基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计毕业设计论文

-I-基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计摘要：根据“自动控制原理”课程实验教学在高校实验实践中遇到的困难和实验教学改革的需要，本文提出了建立基于Labview的自动控制虚拟实验系统方案。文中分析了目前常见的虚拟实验系统，相应的应用Labview编程语言实现了包含“自动控制原理”课程常见实验的虚拟实验系统。最后，利用Matlab语言编程进行对比分析，进行正确性验证。关键词：Labview；自动控制实验；Matlab指导老师签名：AutomaticcontroltheoryvirtualexperimentbasedonLabVIEWSystemdesignStudentname:xionghanxinClass:090432Supervisor:liuqinpingAbstract:OnthebasisofproblemsencounteredinactualexperimentteachingofAutomaticControlTheoryinuniversitiesandneedofexperimentteachingrevolution,anewkindofautomaticcontroltheoryvirtualexperimentsystembasonLabviewisadvanced.Strong-pointandweadnessofcommonvirtualexperimentsystemsatpresentareanalyzedandavirtualexperimentsystemincludingcommoexperimentsinAutomaticControlTheoryiscompleletedsuccessfullyusingLabviewequivalently.Inaddition,proposalforhardwareexperimentexpansionispforwand.Atlast,Matlabprogrammingisusedforcomparisonandaccuracycertification.Keywords:Labview;automaticcontrolexperiment;MatlabSignatureofSupervisor:目录第1章绪论1.1背景1.2课题的目的与意义1.3Labview的介绍第2章设计原理2.1一阶系统典型环节虚拟实验系统设计原理1.1数学模型的介绍(错误！未定义书签。)2.1.2单位阶跃响应概括2.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统设计原理2.2.1数学模型的介绍2.2.2单位阶跃响应慨括2.3动态性能2.3系统校正虚拟实验系统设计原理2.3.1未校正系统的性能3.2校正系统的确定2.4采样系统虚拟实验系统设计原理2.4.1“采样—保持器”组件4.2数学模型的介绍2.5采样系统校正虚拟实验系统设计原理2.6频率特性虚拟实验系统设计原理(11)2.7系统稳定性分析虚拟实验系统设计原理2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性7.2绘制系统的单位阶跃响应曲线验证系统的稳定性2.8非线性系统虚拟实验系统设计原理2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图2.8.2振幅与角频率的计算第3章程序方案设计3.1总体设计3.2基于Labview的虚拟实验系统设计(14)3.3用户管理程序设计第4章基于Labview的虚拟实验系统设计4.1一阶系统典型环节虚拟实验4.1.1功能阐述1.2设计过程4.1.3实验子系统Matlab的仿真4.2二阶系统瞬态响应虚拟实验4.2.1功能阐述4.2.2设计过程4.2.3实验子系统Matlab的仿真4.3系统校正虚拟实验4.3.1功能阐述4.3.2设计过程4.3.3实验子系统Matlab的仿真4.4采样系统虚拟实验4.4.1功能阐述4.4.2设计过程4.4.3实验子系统Matlab的仿真4.5采样系统校正虚拟实验4.5.1功能阐述4.5.2设计过程4.5.3实验子系统Matlab的仿真4.6频率特性虚拟实验4.6.1功能阐述4.6.2设计过程4.6.3实验子系统Matlab的仿真4.7系统稳定性分析虚拟实验4.7.1功能阐述4.7.2设计过程4.7.3实验子系统Matlab的仿真4.8非线性系统虚拟实验4.8.1功能阐述4.8.2设计过程4.8.3在Matlab中绘制系统的-1/N与G（jw）轨迹第5章用户管理程序的设计5.1登入系统的设计5.2主程序的设计结论参考文献致谢附录Ⅰ系统前面板图附录Ⅱ系统程序框图第1章绪论虚拟技术的发展使虚拟平台实验的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进模拟实验教学的现代化。本文介绍了基于LabVIEW的自动控制实验系统的设计与实现。此系统具有参数调节方便、易实现、可靠度高等优点。在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。1.1背景“自动控制原理”一门重要的专业基础课，学生需要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。