机电控制技术第一章概述(改进版)

机电控制技术第一章概述(改进版)第一页，共94页。基于本人从事机电控制技术的教学、科研的经历，特编写本课件，以此献给广大的机电控制技术初学者，希望您能从中受益。本课件是最通俗易懂的机电控制技术课件，如果您还是看不懂，请千万不要涉足此行，以免误入歧途，耽误您的前程！为了尽量把最新的机电控制技术和应用成果收录进本课件，希望您不吝赐教，共同努力把机电控制技术的课件不断的改进和完善。第二页，共94页。一、机电系统常用综合软件LabVIEW：测量、控制软件开发工具Simulink：控制系统分析与仿真二、常用控制电机的工作原理及系统设计步进电机及控制系统：开环系统交流伺服电机及控制：闭环系统

第三页，共94页。本课程学时/学分：32/2

评定课程的成绩依据：大作业、上机第四页，共94页。LabVIEW7Express实用技术教程、中国铁道出版社、雷振山编著；MATLAB/Simulink与控制系统仿真，王正林等，电子工业出版社基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，薛定宇，清华大学出版社《国内外机电一体化技术》,中国机电一体化技术应用协会主办《机电一体化》，上海科技文献出版社主办MathWorks公司的主页()http://(中国工控网）

（中国期刊网）第五页，共94页。研制背景：轿车大型外观覆盖件的形状越来越复杂,致使拉深成形工艺的难度增加,

传统冲压工艺--恒力压边方式无法满足复杂拉深成形的高质量、高性能要求.第六页，共94页。麻省理工学院制造与生产实验室(MIT)、俄亥俄州立大学精密型制造工程研究中心、日本的东京都立大学研究和攻关开发一种用于大型覆盖件拉深成形的新型工艺方法和设备.美国的麻省理工学院第七页，共94页。应用软件采用VC编制,人机交换界面复杂.成形压制过程中，在薄板成形工件周边施加十个独立可变阻尼力伺服子系统，提高压力成形设备的加工质量第八页，共94页。承受弯扭载荷为主的结构,采用空心变截面构件,可以减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度。内高压胀形机理图第九页，共94页。增压缸测控软件第十页，共94页。1、信号采集要求：(1)实时检测膝关节内、外旋运动时的角位移信号，测量范围0～6度，测量精度不低于1％。(2)实时检测膝关节屈曲－伸直运动时的角位移信号，测量范围0～60度，测量精度不低于1％。(3)实时检测膝关节前、后运动时的直线位移信号，测量范围0～6mm，测量精度不低于1％。(4)实时检测试验台进行膝关节内、外旋运动时的力矩信号，测量范围－30Nm～+30Nm，测量精度不低于1％。(5)实时检测试验台进行膝关节前、后运动时的力信号，测量范围－30N～+30N，测量精度不低于1％。(6)实时检测膝关节纵向分离和挤压运动时的力信号，测量范围0N～+3000N，测量精度不低于2％。第十一页，共94页。2、控制要求：(1)根据力加载设定曲线，通过电动伺服系统控制膝关节作纵向分离和挤压运动，动杆位移<10mm，控制力的最大值不小于3KN，精度（稳态或低频时）不大于±1%幅值。(2)膝关节作纵向分离和挤压运动时，通过控制齿轮同步带机构的电机的起停保持与关节其他运动的同步3.数据处理要求：(1)力、力矩、角位移和位移的实测数据进行转换后以动态、静态曲线在显示屏上显示。(2)测试数据进行数据文件形式存档，可供用户调用和进一步处理。第十二页，共94页。第十三页，共94页。实现对人足关节的仿生模拟，并对于其运动学（如关节的角度，速度，加速度等）和力学特性（力，压力，扭矩等）进行测控与分析。多轴联动电伺服系统，实时性强。第十四页，共94页。测试行进、转向、联动的驱动性能第十五页，共94页。6套行进扭矩加载单元4套转向扭矩加载单元4套转向跟随单元加载台测控程序单元第十六页，共94页。主要功能：实时监测测试数据回放历史曲线故障报警登录配置各通道参数用户管理普通操作人员管理员拥有所有权限保存测试数据六轮车加载控制系统功能图测试六轮轮压行进扭矩加载转向扭矩加载联动加载第十七页，共94页。人机界面和系统状态文件配置硬件配置数据处理异常报警数据存储数据查询文件I/O硬件驱动库文件顶层：逻辑层：驱动层：上位机程序结构第十八页，共94页。参数设置第十九页，共94页。

