò)誤無(wú)法發(fā)現(xiàn)。這就要求設(shè)計(jì)者在開(kāi)發(fā)程序的過(guò)程中一定要仔細(xì)地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯(cuò)誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。</p><p><b>　　2.3 本節(jié)小結(jié)</b></p><p>　　本章第一節(jié)首先詳細(xì)介紹了虛擬儀器的概念和發(fā)展歷程，并與傳統(tǒng)儀器相比較得出虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)所在，其次介紹了虛擬儀器的體系構(gòu)成和未來(lái)的發(fā)展方

89、向，及虛擬儀器技術(shù)在未來(lái)儀器技術(shù)革新中的重要作用。第二節(jié)則對(duì)labview軟件平臺(tái)作了簡(jiǎn)單的介紹，說(shuō)明了labview的特點(diǎn)及選用該軟件進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)的原因，然后對(duì)labview的工具模塊、控制模塊、函數(shù)模塊進(jìn)行了講解，最后列出了運(yùn)用labview軟件編程的流程與方法，并學(xué)會(huì)對(duì)所編VI進(jìn)行運(yùn)行于調(diào)試，學(xué)會(huì)改正程序中的錯(cuò)誤，為下兩章設(shè)計(jì)控制器做準(zhǔn)備。</p><p>　　3 PID算法及基本知識(shí)</p

90、><p>　　3.1 模擬PID控制器</p><p>　　3.1.1 模擬PID控制器的基本原理</p><p>　　在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。</p><p>　　PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差：<

91、/p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　或者寫(xiě)成常見(jiàn)的傳遞函數(shù)形式如下：</p><p&

92、gt;<b>　　（3.3）</b></p><p>　　式中，為比例增益，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。式(3.2)和式(3.3)是我們?cè)诟鞣N文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降腜ID控制器的兩種表達(dá)形式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞，以下將介紹

93、這三個(gè)參數(shù)對(duì)控制性能的影響。</p><p>　　模擬PID控制系統(tǒng)的原理圖如圖3.1：</p><p>　　圖3.1 模擬PID控制系統(tǒng)的原理圖</p><p>　　3.1.2 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響</p><p>　　1、比例作用對(duì)控制性能的影響</p><p>　　比例增益的引入是為了及時(shí)地反映控制

94、系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)比例增益大的時(shí)候，PID控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過(guò)大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，圖3.2為純比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)：</p><p>　　圖 3.2 比例控制的系統(tǒng)響應(yīng)圖</p><p>　　2、積分作用對(duì)控制性能

95、的影響</p><p>　　積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)</p><p>　　定值的無(wú)靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的系統(tǒng)輸出和誤差量保持為</p><p>　　常值Uo和Eo，則由式(3．2)可知，只有當(dāng)且僅當(dāng)動(dòng)態(tài)誤差e（t）=0時(shí)，控制器的輸出才為常數(shù)。因此，從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)

96、就產(chǎn)生作用，直至無(wú)差，積分作用就停止，此時(shí)積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決予積分時(shí)聞常數(shù)的大小，越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI控</p><p>　　制器或者PID控制器，圖3.3為PI控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)：</p><p>　　圖3.3 比例積分控制系統(tǒng)的響應(yīng)（=1）</

97、p><p>　　3、微分作用對(duì)控制性能的影響 </p><p>　　微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒(méi)有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)

98、的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，因此它對(duì)噪聲干擾有放大作用，而這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)不希望看到的。所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒(méi)有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。</p><p>　　圖3.4 比例積分微分控制的響應(yīng)（=1，=1）</p><p>　　微分作用能反

99、映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒(méi)有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。PD控制器的結(jié)構(gòu)為:</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　的泰勒級(jí)數(shù)為: ，則</p><p><b>　?。?.5）</b>&l

100、t;/p><p>　　控制信號(hào)與時(shí)刻以后的偏差成比例。從圖3.5可看出比例微分能夠預(yù)報(bào)未來(lái)的輸出。另外，從圖3.4可以看出微分時(shí)間常數(shù)增加有利于減小超調(diào)量。</p><p>　　圖3.5 微分的預(yù)測(cè)作用</p><p>　　3.2 數(shù)字PID控制算法</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在控制工程中，用計(jì)算機(jī)PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID

101、控制器，組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？梢造`活的改變PID參數(shù)，同時(shí)可以改變控制策略來(lái)達(dá)到控制目的。這是模擬PID控制器中所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這里所說(shuō)的控制策略是數(shù)字PID的改進(jìn)算法，如積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和帶死區(qū)的PID控制算法等。在各個(gè)控制階段采取各種控制方法，以此來(lái)獲得控制目標(biāo)。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。數(shù)字PID控制器如圖

102、3.6所示。</p><p>　　圖3.6 數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2.1 位置式PID控制算法</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中必須對(duì)模擬PID控制器的表達(dá)式</p><p><b>　　(3.6)</b><

103、;/p><p>　　進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代替連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，作如下近似變換(為書(shū)寫(xiě)方便，將kT簡(jiǎn)化表示成k)：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　將式3.6代入模擬PID控制器的表達(dá)式得到：</p><

104、p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　還可以表示為</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中，T是采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度，e（k）為第k次采樣時(shí)的偏差值；e（k-1）為第k-1次采樣時(shí)的偏差值；k為采樣

105、序號(hào)，k=0,1,2,3…；u（k）為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出; 為積分系數(shù)，;為微分系數(shù)，，式（3.9）為位置式PID控制算法。</p><p>　　位置式PID控制算法的程序框圖如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 位置式PID控制算法的程序框圖</p><p>　　這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行

106、累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID算法。</p><p>　　3.2.2 增量式PID控制算法</p><p>　　所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u（k）

107、。由式(3.9)導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推原理可得</p><p><b>　　（3.10）</b></p><p>　　用（3.9）式減去（3.10）式得到：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　其中：，式（3.11）為增量式PID控制算法。可以看出，

108、由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了，和，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可由(3.11)求出控制增量。</p><p>　　增量型算法與位置型算法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉；</p><p>　　在位置型控制算法中，由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，必須先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門(mén)

109、的原始開(kāi)度，才能保證手動(dòng)到自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)困難而增量設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門(mén)的原來(lái)位置無(wú)關(guān)，因而增量算法易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。</p><p>　　不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)。</p><p>　　增量控制因其特有的優(yōu)點(diǎn)已得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種控制也有其不足之處：</p><p>　　積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差

110、。</p><p><b>　　溢出的影響較大。</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)增量式控制算法的程序框圖如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 增量式PID控制算法的程序框圖</p><p>　　3.3 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　3.3.1 PID控制器的優(yōu)點(diǎn)<

111、/p><p>　　PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：</p><p>　　1、原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿(mǎn)足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。</p><p>　　2、控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。</p><p>　　3.3.2 PID控制器的缺點(diǎn)</p><p>　　在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被