在学习中，最好的方法是调动学生的学习积极性，从而发挥高度的主观能动。学生对课文中的理论学习缺乏主观积极性和学习兴趣，而实践教学过程中能充分调动学生的积极参与意识和表现意识，实验是检验理论的最好方法，而理论又是指导实验的最好依据。实验学习的程中使学生形象生动地掌握了原来枯唱无味的理论知识，又创造了实际动手能力和创造能力，从而最大限度的发挥了良好的学习兴趣。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。对于此问题首先提出了基于Matlab的虚拟实验系统，它能比较好的解决目前自动控制实验中的一些问题，并在提高了目前“自动控制原理”教学效果。但是，由于Matlab的局限性，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软件模需要学生对其有一定的熟悉和了解，对于初学者来说比较困难。随着计算机技术的发展，采用NI公司的Labview的语言系统，开发出基于Labview虚拟实验系统，结合第三方公司的数据采集卡，从而实现在课堂上进行模拟实验，并且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，达到显著提高教学效果和实验效果。虚拟实验系统的交互式式接口和良好的界面的特点。可以完成模拟实验，以便更好的帮助学生理解、消化、吸收学习内容，重点解决教学和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和C++开发环境一样，是一种程序语言开发环境，但与现有的Labview采用图形化编程语言—G语言，产生块状的程序。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA(Virtual1nstrumentationsoftwareArchitecture)虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/0函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。而Matlab是“演算纸”式的程序设计语言，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可以通过调用控件，实现Labview与Matlab的混合编程，充分发挥两者的优势。本设计正是采用Labview和Matlab的混合编程思想，通过控件调用和操作来实现自动控制原理中常见实验的虚拟实验系统。通过不同的软件编程，实现多个仪器的功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。虚拟仪器用户可以才艮据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。通过采用虚拟仪器技术，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。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。1.3Labview的介绍虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。LabVIEW（LboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统，不断完善中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数学模型的介绍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：dc(t)Tc(t)r(t) 式(2.1)dt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： C(S) K (S) 式(2.2)R(S)TS1一阶系统惯性环节的方框图如图2.1所示。11TSK图2.1一阶系统惯性环节方框图2.1.2单位阶跃响应慨括当输入信号r（t）=1（t）时，系统的响应c（t）称作其单位阶跃响应。拉氏变换为：TS1S两端取拉氏反变换，求的其单位阶跃响应为：式(2.3)tc(t)1eT式(2.4)11C(S)(S)R(S)2.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统设计原理2.2.1数学模型的介绍运动方程为二阶微分方程的控制系统称为二阶系统，二阶系统的运动方程具有如下的一般形式： d2c(t) dc(t)T22Tc(t)r(t)式(2.5)dt2 dt式中TLC—二阶系统的时间常数，单位为秒；RC—二阶系统的阻尼比，无量纲。2L对式2.5进行拉氏变换得二阶系统的传递函数为: C(S) 1 (S) 式(2.6)R(S)T2S22Ts1引入参数1/T，称作二阶系统的自然频率，单位为rad/s。则： C(S) 2 (S) 式(2.7)R(S)S22S2二阶系统的方框图如图2.2所示。R（R（S）+E（S）ToS1111STKC（S）图2.2单位阶跃响应方框图2.2.2单位阶跃响应慨括单位阶跃函数作用下，二阶系统的响应称其为单位阶跃响应。由式2.7，其输出的拉氏变换为： 2 1 C(S)(S)R(S) 式(2.8)S22S2S对分母多项式作因式分解，得到：2 C(S) 式(2.9)S(SS)(SS)1 2式中，S,S是系统的两个闭环特征根。