ABS在汽车制动过程中，可自动调节各车轮制动压力的大小，防止车轮抱死，从而有效改善制动性能，提高制动减速度，缩短制动距离，有效提高汽车制动时的方向稳定性和正常转向能力，防止侧滑和甩尾。第二十页，共94页。第二十一页，共94页。第二十二页，共94页。第二十三页，共94页。第二十四页，共94页。第二十五页，共94页。第二十六页，共94页。第二十七页，共94页。第1章、LabVIEW概述第2章、LabVIEW的程序结构第3章、LabVIEW的数据结构第4章、基于LabVIEW的数据采集系统第5章、通信编程及控制动态控制第二十八页，共94页。1、LabVIEW7Express实用技术教程、中国铁道出版社、雷振山编著；2、我和LabVIEW、北京航空航天大学出版社、阮奇桢（一个NI工程师十年的编程经验）编著；3、美国国家仪器公司（NationalInstruments,简称NI）

第二十九页，共94页。1.1虚拟仪器的基本概念1.2LabVIEW特点1.3LabVIEW的运行机制1.4LabVIEW的模板1.5LabVIEW用户程序的调试与举例第三十页，共94页。

仪器仪表技术的发展经历

第一代仪器——基地式仪表（变送、调节、指示记录合为一）;第二代仪器——分立元件式模拟仪表（单元组合仪表）;第三代仪器——数字式仪器;第四代仪器——智能化仪器;

第三十一页，共94页。虚拟仪器是基于计算机的仪器。利用计算机显示器(CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器中硬件仅仅是解决信号的输入／输出的方法和软件赖以生存、运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心构件第三十二页，共94页。①在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。②仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。③仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。④研制周期较传统仪器大为缩短。⑤虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。第三十三页，共94页。计算机、模块化功能硬件和软件（应用程序、I/O接口仪器驱动程序）三大部分组成。

第三十四页，共94页。多种虚拟仪器（自动测量系统）的软件开发工具：

文本式编程语言：如C、VisualC＋＋.NET、VisualBasic.NET、Labwindows/CVI等。

图形化编程语言：如NI公司的LabVIEW、HP公司的VEE(VisualEngineeringEnvironment)、CapitalEquipment公司的Testpoint2.0和HEM公司的Snap-Master等。第三十五页，共94页。第三十六页，共94页。①图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码。

LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序②提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。③既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行。第三十七页，共94页。④32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，产生独立运行的可执行文件，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux等的多种版本。⑤囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS–232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。⑥提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如DLLs(动态连接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。⑦强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。第三十八页，共94页。LabVIEW应用程序的构成LabVIEW操作窗口LabVIEW主菜单栏及快捷工具栏第三十九页，共94页。LabVIEW应用程序以.VI后缀。VI包括三部分：（1）前面板（frontpanel）（2）框图或流程图程序（blockdiagram）（3）图标/连结器(icon/connector)。第四十页，共94页。

前面板用于设置输入量和观察输出量。它模拟真实仪器的前面板。输入量被称为控制（control），常见的控制有开关、旋钮等，用户可通过控件向VI中设置输入参数等；输出量被称为指示器（indicator），常见的指示器有图形、图表等。VI通过指示器向用户提示状态或输出数据等。前面板中的控制和指示器统称为前面板对象或控件。第四十一页，共94页。前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板；虚拟温度测量仪的前面板第四十二页，共94页。

虚拟温度记录仪前面板指示器（输出）

控制（输入）第四十三页，共94页。第四十四页，共94页。

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线四种元素构成。

(1)端口:

框图程序与前面板的控制件和指示器间传递数据的起点与终点；

(2)节点：实现程序功能的基本单元；它具有输入和输出端口；

(3)图框：实现结构化程序控制命令；

(4)连线：代表程序执行过程中的数据传输的通道，定义了框图内的数据流动方向。第四十五页，共94页。流程图的功能等效于传统测试仪器与前面板相联系的硬件电路。虚拟温度测量仪的框图程序第四十六页，共94页。虚拟温度记录仪流程图第四十七页，共94页。第四十八页，共94页。第四十九页，共94页。

