虚拟仪器导论实验一

1、虚拟仪器导论实验报告学号：班级：自动化1班姓名：张青 信息与控制工程学院自动化系实验一 熟悉LabVIEW开发环境一、实验目的(1) 熟悉LabVIEW的初步操作。(2) 掌握LabVIEW的编程方法。二、实验内容1、建立虚拟温度计的VI。2、将所设计的虚拟温度计VI设计成子VI，供其他程序调用。三、实验原理(1) LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。下面我们来大致浏览一下。工具模板（Tools Palette）该模板提供

2、了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择Show Tools Palette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从Windows菜单下选择了Show Help Window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（Sub VI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。 图1-1 工具模板 图1-2 控件选板 图1-3 函数选板下面的两个模板是多层的，其中每一个子模板下还包括多个对象。控件模板（Control Palette）注意：只有打开前面板时才能调用该模板。该模板用来给前面

3、板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控件模板不显示，可以用“窗口”菜单的“显示控件选板”功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控件模板。函数模板(Functions Palette) 函数模板是创建流程图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若函数模板不出现，则可以用“窗口”菜单的“显示函数选板”功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出函数模板。注：只有打开了流程图程序窗口，才能出现函数模板。（2）关于连线连线是程序设计中较为复杂的问题。流程图上的每一个对象都带有自己的连线端子，连线将构成对象之间的数据通

4、道。因为这不是几何意义上的连线，因此并非任意两个端子间都可连线，连线类似于普通程序中的变量。数据单向流动，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。当需要连接两个端点时，在第一个端点上点击连线工具（从工具模板栏调用），然后移动到另一个端点，再点击第二个端点。端点的先后次序不影响数据流动的方向。当把连线工具放在端点上时，该端点区域将会闪烁，表示连线将会接通该端点。当把连线工具从一个端口接到另一个端口时，不需要按住鼠标键。当需要连线转弯时，点击一次鼠标键，即可以正交垂直方向地弯曲连线，按空格键可以改变转角的方向。接线头是为了帮助正确连接端口的连线。当把连线工具放到端口上，接线

5、头就会弹出。接线头还有一个黄色小标识框，显示该端口的名字。线型为波折号的连线表示坏线。出现坏线的原因有很多，例如：连接了两个控制对象；源端子和终点端子的数据类型不匹配（例如一个是数字型，而另一个是布尔型）。可以通过使用定位工具点击坏线再按下 来删除它。选择“编辑-删除断线”菜单命令或者按下 可以一次删除流程图中的所有坏线。当VI无法运行，或者显示“信号丢失终端”的错误信息时，这是一个快捷的调试方法。(3) 程序调试技术1找出语法错误如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时该按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口

6、，点击其中任何一个所列出的错误，选用“查找”功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。2设置执行程序高亮在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮上。点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。这样，你就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。3断点与单步执行为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节

7、点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。4探针可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。四、

8、实验过程（1）启动LabVIEW，创建一个VI。（2）在前面板中放置一个温度计控件，并修改控件标签名为温度计和设置最大值为100。该控件从“控件经典经典数值”子选项板中获得。（3）按同样的方法在前面板中放置一个仪表控件，并修改仪表控件的标签名为电压（mV），标尺刻度范围为01000。（4）按同样的方法在前面板中放置一个数值显示控件，并修改控件标签名为数值显示： ，并为电压添加数值显示控件。（5）从“经典布尔”里找出带标签椭圆形按钮，“Express”里添加两个指示灯。（6）从“窗口”下拉菜单中选择“显示程序窗口”切换到程序框图窗口。（7）在程序窗口中创建随机数字（0-1），添加两个乘法函数、两

9、个比较函数并进行连线。（8）切换至前面板，换成“操作值”点击椭圆形开关切换至“开”，点击运行按钮，运行VI程序。（9）修改图标为T/V以表示该子VI当前温度和过温提示，并保存为vi.vi。前面板：程序框图：修改后的图标及连线端： 五、实验问题及总结问题：1、接线时错将温度机接至0-1000的范围导致温度计爆表，所以下次接线时一定要认真仔细，并检查错误的原因。 2、布局时难看不齐，可以使用工具栏下方的“对齐对象按钮”，程序框图连线完毕时也可以点击整理所选部分，使图清晰美观。实验二 LabVIEW基本程序设计一、实验目的(1) 熟悉LabVIEW 8.5开发环境；(2) 掌握LabVIEW编程语言

10、的程序结构和图形控件的使用方法；(3) 掌握LabVIEW编程环境的程序调试方法；二、实验原理与内容已知一阶系统状态空间表达式编程时可采用4阶龙格-库塔算法求解上述方程:K1 = -0.2*X(k)+2*u(k);K2 = -0.2*(X(k)+0.5*T*K1)+2*u(k);K3 = -0.2*(X(k)+0.5*T*K2)+2*u(k);K4 = -0.2*(X(k)+T*K3)+2*u(k);X(k+1) = X(k)+(K1+2*K2+2*K3+K4)*T/6;Y = X(k+1);控制算法可采用增量式PID控制算法:du = Kp*(e(k)-e(k-1)+T/Ti*e(k)+Td

11、/T*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2);u(k) = u(k-1)+du;本实验要求基于LabVIEW编程环境，针对上述一阶系统进行控制仿真。通过控制系统仿真，分析一阶系统的特点和各个PID参数对控制系统性能的影响。三、实验过程1、通过实验讲义在“控件模版”中选取对应控件，拖去前面板中，并进行对齐等操作使其清晰美观。2、（1）进入程序框图，先选取while函数模版，并在其中建立两个公式节点模块。（2）在第一个公式节点中添加输入：Kp、Ti、Td、ek、u、ek_1、ek_2、X、T，以及在右侧添加输出：du、u、ek、ek_1、X。在第二个节点添加输入：du、u、ek、ek_1、X、

12、T，以及添加输出：y、u、ek、ek_1、X。第一个公式节点里的公式：float du;du = Kp*(ek - ek_1)+T/Ti*ek + Td/T*(ek - 2*ek_1+ek_2);u = u + du;第二个公式节点里的公式：float K1,K2,K3,K4;K1 = -0.2*X+2*u;K2 = -0.2*(X+0.5*T*K1)+2*u;K3 = -0.2*(X+0.5*T*K2)+2*u;K4 = -0.2*(X+T*K3)+2*u;X = X+(K1+2*K2+2*K3+K4)*T/6;y = X;（3）将比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td、设定值、仿真步长控

13、件拖入while循环。在while循环里添加5个移位寄存器，并将5个数值常量与之连线，表示法设置为单精度。拖入等待时间，数值常量500。（4）捆绑u、y输出，整体进行连线，完毕后整理程序框图。（5）设置好参数：设定值2，比例系数0.5，积分时间0.5，微分时间0，仿真步长0.1，运行程序。四、实验结果五、实验分析及问题一阶系统特点：（1）比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。（2）积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统

14、，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较

15、大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性PID参数对控制系统性能的影响： 1、比例参数Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系

16、统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。Kp取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。 2、积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。从相位的角度来看一个积分环节就有90 的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。 3、微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能

17、，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Td不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。PID参数整定的方法：a.确定比例增益P 确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。 b.确定积分时间常数Ti 比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常数Ti调试完成。 c.确定微分时间常数Td 积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。编程过程中遇到的问题、解决办法：1、 在进行波形输出时，捆绑和按名称捆绑混淆导致连线失败。2、 在输入公式时注意大小写，否则出现未定义变量等错误