式两端取拉氏反变换，可以求出系统的单位阶跃响应表达式。阻尼比在不同的范围内取值时，二阶系统的特征根在S平面上的位置不同，二阶系统的时间响应对应有不同的运动规律。下面分别加以讨论：a.欠阻尼响应阻尼比10时，系统的响应称为欠阻尼响应。时间响应为：1 c(t)1etsin(t) 式(2.10) 12 d式中，12；d12arctanarccos。c(t)1ewt(1t)c.过阻尼响应阻尼比1时，系统的响应称为过阻尼响应。时间响应为：式(2.11)eTteTt c(t)1 TteTt(21)1T。2(21)T/T1T/T1式(2.12)b.临界阻尼响应阻尼比1时，系统的响应称为临界阻尼响应。时间响应为： 2 1 2 11式中，T；2.2.3动态性能系统只有在欠阻尼条件下能计算性能指标中的超调量Mp、峰值时间tp和调节时间ts。根据系统动态性能指标的定义和系统欠阻尼单位阶跃响应的表达式，可以导出系统性能指标通过其特征参数和表达的计算式。a.峰值时间tp峰值时间tp是从阶跃输入作用于系统开始，到其响应达到其第一个峰值的时间。峰值时间为：tp12 式(2.13)d超调量Mp超调量Mp指阶跃响应的最大峰值超出其稳态值的部分，用百分比表示为：c(t)c() Mp%|p |100% 式(2.14)c()超调量为： Mp%e12100% 式(2.15)调节时间ts工程上，当0.90.1时，通常用下列二式近似计算调节时间：4t2%c() 式(2.16)s3 t5%c() 式(2.17)s2.3系统校正虚拟实验系统设计原理2.3.1未校正系统的性能原系统的原理方框图如图2.3所示。 ++C(S)_R(S))15.0(20SS图2.3未校正系统的方框图40由闭环传函W(S)0.158,6.32Mp0.6,t4s S22S40 s2.3.2校正系统的确定要求设计串联校正装置，使系统满足下述性能指标：Mp25%,t1ss由理论推导得，校正网络的传递函数为：0.5S1G(S) 式(2.18)c0.05S1所以校正后系统的原理方框图如图2.4所示。1105.015.0SS)15.0(20SS+_R(S)C(S)图2.4校正后系统的方框图2.4采样系统虚拟实验系统设计原理采样系统是将采样器位于系统中，将连续系统离散化。离散系统与连续系统相比，虽然在本质上有所不同，但对于线性系统，分析研究方法存有很大程度上的相似性。只要在系统中采用“采样—保持器”组件，即可实现离散信号到连续信号的转换，便把问题转换到前面研究过的连续信号问题上。2.4.1“采样—保持器”组件本系统中采用“采样—保持器”组件，它具有将连续信号离散再恢复为连续信号输出的功能，其原理方框图如图2.5所示。SSeTS1X（S）Xh（S）T图2.5“采样—保持器”原理方框图2.4.2数学模型的介绍闭环采样控制系统原理方框图如图2.6所示。))15.0(25SSSeTS1X（S）+—图2.6闭环采样控制系统原理方框图图2.6所示闭环采样系统的开环脉冲传递函数为：25(1eTS)12.5[(2T1e2T)z(1e2T2Te2T)]Z[ ] S2(0.5S1) (z1)(ze2T) 开环脉冲传递函数为：C(z) 12.5[(2T1e2T)z(1e2T2Te2T)] R(Z)z2(25T13.511.5e2R)z(12.511.5e2T25Te2T)式(2.19)式(2.20)离散系统中的Z变换即为连续系统中的拉氏变换，确定T值即便确定了传函。2.5采样系统校正虚拟实验系统设计原理设校正前闭环采样系统的原理方框图如图2.7所示。图2.7校正前采样系统的原理方框图期望性能指标如下：静态误差系数：Klim(Z1)GH(Z)3式(2.21)—R—R（S）SeTS1)11.0(30SS+C（S）超调量：Mp20%式(2.22)采用断续校正网络：0.68S1 Gc(S) 式(2.23)5S1校正后采样系统的原理方框图如图2.8所示。))11.0(30SSSeTS1R（S）SeTS115168.0SSC（S）+图2.8校正后采样系统的原理方框图2.6频率特性虚拟实验系统设计原理被测系统的原理方框图如图2.9所示。RR（S）+H（S）E（S）G2（S）G1（S）C（S）图2.9被测系统的原理方框图系统的频率特性G（jw）是一个复变量，可以表示成以角频率w为参数的幅值和相角：G(jw)|G(jw)|G(jw)图2.9所示系统的开环频率特性为：B(jw)B(jw)B(jw)G(jw)G(jw)H(jw) | | 1 2 E(jw)E(jw)E(jw)采用对数幅频特性和相频特性表示为：B(jw) 20lg|G(jw)G(jw)H(jw)|20lg| | 1 2 E(jw)式(2.24)式(2.25)式(2.26)20lg|B(jw)|20lg|E(S)|B(jw) G(jw)G(jw)H(jw)B(jw)E(jw) 式(2.27) 1 2 E(jw)根据式2.26和式2.27分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，再根据计算出的数值分别画出幅频特性和相频特性曲线。2.7系统稳定性分析虚拟实验系统设计原理2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性线性定常系统闭环特征方程的全部根，不论是实根还是复根，若其实部均为负值，则闭环系统就是稳定的。由此可知，求解控制系统闭环特征方程的根并进而判断所有根的实部是否小于零就可以判定系统的稳定性，这种方法是控制系统稳定性判别的最基本方法，这就是所谓代数稳定判据。