LabVIEW有三类端口：前面板对象端口、全局与局部变量端口和常量端口。

对象端口：是数据在框图程序部分和前面板之间传输的接口。一个VI的前面板上的对象在框图中有一个对象端口与之对应。

控制对象对应的端口在框图中是用粗框，它只能在VI程序框图中作为数据流源点。

显示对象对应的端口在框图中是用细框。它只能在VI程序框图中作为数据流终点。第五十页，共94页。局部变量：在一个VI内部，当需要在程序框图中多个节点访问（写入、读出数据）同一个前面板对象时，可采用局部变量进行内部数据传输，解决连线复杂的问题。全局变量：用于在不同的程序（程序可以是并行、或主程序和子程序）之间传递数据。常量端口它永远只能在VI程序框图中作为数据流源点。第五十一页，共94页。

节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW有二种节点类型----函数节点和子VI节点。两者的区别在于：函数节点是LabVIEW以编译好了的机器代码供用户使用的，而子VI节点是以图形语言形式提供给用户的。用户可以访问和修改任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。(3)图框图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。如循环控制、条件分支控制和顺序控制等。第五十二页，共94页。

连线是端口间的数据通道。数据是单向流动的，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。数据类型还以不同的颜色予以强调。常用数据类型所对应的线型和颜色：第五十三页，共94页。

创建一个子VI，需先为子VI创建连接器和图标。图标表示在其它程序中被调用的节点表现形式；而连接器则表示图标的输入/输出口。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。虚拟温度测量仪的图标和连接器连接器图标第五十四页，共94页。

设计一个虚拟仪器是在两个窗口中进行。

前面板开发窗口

流程图编辑窗口第五十五页，共94页。全控制模板形式快速模板形式第五十六页，共94页。第五十七页，共94页。基于模板打开一个新VI第五十八页，共94页。主菜单栏(六个子菜单)简介

①File子菜单：新建(New)、打开(Open)、保存(Save)、打印(Print)，关闭(Close)VI②Edit子菜单：将文本式编程语言中常用的Cut、Copy、Paste、Delete功能用于LabVIEW中的图标及控件的操作。③Operate子菜单：该子菜单主要选项有Run、RunContinuously、Pause、AbortExecution、HighlightExecution，用于调试或运行LabVIEW程序。第五十九页，共94页。④Project子菜单：该子菜单选项主要有：ShowVIHierarchy：显示VI的流程图中所调用的子VI。：用于调用Windows下的应用程序。InstrumentWizard：与LabVIEW主对话框中SolutionWizard的内容相同。⑤Windows子菜单：子菜单选项用于弹出Diagram(流程图)编辑窗口、Panel(前面板)设计窗口、ToolsPalette(工具模板)、Functions(功能)模板和Controls(控制)模板。

⑥Help子菜单：子菜单选项用于各项分类帮助。第六十页，共94页。前面板窗口框图程序窗口整理程序框图保存连线值第六十一页，共94页。LabVIEW工具模板LabVIEW控制模板LabVIEW功能模板第六十二页，共94页。前面板开发窗口所需的各种“控制件”均由控制模板提供。前面板的设计制作过程就是利用工具模板中的相应工具，从控制模板中取出所需的“控制件”并摆放在前面板开发窗口中的合适位置。流程图编辑窗口设计VI的流程图时，所需的各种“功能函数”(包括各种数学运算函数、信号分析函数、仪器驱动函数等等)均由功能模板提供。设计者利用工具模板中的合适工具，从功能模板中取出对应的“图标”放置在流程图编辑窗口中，再用“连线”将它们组合成流程图。第六十三页，共94页。

工具模板提供了用于操作、编辑前面板和流程图上对象的各种工具。若想选用某操作工具，只需用鼠标点击该工具图标即可。

第六十四页，共94页。

操作工具(OperateValue)：使用该工具来操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成它是一个操作数值的工具。将操作工具移动到某处，鼠标点击后，就可在操作工具所在位置处键入数字。

