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1、基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计院 系 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 负责教师 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：虚拟仪器；Labview；自动控制实验；MatlabAbstractOn the basis of problems encountered in actua
2、l experiment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of experiment teaching revolution,a new kind of automatic control theory virtual experiment system based on Labview is advanced.Strong-point and weadness of common virtual experiment systems at present are analyzed and a virt
3、ual experiment system including common experiments in Automatic Control Theory is compleleted successfully using Labview equivalently.In addition,proposal for hardware experiment expansion is put forwand.At last,Matlab programming is used for comparison and accuracy certification.Keywords: virtual i
4、nstrument;Labview;automatic control experiment;Matlab目 录第1章 绪论11.1背景11.2课题的目的与意义21.3 Labview的介绍2第2章 设计原理42.1一阶系统典型环节虚拟实验系统设计原理42.1.1数学模型的建立42.1.2单位阶跃响应42.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统设计原理52.2.1数学模型的建立52.2.2单位阶跃响应52.2.3动态性能指标计算72.3系统校正虚拟实验系统设计原理72.3.1未校正系统的性能指标计算72.3.2校正系统的确定82.4采样系统虚拟实验系统设计原理82.4.1“采样保持器”组件82.4.2
5、数学模型的建立92.5采样系统校正虚拟实验系统设计原理92.6频率特性虚拟实验系统设计原理102.7系统稳定性分析虚拟实验系统设计原理112.7.1用特征方程的根判定系统稳定性112.7.2绘制系统的单位阶跃响应曲线验证系统的稳定性112.8非线性系统虚拟实验系统设计原理122.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图122.8.2振幅与角频率的计算12第3章 程序方案设计133.1总体设计133.2基于Labview的虚拟实验系统设计133.3用户管理程序设计14第4章 基于Labview的虚拟实验系统设计164.1一阶系统典型环节虚拟实验系统164.1.1功能描述164.1.2设计步骤164.
6、1.3 实验子系统Matlab的仿真和正确性验证184.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统184.2.1功能描述184.2.2设计步骤184.2.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证214.3系统校正虚拟实验系统234.3.1功能描述234.3.2设计步骤234.3.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证254.4采样系统虚拟实验系统264.4.1功能描述264.4.2设计步骤264.4.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证284.5采样系统校正虚拟实验系统294.5.1功能描述294.5.2设计步骤294.5.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证314.6频率特性虚拟实验系
7、统324.6.1功能描述324.6.2设计步骤324.6.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证344.7系统稳定性分析虚拟实验系统354.7.1功能描述354.7.2设计步骤354.7.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证374.8非线性系统虚拟实验系统374.8.1功能描述374.8.2设计步骤384.8.3在Matlab中绘制系统的-1/N与G（jw）轨迹40第5章 用户管理程序的设计415.1 登陆系统的设计415.2 主程序的设计425.3 输出报表的设计43结论45社会经济效益分析46参考文献47致谢48附录 系统前面板图49附录 系统程序框图59-40-第1章 绪论随着
8、教育规模的不断增长和高等教育课程教学内容的更新，许多院校实验室的仪器设备由于数量不够、功能落后，无法满足开放性和设计性实验教学的需要，作为未来仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器技术克服了传统仪器功能单一、无法灵活配置的缺点。本文设计的虚拟实验系统具有实验界面简单，参数改变方便等特点。1.1背景“自动控制原理”是工业自动化专业一门重要的专业基础课，要求学生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。自动控制课程中，实验是一种重要的教学手段，学生通过做实验，可以加深对所学知识的理解，提高动手能力，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。但是目前自动控制实验教学存在一系列问
9、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。首先提出了基于Matlab的虚拟实验系统，用软件模拟了实际硬件的全部功能。解决了目前自动控制实验中的一些问题，并在一定程度上提高了目前“自动控制原理”教学效果。但是，由于Matlab的局限性，这些虚拟实验系统仅限于软件模拟，这样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软件模拟往往需要学生对其有一定的熟悉和了解，这对低年级的学生来说比较困难。所以，试验效果并不很理想。随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展，采用NI
10、公司的Labview编程语言，开发出基于Labview虚拟实验系统，结合第三方公司提供的数据采集卡，对虚拟实验系统稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验，又能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，可以显著提高教学效果和实验效果。虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点。通过课堂上的模拟实验，可以更好的帮助学生理解、消化、吸收所学内容，重点解决教学及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或C+开发环境一样，也是一种程序语言开发环境，但与现有的计算机高级语言不同的是，Labview采用图形化编程语言G语言，产生块状的程序。Labview是一种
11、通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。Labview也有完善的仿真、调试工具，如设置断电、单步等。Labview的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观测程序中数据及其变化情况，比起其它语言的开发环境更方便、更有效。Labview程序又称虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但Labview程序容易改变设置和功能。因此Labview特别适用于实验室、多种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。但是，对于一些需要进行大量数据运算处理
12、的复杂应用，Labview显得有些力不从心。而Matlab是MathWorks公司开发的“演算纸”式的程序设计语言，它提供了强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高，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和Matlab的优点，在Labview中调用和操作Matlab可实现Labview和Matlab的混合编程，充分发挥两者的优势。本设计正是采用了Labview和Matlab混合编程思想，通过在Labview中调用和操作Matlab来设计自动控制原理中常见实验的虚拟实验系统。利用一套数据采集硬件设备，通过不同的软件编程，就可以实现多个仪器的功能。采用虚拟仪器技术
13、，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。在很大程度上，虚拟仪器可以代替真实仪器进行实验教学。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Labview是一种基于图形的集成化程序开发环境，实现了虚拟仪器的概念，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的
14、图形化编程软件，强调了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。Labview是一种结构化解释型开发平台。结构化是指Labview的程序完全支持顺序结构、循环结构和条件结构3种标准结构。同时又是由模块化的形式组成的，它的每一个子程序都称为一个VI，子程序之间可以互相调用。所谓解释型是指用Labview开发的软件无法在Windods操作系统下直接运行，所以软件必须在Labview的平台支持下运行，也就是说Labview不能生成真正的可执行文件。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试
15、需求，但是这些不同设备之间的连接和集成总需耗费大量时间，并不是轻易可以完成的。虚拟仪器软件平台为大部分I/0设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。虚拟仪器改变了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。系统的功能、规模等可以根据用户的需要，通过软件的修改、增减，方便地同外设、网络及其它应用连接，为虚拟仪器加入新的测量功能，故虚拟仪器可作为许多仪器设备来使用。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