系统稳定的充分必要条件是系统特征方程的全部根，或者系统闭环传递函数的全部极点都位于S左半平面。若系统闭环特征方程所有根的实部都小于零，则系统闭环是稳定的，只要有一个根的实部不小于零，则系统闭环就是不稳定的；只要有一个根的实部为零，则控制系统临界稳定，工程上实际将临界稳定当作是不稳定的。2.7.2绘制系统的单位阶跃响应曲线验证系统的稳定性绘制系统的单位阶跃响应曲线可以直观而又方便的判断系统的稳定性，判断方法如下：若输出曲线是发散的，则系统不稳定；若输出曲线是等幅振荡的，则系统临界稳定；若输出曲线是衰减振荡的，则系统稳定。2.8非线性系统虚拟实验系统设计原理2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图方框图如图2.10所示。 EE（S）R（S）+M=1)2)(1(10SSSC（S）图2.10继电型非线性三阶系统的原理方框图2.8.2振幅与角频率的计算若系统的非线性元件-1/N及线性部分的G（jw）的轨迹已知，则：利用交点的虚部为零，求交点的角频率w，即：Im[G(jw)]0利用交点在横坐标上，求自振的振幅X，即：式(2.28)1Re[G(jw)]式(2.29) N A4MX 这里，继电型非线性元件N

第3章程序方案设计3.1总体设计本毕业设计的主要内容是：应用Labview编程语言实现包含“自动控制原理”课程常见8个虚拟实验系统。考虑到涉及的程序较多不好管理，因此，添加了登陆系统和主程序。在正确的登陆以后，进入到主程序，在主程序中包含了所有的“自动控制原理”课程常见实验，可以对它们进行有选择性的操作。为了方便观察实验的输入输出数据，最后添加了输出报表部分。总体设计的流程图如图3.1所示。开始登入程序主程序各子系统是图3.1总体设计流程图3.2基于Labview的虚拟实验系统设计“自动控制原理”中常见的虚拟实验子系统如下：实验一：基于Labview的一阶系统典型环节虚拟实验系统实验二：基于Labview的二阶系统瞬态响应虚拟实验系统实验三：基于Labview的系统校正虚拟实验系统实验四：基于Labview的采样系统虚拟实验系统实验五：基于Labview的采样系统校正虚拟实验系统实验六：基于Labview的频率特性虚拟实验系统实验七：基于Labview的系统稳定性分析虚拟实验系统实验八：基于Labview的非线性系统虚拟实验系统这些实验有着不同的实验原理，但是，有着相同的设计步骤，其设计的流程图如图3.2所示。开始开始参数设置调用MATLAB程序结果显示返回图3.2虚拟实验设计流程图3.3用户管理程序设计本毕业设计涉及的用户管理程序如3.1节所指：登陆系统和主程序主程序是一个包含所有虚拟实验的程序，其程序框图如图3.3所示。登入系统是按登入后直接进入主程序，其流程图如图3.4所示。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稳定性非线性系统进入系统登入系统图图3.3主程序设计程序框图开始进入主程序Labview界面退出按钮图3.4登陆系统设计流程图

第4章基于Labview的虚拟实验系统设计4.1一阶系统典型环节虚拟实验4.1.1功能阐述本系统为自动控制原理中一阶系统惯性环节的虚拟实验系统，当给一阶系统惯性环节的两个特征参数K和T分别输入不同值时，可以确定不同的传递函数，据此可以画出一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线。自动控制原理中一阶系统的比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节的单位阶跃响应画法与该系统一样。4.1.2设计过程面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.1所示，面板主要控件如下。2个Numeric控件，分别输入时间常数T和放大倍数K的值；一个XYGraph控件，是为了显示一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线；一个OKButton控件，功能是为了实现功能退出到主程序界面。图4.1一阶系统惯性环节仪器面板程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，添加如下的输入、输出变量。输入变量类型TRealKReal输出变量类型T2-DArrayofRealY2-DArrayofReal将下面的MATLAB文件写入节点内。num=[K];den=[T1];sys=tf(num,den);t=0:0.01:1.2;y=step(sys,t);b．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成见附录图一。3.保存，运行运行结果如图4.2所示。图4.2一阶系统惯性环节运行结果4.1.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.3所示。图4.3一阶系统惯性环节Matlab仿真分别设置时间常数T=0.2和放大倍数K=1的值，所得结果和labview仿真的结果相同。4.2二阶系统瞬态响应虚拟实验4.2.1功能阐述本系统为自动控制原理中二阶系统瞬态响应的虚拟实验系统，当给二阶系统的两个结构参数和分别输入不同值时，可以求出该二阶系统的动态性能指标：超调量Mp、峰值时间tp和调节时间ts，并且可以输出该二阶系统的单位阶跃响应曲线。