选择工具(Position/Size/Select)：用于选择、移动对象或改变对象的大小。Position：用它来选择对象放置的位置。点击对象，拖放到合适的位置。Size：用于改变对象的外框大小。点击边框拖放至合适的大小。Select：用于选择控制模板中的子模板、控件；功能模板中的子模板、图标；各级对话框菜单的选项等。方法是：用鼠标点击对象，拖放至窗口中合适位置。

第六十五页，共94页。

控制模板的4种形式第六十六页，共94页。数字式控件滑动式控件旋转式和表盘式控件色彩类控件

数字子模板第六十七页，共94页。数组、矩阵和类子模板数组簇实数矩阵复数矩阵错误输入3D错误输出3D第六十八页，共94页。LabVIEW的图形子模板第六十九页，共94页。（1）快捷菜单：单击鼠标右键弹出可以对控件的外观、类型和功能进行设置的快捷菜单；（2）属性对话框：外观设置appearance数据范围设置datarange刻度设置scale数据格式与精度设置Formatandprecision第七十页，共94页。

传统仪器上的各种测试功能、信号分析、文件操作以及I/O(输入/输出)接口设备的驱动做成可供直接调用的库函数。各个库函数做成图标的形式存放在相应功能的子模板上。第七十一页，共94页。

功能(Functions)子模板功能模板上各子模板所提供的功能:

结构(Structures)子模板：提供程序控制结构命令，例如循环控制(For结构、While结构)，以及全局变量和局部变量。

数据运算(Numeric)子模板：提供各种常用的数值运算符，如+、–等；各种常见的数值运算式，如+1、–1运算；还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。

布尔逻辑(Boolean)子模板：提供各种逻辑运算符以及布尔常数字符串运算(String)子模板：提供各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数以及字符(串)常数等。第七十二页，共94页。数组(Array)子模板：提供数组运算函数、数组转换函数以及常数数组等。

类(Cluster)子模板：提供类的处理函数以及类常数等。这里的类相当于C语言中的结构。

比较(Comparison)子模板：提供各种比较运算函数，如大于、小于、等于。

时间和对话框(Time&Dialog)子模板：提供对话框窗口、时间和出错处理函数等。

文件输入/输出()子模板：提供处理文件输入/输出的程序和函数，主要用于创建和打开数据文件，并进行数据的读写

第七十三页，共94页。

数据采集(DataAcquisition)子模板：提供LabVIEW支持的数据采集卡的驱动程序。

信号处理(SignalProcessing)子模板：提供在时域、频域以及复频域进行信号发生与分析处理的功能函数。

数学运算(Mathematics)子模块：提供统计、曲线拟合、公式框节点等功能函数，以及数值微分、积分等功能函数。

图形与声音(Graphics&Sound)子模块：提供绘制2D及3D图形、声音播放等功能函数。

通信(Communication)子模板：提供按TCP、DDE、ActiveX和OLE协议进行通信的功能函数。

应用程序控制(ApplicationControl)子模块：提供动态调用VI的功能函数，可以同时打开多个VI的前面板窗口并同时运行；还提供将用不同语言编写的EXE可执行程序进行接口的功能函数。第七十四页，共94页。底层接口(Advanced)子模块：提供调用动态链接库和CIN(CodeInterfaceNode)的功能函数。LabVIEW是一种图形化编程语言，它的软件编程功能是有限的，可以通过本子模块来调用Windows以及各种文本式语言里面的函数，来实现LabVIEW不便实现或不能实现的软件功能。

