昆明理工Labview课程设计实验报告.doc

3 验证型实验1. 数学模型的创建使用Labview控制设计与仿真工具包中的模型创建函数完成了如下的程序框图构建及仿真。实验1_exp1.vi程序框图：使用创建传递函数模型，在其分子分母多项式连接端子上连接两个数组（数组常量中拖入数值常量），在Transfer Function Model端子上连接CD Draw Transfer Function Equation.vi函数，并右键创建一个Equation，即通过方程指示器可以将结果显示在前面板上。仿真结果：实验1_exp2.vi程序框图：使用状态空间模型创建函数，在A.B.C.D端子上接入四个数组常量，在Transfer Function Model端子连接方程指示器，即可把模型显示在前面板。仿真结果：实验1_1.vi程序框图：使用传递函数模型创建函数，在其分子分母多项式端子上接入两个数组常量，并按要求，输入分子分母多项式的系数，在通过连接方程指示器，将创建的模型显示在前面板上。仿真结果：实验1_2.vi程序框图：使用传递函数模型创建函数，在其分子分母多项式端子上接入两个数组常量，按要求输入分子分母多项式的系数，并通过方程指示器将创建的模型显示在前面板上。仿真结果：2. 系统时域分析在使用传递函数模型创建函数建立好系统模型后，通过时间选板上的函数(如上图所示)，如控制设计阶跃响应、控制设计脉冲响应函数、CD Parametric Time Response Data.vi可以进行系统的时域分析，包括绘制响应曲线，以及暂态性能指标分析。实验2_exp1.vi程序框图：使用传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function Model.vi)建立好系统模型，并通过连接控制设计阶跃响应函数（CD Step Response.vi）和控制设计脉冲响应函数（CD Impulse Response.vi）进行时域分析，再通过在该两个函数的输出端子上创建指示器（右键-创建-显示控件）即可在前面板上显示时间响应曲线图。除了上述所说的通过创建指示器还可以在前面板上添加一个图形显示控件中的Express XY图来显示时间响应曲线图。仿真结果：实验2_exp2.vi程序框图：通过创建传递函数模型（CD Construct Transfer Function Model.vi）建立好系统模型，并在其输出端子上连上控制设计暂态性能指标函数（CD Parametric Time Response Data.vi），在通过右键创建指示器，即可在前面板上显示暂态性能指标。仿真结果：实验2_2.vi程序框图：由于进行时域分析时，要求的模型是闭环传递函数模型，所以此处用到一个控制设计反馈函数（CD Feedback.vi），该函数有两个输入端子，分别对应前向通道传递函数模型和反馈通道传递函数模型，在此处，我们认为是一个单位负反馈。因此，通过使用传递函数创建模型（CD Construct Transfer Function Model.vi）创建好前向通道传递函数模型和反馈通道传递函数模型后连接到CD Feedback.vi的对应输入端子，再通过其输出端子就可得到闭环传递函数模型，连接输出端子到控制设计阶跃响应函数（CD Step Response.vi），并右键创建指示器，即可在前面板上得到时间响应曲线图。仿真结果：实验2_3.vi程序框图：和实验2_2.vi一样，先通过控制设计反馈函数（CD Feedback.vi）建立系统的闭环传递函数模型，然后使用控制设计阶跃响应函数（CD Step Response.vi）和控制设计暂态性能指标函数（CD Parametric Time Response.vi）可进行时域曲线绘制以及暂态性能指标分析，并通过创建指示器显示在前面板上。仿真结果：实验2-4.vi程序框图：通过控制设计与仿真工具包中的Simulation选板（下图所示）选择各种函数搭建上图所示的程序框图。仿真结果：改变参数前：改变参数后：3. 系统频率特性分析通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi）创建好系统模型后，可以在频率响应选板（Frequence Response）上选择相应的函数，如CD Bode.vi、CD Nyquist.vi、CD Gain and Phase Margins，可以进行频域分析。