4.2.2设计过程面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.4所示，面板主要控件如下。5个Numeric控件，功能是输入二阶系统结构参数和的值，输出性能指标超调量、峰值时间和调节时间的值；1个XYGraph控件6，功能是显示二阶系统的单位阶跃响应曲线；2个OKButton控件，功能是使程序退出到主程序界面。图4.4二阶系统仪器面板程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量类型zetaRealomeganReal输出变量类型SigmaRealTpRealTsRealTRealYReal然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta^2)^(1/2));tp=pi/(omegan*sqrt(1-zeta^2));ts=4/(zeta*omegan);num=[omegan^2];den=[12*zeta*omeganomegan^2];sys=tf(num,den);t=0:0.01:5;y1=step(sys,t);b．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成后见附录II图2。3.保存，运行欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况下的运行结果分别如图4.5、4.6和4.7所示。图4.5欠阻尼情况下运行结果图4.6临界阻尼情况下运行结果图4.7过阻尼情况下运行结果4.2.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果分别如图4.8、4.9和4.10所示。图4.8欠阻尼情况下Matlab仿真分别设置二阶系统结构参数=0.5和=10，在欠阻尼情况下Matlab仿真所得结果和labview仿真的结果相同。图4.9临界阻尼情况下Matlab仿真分别设置二阶系统结构参数=1和=5，在临界阻尼情况下Matlab仿真所得结果和labview仿真的结果相同。图4.10过阻尼情况下仿Matlab仿真分别设置二阶系统结构参数=1.50和=3.16，在过阻尼情况下Matlab仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.3系统校正虚拟实验4.3.1功能阐述本系统为自动控制原理中系统校正的虚拟实验系统，对于预先给定的受控对象，算出其性能指标，目的是和系统要求满足的性能指标进行对比；由理论推导得出满足要求的性能指标的校正网络后，绘制出系统校正前后的阶跃响应曲线。4.3.2设计过程面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.11所示，面板主要控件如下。4个Numeric控件，功能是输入未校正系统的阻尼比和角频率的值，输出超调量和调节时间的值；1个XYGraph控件，功能是输出未校正系统的调节时间；1个OKButton控件，功能是可以退出到主程序界面。图4.11校正系统仪器面板程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量类型zeta（）Realomegan（）Real输出变量类型Sigma（Mp）RealtsRealt12-DArrayofRealy12-DArrayofRealt22-DArrayofRealy22-DArrayofReal然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。k0=20;n1=1;d1=conv([10],[0.51]);s1=tf(k0*n1,d1);sys1=feedback(s1,1);t1=0:0.01:6;y1=step(sys1,t1);sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta^2)^(1/2));ts=4/(zeta*omegan);n2=[0.51];d2=[0.051];s2=tf(n2,d2);sope=s1*s2;sys2=feedback(sope,1);t2=0:0.01:0.6;y2=step(sys2,t2);b．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成后见附录II图3。3.保存，运行运行结果如图4.12所示。图4.12校正系统运行结果4.3.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果分别如图4.13和4.14所示。图4.13系统校正前的Matlab仿真图4.14系统校正后的Matlab仿真分别设置未校正系统的阻尼比为0.15和角频率为6.3的值，在Matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.4采样系统虚拟实验4.4.1功能阐述本系统为自动控制原理中采样系统的虚拟实验系统，当给采样系统的采样周期T输入不同值时，可以确定不同的传递函数，据此可以画出采样系统的单位阶跃响应曲线。4.4.2设计过程1.面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.15所示，面板主要控件如下。图4.15采样系统仪器面板1个Numeric控件，功能是输入采样系统的采样时间T；1个XYGraph控件，功能是显示采样系统的单位阶跃响应曲线；1个OKButton控件，功能是可以退出到主程序界面。