文档生成(ReportGeneration)子模板：提供生成报表样式及规格的功能函数。

用户自定义的子VI模板：用来存放用户自行设计的图标。该图标用于用户自行设计VI。

选择…VI子程序(SelectaVI…)子模板：用来调用一个子VI，并把该子VI插入当前VI的流程图中第七十五页，共94页。程序调试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将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。2.设置执行程序高亮点击LabVIEW的工具条上灯泡按钮使该按钮图标变成高亮形式，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。第七十六页，共94页。在单步执行VI时，如某些节点发生闪烁，表示这些节点已准备就绪，可以执行。如VI包含MathScript节点，脚本行旁的蓝色箭头闪烁，表示准备就绪，可以执行。如单步执行VI同时高亮显示执行过程，则执行符号将出现在当前运行的子VI的图标上。第七十七页，共94页。作用：断点工具用于在VI、节点、连线或MathScript的代码行上放置断点，暂停执行.结构断点节点断点连线断点脚本断点第七十八页，共94页。程序执行到一个断点时，VI将暂停执行，同时暂停按钮显示为红色。VI的背景和边框开始闪烁。可进行下列操作：用单步执行按钮单步执行程序。查看连线上在VI运行前事先放置的探针的实时值。如启用了保存连线值选项，则可在VI运行结束后，查看连线上探针的实时值。改变前面板控件的值。单击暂停按钮可继续运行到下一个断点处或直到VI运行结束。第七十九页，共94页。作用：探针工具可用来来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。或MathScript节点中脚本的数据。探针类型：通用探针、控件选板上的显示控件、内置探针、自定义内置探针创建探针方法：从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左键点击所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框图窗口的上面。在框图中在连线上点击鼠标右键，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。第八十页，共94页。例1：创建一个模拟温度测量的VI程序，用摄氏（C）温度或华氏（F）温度显示。假设传感器输出电压与温度成正比。例如当温度为70°F时，传感器输出电压为0.7V。用软件代替DAQ数据采集卡，即：使用DemoReadVoltage子程序来仿真电压测量，然后把所测得的电压值转换成摄氏或华氏温度读数。第八十一页，共94页。前面板框图程序摄氏华氏第八十二页，共94页。

创图标可以将现程序作为子程序供在其他程序中调用。创建方法：在前面板窗口的右上角的图标框中点击鼠标右键，从弹出菜单中选择EditIcon功能。

用画图工具画出温度计的图标。使用文本工具写入文字，双击文本工具把字体换成SmallFont。c.当图标创建完成后，点击OK以关闭图标编辑。生成的图标在面板窗口的右上角。第八十三页，共94页。a.点击右上角的图标面板，从弹出菜单中选择ShowConnector功能。LabVIEW将会根据控制和显示的数量选择一种联接器端口模式。在本例中，只有两个端口，一是竖直开关，另一个是温度指示。b.把联接器端口定义给开关和温度指示。使用连线工具，在左边的联接器端口框内按鼠标键，则端口将会变黑。再点击开关控制件，一个闪烁的虚线框将包围住该开关。点击右边的联接器端口框，使它变黑。再点击温度指示部件，一个闪烁的虚线框将包围住温度指示部件，这即表示着右边的联接器端口对应温度指示部件的数据输入。第八十四页，共94页。c.用文件菜单的SAVE功能保存上述文件，并将文件命名为VD1.Vi。任意一个VI程序的框图窗口里，都可以把VD1.Vi程序作为子程序调用，用户使用功能模板的SelectaVI来完成。在其它程序的框图窗口里，该温度计程序用前面创建的图标来表示。联接器端口的输入端用于选择温度单位，输出端用于输出温度值。第八十五页，共94页。

创建一个VI程序，进行温度测量，并把结果在波形图表上显示。该VI程序使用我们前面创建的温度计程序作为子程序。第八十六页，共94页。1.打开一个新的前面板窗口，在里面放一个竖直开关（在Boolean逻辑部件子模板），给该开关标注为“Enable”。可以用该开关来开始/停止数据采集。2.在前面板内再放置一个趋势图（Graph子模板中的WaveformChart），标注为“温度历史趋势”。该图表将实时地显示温度值。3.因为趋势图用于显示室内温度,需要对它的标尺进行重新定标。将Y轴的“10”改为“90”，而将“0.0”改为“20”。第八十七页，共94页。1.打开框图程序窗口。2.从结构（Structures）工具模板选择条件循环结构“WhileLoop”放入框图程序窗口，调整该条件循环框的大小，把先前从前面板创建的两个节点放入循环框内。3.放入ThermometerVI，这个VI程序是在上个举例中创建的(从SelectaVI…子模板)。4.按照上图的框图程序连好线。条件循环结构是一种无限循环结构，只要条件满足，它就一直循环运行下去。在本例中，只要允许开关（EnableSwitch）是ON状态，该VI程序就一直运行，采集温度测量值，并在图表上显示。第八十八页，共94页。5