《基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计.doc（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计小4号楷体，固定行距22pt学生姓名：熊汉鑫 班级：090432指导老师：刘清平摘要：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 小4号黑体 指导老师签名：Automatic control theory virtual e
2、xperiment based on LabVIEW System design Student name :xionghanxin Class: 090432Supervisor: liuqinpingAbstract:On the basis of problems encountered in actual experiment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of experiment teaching revolution,a new kind of automatic control the
3、ory virtual experiment system based on Labview is advanced.Strong-point and weadness of common virtual experiment systems at present are analyzed and a virtual experiment system including common experiments in Automatic Control Theory is compleleted successfully using Labview equivalently.In additio
4、n,proposal for hardware experiment expansion is put forwand.At last,Matlab programming is used for comparison and accuracy certification.Keywords:Labview;automatic control experiment;MatlabSignature of Supervisor:目 录第1章 绪论(1)1.1 背景(1)1.2 课题的目的与意义(1)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(
5、4)2.1.1数学模型的介绍(4)2.1.2单位阶跃响应概括(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数学模型的介绍(5)2.2.2单位阶跃响应慨括(5)2.2.3动态性能(6)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(7)2.3.2校正系统的确定(7)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数学模型的介绍(8)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(10)2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性(10)2
6、.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(11)2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图(11)2.8.2振幅与角频率的计算(11)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(16)4.1.1功能阐述(16)4.1.2设计过程(16)4.1.3 实验子系统Matlab的仿真(17)4.2 二阶系统瞬态响应虚拟实验(18)4.2.1功能阐述(18)4.2.2设计过程(
7、18)4.2.3实验子系统Matlab的仿真(21)4.3 系统校正虚拟实验(22)4.3.1功能阐述(22)4.3.2设计过程(23)4.3.3实验子系统Matlab的仿真(25)4.4 采样系统虚拟实验(26)4.4.1功能阐述(26)4.4.2设计过程(26)4.4.3实验子系统Matlab的仿真(28)4.5 采样系统校正虚拟实验(29)4.5.1功能阐述(29)4.5.2设计过程(29)4.5.3实验子系统Matlab的仿真(31)4.6 频率特性虚拟实验(32)4.6.1功能阐述(32)4.6.2设计过程(32)4.6.3实验子系统Matlab的仿真(34)4.7 系统稳定性分析虚
8、拟实验(34)4.7.1功能阐述(34)4.7.2设计过程(35)4.7.3实验子系统Matlab的仿真(36)4.8 非线性系统虚拟实验(37)4.8.1功能阐述(37)4.8.2设计过程(37)4.8.3在Matlab中绘制系统的-1/N与G（jw）轨迹(39)第5章 用户管理程序的设计(41)5.1 登入系统的设计(41)5.2 主程序的设计(41)结论(43)参考文献(44)致谢(45)附录 系统前面板图(46)附录 系统程序框图(52)-47-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
9、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
10、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M
11、atlab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
12、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(Virtual 1nstrumentation software Architecture)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
13、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
14、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
15、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。1.3 Labview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（Lboratory Virtual