2.程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量类型TReal输出变量类型t2-DArrayofRealy2-DArrayofReal然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。num=[12.5*(2*T-1+exp(-2*T))12.5*(1-exp(-2*T)-2*T*exp(-2*T))];den=[125*T-13.5+11.5*exp(-2*T)12.5-11.5*exp(-2*T)-25*T*exp(-2*T)];sys=tf(num,den,T);t=0:0.01:3;y=step(sys);b．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成后见附录II图4。3.保存，运行运行结果如图4.16所示。图4.16采样系统运行结果4.4.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.17所示。图4.17采样系统Matlab仿真设置采样系统的采样时间T=0.03，在Matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.5采样系统校正虚拟实验4.5.1功能阐述本系统为自动控制原理中采样系统校正的虚拟实验系统，当给采样周期T一个输入值时，可以分别确定校正前、后采样系统的传递函数，由传递函数可以分别画出校正前、后采样系统的单位阶跃响应曲线。校正后采样系统的校正网络是由要求的性能指标理论推导得出。4.5.2设计过程面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.18所示，面板主要控件如下。1个Numeric控件，功能是输入未校正采样系统的采样周期；2个XYGraph控件，功能是分别显示校正前、后的单位阶跃响应曲线；1个OKButton控件，功能是可以退出到主程序界面。图4.18采样系统校正仪器面板程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量类型TReal输出变量类型t12-DArrayofRealy12-DArrayofRealt22-DArrayofRealy22-DArrayofReal然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。n1=30;d1=conv([10],[0.11]);s1=tf(n1*k1,d1);s=tf('s');s3=(1+T*s-(T^2)*(s^2))/ss4=s1*s3;sys1=feedback(s4,1);t1=0:0.01:5;y1=step(sys1);n2=[0.681];d2=[51];s2=tf(n2,d2);s5=s1*s2*s3*s3;sys2=feedback(s5,1);t2=0:0.01:2.5;y2=step(sys2);b．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成后见附录II图5。3.保存，运行运行结果如图4.19所示。图4.19采样系统矫正运行结果4.5.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.20和4.21所示。图4.20校正前采样系统的Matlab仿真图4.21校正后采样系统的Matlab仿真设置未校正采样系统的采样周期=0.03，在Matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.6频率特性虚拟实验4.6.1功能阐述本系统为自动控制原理中频率特性的虚拟实验系统，能够针对不同的传递函数，进行幅值、相位和频率的测量，并可以画出幅频特性和相频特性曲线。4.6.2设计面板1.面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.22所示，面板主要控件如下。图4.22频率特性仪器面板5个Array控件，功能是输入传递函数分子和分母参数值，输出幅值、相位和频率；2个XYGraph控件，功能是显示幅频特性曲线和相频特性曲线；1个OKButton控件，功能是可以退出到主程序界面。2.程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量类型num2-DArrayofRealden2-DArrayofReal输出变量类型mag2-DArrayofRealpha2-DArrayofRealw2-DArrayofReal然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。w=logspace(-1,1,100);figure(1)[mag,pha,w1]=bode(num,den,w);subplot(211);holdonsemilogx(w1,mag);subplot(212);holdonsemilogx(w1,pha);endsubplot(211);gridontitle('Bodeplot');xlabel('Frequency(rad/sec)');ylabel('GaindB');subplot(212);gridonxlabel('Frequency(rad/sec)');ylabel('fhasedeg');holdoffb．