实验3_exp1.vi程序框图：通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi）建立好相应的系统模型，并在其输出端子上连接控制设计伯德函数（CD Bode.vi），并在该函数输出端子上，鼠标右键创建指示器，可以在前面板上显示幅频曲线和相频曲线。仿真结果：实验3_exp2.vi程序框图：通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi）建立好相应的系统模型，在其输出端子上连接控制设计奈奎斯特函数（CD Nyquist.vi）并在其输出端子上，鼠标右键创建指示器，可以在前面板上得到奈奎斯特图。仿真结果：实验3_exp3.vi程序框图：通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi）建立好相应的系统模型，在其输出端子上连接CD Gain and Phase Margin.vi函数，并在其输出端子上创建各个指示器，可以在前面板显示系统的增益和相位余量，同时还有幅度和相位曲线图，用来显示增益和相位余量发生的位置。仿真结果：实验3_2.vi程序框图：通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi）建立好相应的系统模型，在其输出端子上连接控制设计奈奎斯特函数（CD Nyquist.vi）并在其输出端子上，鼠标右键创建指示器，可以在前面板上得到奈奎斯特图。仿真结果：实验3-3.vi程序框图：由于要求的模型是闭环传递函数模型，所以此处用到一个控制设计反馈函数（CD Feedback.vi），该函数有两个输入端子，分别对应前向通道传递函数模型和反馈通道传递函数模型，在此处，我们认为是一个单位负反馈。因此，通过使用传递函数创建模型（CD Construct Transfer Function Model.vi）创建好前向通道传递函数模型和反馈通道传递函数模型后连接到CD Feedback.vi的对应输入端子，再通过其输出端子就可得到闭环传递函数模型，连接输出端子到CD Bode.vi，并在其输出端子上鼠标右键创建指示器，就可以在前面板上得到该模型的幅频曲线和相频曲线。仿真结果：4. 控制系统的稳定性分析可以在动态特性选板中使用系统自带的稳定性判定功能（如上图所示）进行系统的稳定性分析。实验4_2.vi程序框图：前面板布置：首先在前面板中创建一个选项卡控件，并按照前面布局修改选项卡的标题。通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi）建立好相应的系统模型，输出端子连接到CD Bode.vi.CD Nyquist.vi，并创建指示器可以在前面板得到对应的频域分析曲线。同时，通过控制设计反馈函数（CD Feedback.vi）（此处认为是单位负反馈）得到对应开环传递函数模型的闭环传递函数模型，再通过连接CD Step Response.vi、CD Parametric Time Response.vi，并创建指示器，可以在前面板得到时域分析。对于稳定性的判定，此处使用了一个Matlab脚本，只需输入特征向量，即分母多项式系数，执行脚本语言后，就可输出劳斯表（Routh表），以及系统稳定性的判定，具体的程序框图说明将在实验4_3.vi中详述。最后，我们在前面板上按照布局要求，将对应的曲线图以及各种显示控件拖到对应的选项卡中，点击运行即可。仿真结果：实验4_3.vi程序框图：通过传递函数模型创建函数（CD Construct Transfer Function.vi），并将其两个输入端子所连接的数组设为输入控件，根据要求输入系统的分子分母多项式，就建立系统模型，并通过系统自带的稳定性判定函数（CD Stability.vi）就可判定系统的稳定性，同时通过创建指示器，可以在前面板上显示模型以及判定结果。使用MATLAB脚本节点，将传递函数的特征向量即分母多项式的系数通过变量e输入脚本，执行脚本程序后，通过变量RouthTable、Conclusion得到Routh表以及稳定性判定结论。为了和实验指导书要求的布局一样，此处用了一个While循环结构，在前面板中通过点击停止按钮可以结束程序运行，去掉While结构对程序框图无任何影响。