基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验

目录第1章绪论 (1)1.1背景 (1)1.2课题的目的与意义 (2)1.3 Labview的介绍 (2)第2章设计原理 (4)2.1一阶系统典型环节虚拟实验系统设计原理 (4)2.1.1数学模型的建立 (4)2.1.2单位阶跃响应 (4)2.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统设计原理 (5)2.2.1数学模型的建立 (5)2.2.2单位阶跃响应 (5)2.2.3动态性能指标计算 (7)2.3系统校正虚拟实验系统设计原理 (7)2.3.1未校正系统的性能指标计算 (7)2.3.2校正系统的确定 (8)2.4采样系统虚拟实验系统设计原理 (8)2.4.1“采样—保持器”组件 (8)2.4.2数学模型的建立 (9)2.5采样系统校正虚拟实验系统设计原理 (9)2.6频率特性虚拟实验系统设计原理 (10)2.7系统稳定性分析虚拟实验系统设计原理 (11)2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性 (11)2.7.2绘制系统的单位阶跃响应曲线验证系统的稳定性 (11)2.8非线性系统虚拟实验系统设计原理 (12)2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图 (12)2.8.2振幅与角频率的计算 (12)第3章程序方案设计 (13)3.1总体设计 (13)3.2基于Labview的虚拟实验系统设计 (13)3.3用户管理程序设计 (14)第4章基于Labview的虚拟实验系统设计 (16)4.1一阶系统典型环节虚拟实验系统 (16)4.1.1功能描述 (16)4.1.2设计步骤 (16)4.1.3 实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (18)4.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统 (18)4.2.1功能描述 (18)4.2.2设计步骤 (18)4.2.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (21)4.3系统校正虚拟实验系统 (23)4.3.1功能描述 (23)4.3.2设计步骤 (23)4.3.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (25)4.4采样系统虚拟实验系统 (26)4.4.1功能描述 (26)4.4.2设计步骤 (26)4.4.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (28)4.5采样系统校正虚拟实验系统 (29)4.5.1功能描述 (29)4.5.2设计步骤 (29)4.5.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (31)4.6频率特性虚拟实验系统 (32)4.6.1功能描述 (32)4.6.2设计步骤 (32)4.6.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (34)4.7系统稳定性分析虚拟实验系统 (35)4.7.1功能描述 (35)4.7.2设计步骤 (35)4.7.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证 (37)4.8非线性系统虚拟实验系统 (37)4.8.1功能描述 (37)4.8.2设计步骤 (38)4.8.3在Matlab中绘制系统的-1/N与G（jw）轨迹 (40)第5章用户管理程序的设计 (41)5.1 登陆系统的设计 (41)5.2 主程序的设计 (42)5.3 输出报表的设计 (43)结论 (45)社会经济效益分析 (46)参考文献 (47)致谢 (48)附录Ⅰ系统前面板图 (49)附录Ⅱ系统程序框图 (59)第1章绪论随着教育规模的不断增长和高等教育课程教学内容的更新，许多院校实验室的仪器设备由于数量不够、功能落后，无法满足开放性和设计性实验教学的需要，作为未来仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器技术克服了传统仪器功能单一、无法灵活配置的缺点。

本文设计的虚拟实验系统具有实验界面简单，参数改变方便等特点。

1.1背景“自动控制原理”是工业自动化专业一门重要的专业基础课，要求学生掌握自动控制系统的分析及设计方法，为设计和调试工业自动控制系统打下基础。

自动控制课程中，实验是一种重要的教学手段，学生通过做实验，可以加深对所学知识的理解，提高动手能力，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。

但是目前自动控制实验教学存在一系列问题，例如实验设备和实验场地数量有限，实验设备老化严重以及严重缺乏实验指导教师等，因此各种虚拟实验方法相继提出。

首先提出了基于Matlab的虚拟实验系统，用软件模拟了实际硬件的全部功能。

解决了目前自动控制实验中的一些问题，并在一定程度上提高了目前“自动控制原理”教学效果。

但是，由于Matlab的局限性，这些虚拟实验系统仅限于软件模拟，这样不能锻炼学生的动手能力和硬件调试能力，并且软件模拟实验给学生的印象并不如硬件实验那样深刻。

另外，由于Matlab软件模拟往往需要学生对其有一定的熟悉和了解，这对低年级的学生来说比较困难。

所以，试验效果并不很理想。

随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展，采用NI公司的Labview编程语言，开发出基于Labview虚拟实验系统，结合第三方公司提供的数据采集卡，对虚拟实验系统稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验，又能结合学校原有的硬件电路设备进行硬件实验的综合实验系统，可以显著提高教学效果和实验效果。

虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点。

通过课堂上的模拟实验，可以更好的帮助学生理解、消化、吸收所学内容，重点解决教学及实验过程中的一些难点问题。

1.2课题的目的与意义Labview像C或C++开发环境一样，也是一种程序语言开发环境，但与现有的计算机高级语言不同的是，Labview采用图形化编程语言—G语言，产生块状的程序。

Labview是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。

Labview也有完善的仿真、调试工具，如设置断电、单步等。

Labview的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观测程序中数据及其变化情况，比起其它语言的开发环境更方便、更有效。

Labview程序又称虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但Labview程序容易改变设置和功能。

因此Labview特别适用于实验室、多种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。

但是，对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应用，Labview显得有些力不从心。

而Matlab是MathWorks公司开发的“演算纸”式的程序设计语言，它提供了强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高，几乎在所有的工程计算领域都提供了准确、高效的工具箱。

鉴于Labview和Matlab的优点，在Labview中调用和操作Matlab可实现Labview和Matlab的混合编程，充分发挥两者的优势。

本设计正是采用了Labview 和Matlab混合编程思想，通过在Labview中调用和操作Matlab来设计自动控制原理中常见实验的虚拟实验系统。

利用一套数据采集硬件设备，通过不同的软件编程，就可以实现多个仪器的功能。

采用虚拟仪器技术，不仅大大节约经费，还可以有效提高实验室建设水平，为大学实验仪器建设提供了一条新可行的途径。

虚拟仪器具有仿真的用户面板，学生通过操作虚拟面板就可学习和掌握仪器原理、功能与操作。

虚拟仪器采集的是现场真实的物理数据，可通过与其它仪器、电路的相互配合，完成实际实验过程，达到与用实际仪器教学相同的实验目的。

在很大程度上，虚拟仪器可以代替真实仪器进行实验教学。

学生在进行实验时不必担心弄坏仪器，可以极大地提高学生的学习兴趣、激发学生自主学习的积极性。

1.3 Labview的介绍Labview是一种基于图形的集成化程序开发环境，实现了虚拟仪器的概念，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，强调了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。

Labview是一种结构化解释型开发平台。

结构化是指Labview的程序完全支持顺序结构、循环结构和条件结构3种标准结构。

同时又是由模块化的形式组成的，它的每一个子程序都称为一个VI，子程序之间可以互相调用。

所谓解释型是指用Labview开发的软件无法在Windods操作系统下直接运行，所以软件必须在Labview的平台支持下运行，也就是说Labview不能生成真正的可执行文件。

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。

随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备之间的连接和集成总需耗费大量时间，并不是轻易可以完成的。

虚拟仪器软件平台为大部分I/0设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。

为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。

虚拟仪器改变了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。

系统的功能、规模等可以根据用户的需要，通过软件的修改、增减，方便地同外设、网络及其它应用连接，为虚拟仪器加入新的测量功能，故虚拟仪器可作为许多仪器设备来使用。

在驱动和应用两个层面上，优秀虚拟仪器开发平台已经将其高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能，让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。

另外，由于充分利用了计算机技术，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，完善了数据的传输、交换等性能使得组建系统变得更加灵活和简单，增强了数据处理能力。

虚拟仪器作为现代仪器仪表发展方向，已迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用已经十分普及，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

第2章 设计原理本章介绍了“自动控制原理”中常见的虚拟实验子系统的原理，包括实验有：一阶系统、二阶系统、校正系统、采样系统、采样系统校正、频率特性、系统稳定性、非线性系统。

2.1一阶系统典型环节虚拟实验系统设计原理2.1.1数学模型的建立可以用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统，一阶系统的运动方程具有如下的一般形式：)()()(t r t c dt t dc T =+ (2.1)式中，T 为惯性环节的时间常数，代表系统的惯性；c （t ）和r （t ）分别是系统的输出信号和输入信号。

对式2.1进行拉氏变换得一阶系统惯性环节的传递函数为：1)()()(+==ΦTS K S R S C S (2.2)一阶系统惯性环节的方框图如图2.1所示。

图2.1 一阶系统惯性环节方框图2.1.2单位阶跃响应当输入信号r （t ）=1（t ）时，系统的响应c （t ）称作其单位阶跃响应。