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成后见附录II图6。3.保存，运行运行结果如图4.23所示。图4.23频率特性运行结果4.6.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.24所示。图4.24频率特性Matlab仿真针对不同的传递函数，进行幅值、相位和频率的测量，在Matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.7系统稳定性分析虚拟实验4.7.1功能阐述本系统为自动控制原理中系统稳定性分析的虚拟实验系统，可以求出系统的闭环特征根，根据此根判定系统的稳定性，并且输出单位阶跃响应曲线进行系统稳定性的验证。4.7.2设计过程面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.25所示，面板主要控件如下。1个Array控件，功能是显示输出闭环特征根的值；1个XYGraph控件，功能是显示单位阶跃响应曲线；1个OKButton控件，功能是可以退出到主程序界面。图4.25稳定性分析的仪器面板程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输出变量。输出变量类型t2-DArrayofRealy2-DArrayofRealp2-DArrayofReal然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。n1=[251];d1=[0.510];s1=tf(n1,d1);sys=feedback(s1,1);P=sys.den{1};p=roots(P);num=[0025];den=[1425];syss=tf(num,den);t=0:0.01:3;y=step(syss,t);b．执行Functions》AllFunctions》Array》ReshapeArray操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。c.连线，完成后见附录图7。3.保存，运行运行结果如图4.26所示。图4.24系统稳定性分析的运行结果4.7.3实验子系统Matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.27所示。图4.27系统稳定性分析的Matlab仿真当输入为0和0时，系统稳定性分析在Matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.8非线性系统虚拟实验4.8.1功能阐述本系统为自动控制原理中非线性系统的虚拟实验系统，可以求出该非线性系统自振的振幅X和角频率w。4.8.2设计过程面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.28所示，面板主要控件如下。2个Numeric控件，功能是输出非线性系统的角频率和振幅；1个OKButton控件，功能是可以退出该实验。图4.28非线性系统的仪器面板程序框图设计a.执行Functions》AllFunctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLABScript操作，然后添加如下的输出变量。输出变量类型X1RealW2Real然后，将下面的MATLAB文件写入节点内。symswX;w=solve('2-w^2=0');w=vpa(w,4);w1=w(1);w2=double(w1);G=10/(j*w1*(j*w1+1)*(j*w1+2));A=real(G);X=solve('-pi*X/4=A',X);X=eval(X);X=eval(X);X1=double(X);b.连线，完成后见附录II图8。3.保存，运行运行结果如图4.29所示。图4.29非线性系统的运行结果4.8.3在Matlab中绘制系统的-1/N与G（jw）轨迹在振幅与角频率的计算过程中，用到了系统的非线性元件-1/N轨迹及线性部分的G（jw）轨迹，因此在Matlab中做了如下的编程，进行图形的绘制。M=1;forX=0.01:0.1:10x=-pi*X/4;y=0;plot(x,y,'k*')holdonendn=[00010];d=conv(conv([10],[11]),[12]);G=tf(n,d);forw=0.8:0.1:6nyquist(G,[w,w+0.1])holdonend仿真结果如图4.30所示。图4.30非线性部分-1/N与线性部分的G（jw）轨迹通过在matlab中编程得到的结果，可知非线性系统自振的振幅X和角频率w在Matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。第5章用户管理程序的设计5.1登入系统的设计本实验设计了一个简单的登入系统，其前面板设计如图5.1所示。图5.1登入系统的仪器面板其程序框图设计如附录II图10。5.2主程序的设计本毕业设计涉及到的程序比较多，在对这些程序进行操作时，如果一个个的进入退出显然很不方便。因此，设计一个程序，在其前面板上仅显示带有其它程序名称的按钮，点要操作程序的名称即可进入相应程序的界面，进入该程序进行操作后还会返回主程序的前面板，继续进行对其它程序的选择。主程序的前面板设计如图5.2所示。图5.2主程序的仪器面板在主程序的程序框图设计见附录II图9。