仿真结果：4 设计型实验1. 温度PID控制系统设计PID控制原理：根据偏差进行PID控制，常用PID控制器算法如下： （1）常规PID离散化的表达式如下： （2）其中，,其中T为采样周期。通过使用While循环结构、Case分支结构，构建了温度PID控制系统，该系统由控制模块、报警模块、数据存储模块综合联系而成。总程序框图：如上图所示，左上角为控制模块（包括数据采集及输出等），右上角为Case分支结构的报警模块，左下角为Case分支结构的数据存储模块。下面分述各模块的程序框图构建。控制模块：该模块主要使用了Labview自带的PID.vi，通过该函数可以模拟由偏差进行控制的PID算法。PID.vi各端子的含义如下图所示， 根据各个端子的含义，进行函数间的连接，设定PID gains，在输入设定温度的情况下，通过反馈变量（process variable）进行PID控制，从而使输出的温度快速接近设定值。此处的procee variable通过While循环的移位寄存器进行传递，初始值设为0。如上图所示，将要求显示的个温度（温度上限、温度下限、设定温度、当前温度）连接到捆绑函数后连至波形图，即可在前面板上实时查看各个温度曲线。如上图所示，将设定温度与当前温度通过各比较函数进行比较后，连接到对应的指示灯，即可使前面板的指示灯据温度的不同而亮或灭。此外当温度低、温度高时，将相应的线连入右侧的Case分支结构，可以激活报警程序进行报警。同时还要引出当前温度的线至下面的存储模块，以便该模块激活时，进行数据存储。补充：为了限制While循环结构中程序的执行速率，还使用了一个定时函数，如下图所示报警模块：可以看出，当温度低时，Case分支结构中真标签中的程序框图被激活。又可以看出，当温度高时，Case分支结构中假标签里的程序框图被激活，此处使用了Case分支结构嵌套。报警程序主要是在While循环结构的基础上使用声音输入选板上的各个函数构建而成，此外还使用了一个基本函数发生器，如下图所示：数据存储模块：此处使用文件I/O选板中的各函数按照范例进行连接即可，不做详述。如下图所示：这里为了每次运行程序的时候，可以选择存储文件的位置，可以将打开/创建/替换函数的文件路径端子悬空，但是必须把函数放在While循环结构外面，不然重复执行而错误。如下图所示：前面板布局：根据要求可以在前面板上添加各种控件，包括填充滑动杆控件、图形显示控件、指示灯控件等，然后进行布局调整，以及属性设定，并根据要求在程序框图中进行相应连接。下图所示为部分控件所在位置： 拓展：利用属性节点可以使温度计的颜色随温度的变化而变化，程序框图如下 在设定温度（即垂直填充滑杆控件在程序框图中的图标）右键即可创建属性节点。然后通过一个系统范例中的vi，输入当前温度，温度上限，温度下限后，连接到属性节点，即可使温度计的颜色随温度的变化而变化。该vi节点如下图所示：再运行程序时候，保证该vi和程序位于同一个文件夹。仿真结果：2. 网络通信实验（1） 浏览器方式该方式适用于数据传送量不大的情况，对客户机端的要求很低，不许在客户端安装相应的客户端软件，只需要通过浏览器便可登陆服务器对远程系统进行监控，该方法易于实现，操作方便。在这种方式下，服务器把虚拟仪器应用程序的前面板发布至Web页面上，客户端可用浏览器观察，并通过设置Request/Release control VI获得客户端的远程控制权限。（2） DataSocket（DS）技术DataSocket是NI公司推出的基于TCP/IP协议的新技术，DataScoket面向测量和网上实时高速数据交换，可用于一个计算机内或者网络中多个应用程序间的数据交换。DataScoket包括DataScoket Server Manager、DataScoketserver和DataScoket函数库等三大部分，以及Dstp（DataScoket Transfer Protocol）协议、通用资源定位符URL（Uniform Resource Locator）和文件格式等规程。通过DataScoket节点可以完成DataScoket通信。注意：在Labview中进行DataScoket通信前，必须首先运行DataScoket Server。（3） TCP方式 TCP/IP协议作为最基本的网络协