结论虚拟仪器技术是当今的科学技术的重要领域，也是以后在各种工程、研究、教学等方面应用非常广泛的一项重要技术。本文基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计，解决了各校在实验教学中遇到的困难。本论文涉及内容如下：①分析了“自动控制原理”中常见的实验。②应用Labview编程语言实现了包含“自动控制原理”课程常见实验的虚拟实验系统。基于虚拟仪器技术的实验教学系统减少了实验所学的硬件设备。③利用Matlab语言编程进行对比分析，进行正确性验证，实验结果显示一致。可见，Matlab的仿真精度与Labview的仿真精度一致。基于虚拟仪器的实验教学系统有如下优势：①仿真的实验界面加强了学生实验的真实感。通过设置不同的参数，学生可观察各种实验过程，分析参数的变化对实验结果的影响。②采用基于虚拟仪器代替传统实验仪器，减少了硬件设备的需求，降低了实验系统的成本。本实验系统基于Labview语言，充分利用了其灵活、开放、用软件代替仪器功能的特点，人机界面友好，学生使用方便，并且具有良好的可扩展性，不仅能方便的进行软件模拟实验，而且能够很好的与硬件实验电路相结合，进行硬件实验。将基于Labview的自动控制虚拟实验系统应用于“自动控制原理”的教学，使学生能直观的领会和理解自动控制原理课程的分析方法和处理结果，对调动学生的学习积极性以及提高学生的实验效果和实验兴趣都有相当的作用。

参考文献申焱华,王汝杰,雷振山.LabVIEW入门与提高范例教程.北京:中国铁道出版社,2006杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用(第二版).北京:电子工业出版社,2004张锐,陈励军.自动控制原理与应用.北京:国防工业出版社,2003,2李刚,林凌等.LabVIEW—易学易用的计算机图形化编程语言.北京:北京航空航天大学出版社,2001,10:8-23温红艳,高静涛.基于虚拟仪器的实验研究[J].武汉工业学院学报,2005,3:33-35刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计.北京:电子工业出版社,2001周泌,汪乐宇,陈祥献等.虚拟仪器系统软件结构的设计.计算机测量与控制,2000,8吴志锋.基于Web的虚拟仪器技术[J].西安:西安电子科技大学出版社,2001,3:41-43杨乐平,里海涛,赵勇.LabVIEW高级程序设计.北京:清华大学出版社,2001[10]史延龄.虚拟示波器的设计研究.仪表技术,2001,03李玉柏,彭启综.虚拟仪器关键技术分析，电子测量与仪器学报,2001.15,3:3-6张毅等.虚拟仪器技术分析与应用,北京:机械工业出版社,2004.周求湛,钱志鸿,刘萍萍,戴宏亮等.虚拟仪器与LabVIEW7Express程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,2004,6杨乐手,李海涛,肖相生.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2001:2-6蔡周春，缪姝妹，王辉.基于LabVIEW的自动控制原理实验系统的设计[J].工业控制计算机NationalInstrumentCorporationUsingLabVIEWtoCreatMultithreadVisforMaximunPerformanceandRelibility[L]/day.2001:10-25NationalInstruments.LabVIEWUserManual[M].Texas:NationalInstruments,2003P.P.Green.GProgrammingReferenceManual.USA:NationalInstrumentsCorporation,1998致谢毕业设计是大学期间我们经历的最后一次综合性的考核。在这次毕业设计中，我的指导老师刘清平老师对我精心指导，从毕业设计的开始到结束，刘老师时时关心我的进度，帮我理清思路，指导我的思想，让我有了学习和设计的方向。同时刘老师又在我完成设计的过程中起到了很好的督促作用，让我能尽快地完成设计任务。在软件程序的编写上老师又给我提供了很多指导和帮助。在开始阶段由于知识量的不足使我在毕业设计过程中的前期阶段遇到很多难题，刘老师又安排好了学习的相关内容、查找相关资料以及将其应用于实践的工作，使得毕业设计顺利进行。在此，对刘老师的指导和帮助表示衷心的感谢！在设计工作中当我遇到困难的时候，同学也都给我提供了很多帮助，对我毕业设计的顺利完成起到了积极的作用,在此我向他们表示谢意！附录Ⅰ系统前面板图图1一阶系统典型环节仪器面板图2二阶系统仪器面板图3系统校正仪器面板图4采样系统仪器面板图5采样系统校正仪器面板图6频率特性仪器面板图7系统稳定性分析仪器面板图8非线性系统仪器面板图9主程序仪器面板图10登入系统仪器面板

附录Ⅱ系统程序框图图1一阶系统典型环节程序框图图2二阶系统程序框图图3系统校正程序框图图4采样系统程序框图图5采样系统校正程序框图图6频率特性程序框图图7系统稳定性分析程序框图

图8非线性系统程序框图图9主程序程序框图

图10登陆系统程序框图毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程毕业论文（设计）的基本要点和见解