基于LabVIEW的自动控制原理试验系统的设计

苏州大学本科生毕业设计（论文）目录摘要........................................................2Abstract.........................................................3第一章前言..................................................4第二章虚拟仪器技术的介绍........................................52.1虚拟仪器的概述...............................................52.1.1虚拟仪器的概念.............................................52.1.2虚拟仪器的特点.............................................52.1.3虚拟仪器的构成.............................................62.1.4虚拟仪器的发展.............................................72.2虚拟仪器开发平台LabVIEW......................................82.2.1LabVIEW的概述.............................................82.2.2LabVIEW的工作原理.........................................9第三章基于虚拟仪器技术的自动控制原理实验系统的建立.............123.1自动控制原理实验系统的概述..................................123.2基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统的设计................123.2.1RLC电路传递函数模型的建立................................123.2.2二阶系统的单位阶跃响应（各种阻尼状况下）..................153.2.3二阶连续系统的多种响应曲线................................163.2.4复杂模型的组合实例........................................183.2.5系统根轨迹图绘制..........................................213.2.6阻尼系数对二阶连续系统Bode图的影响.......................223.2.7Nyquist图的绘制及稳定性判断..............................24苏州大学本科生毕业设计（论文）13.2.8系统稳定裕量计算..........................................26参考文献........................................................28致谢...........................................................29附录：..........................................................30苏州大学本科生毕业设计（论文）2基于LabVIEW的自动控制原理试验系统的设计06测控赵雷摘要本文基于NI公司的虚拟仪器软件开发环境LabVIEW，研究以图形化软件编程方法和集成开发环境来实现《自动控制原理》课程虚拟实验系统的设计的技术和方法。本文首先分析了虚拟仪器的构成、分类与应用，选择图形化软件LabVIEW作为开发环境；其次，提出基于LabVIEW的自动控制原理实验系统的方案，包括系统结构、功能和性能特性以及设计流程和方法，并逐一实现各子实验系统；最后再介绍了几个实验如何利用LabVIEW来进行制作。关键词：虚拟仪器、自动控制原理实验、Labview苏州大学本科生毕业设计（论文）3AbstractThispaperisbasedonVirtualInstrumentsoftwareLabVIEWofNICo.AndgraphicalsoftwareprogrammingintegrateddevelopmentenvironmenttoachievetheAutomaticControlTheoryVirtualexperimentsystemdesigntechnologiesandmethods.Firstly,theVirtualInstrumentisbrieflyintroducedinthepaper,includingtheform,classificationandtheapplication.ThenthegraphicsmodesoftwareLabVIEWisselectedasdevelopmentenvironment.Secondly,theprojectofexperimentsystemofautomaticcontroltheorybasedontheLabVIEWisgiven;includingsystemstructure,functionandperformancecharacteristicsaswellasthedesignprocessandmethods,thentheexperimentalsubsystemisdesignedonebyone.Finallyre-introducedanumberofexperimentsonhowtouseLabVIEWtocarryoutproduction.Keywords：virtualinstrument（VI），experimentsystemoftheprincipleofautomaticcontrol,Labview苏州大学本科生毕业设计（论文）4第一章前言仪器技术经历了模拟仪器、数字式仪器、智能仪器、叠架式仪器系统、虚拟仪器的发展历程。现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断革新的计算机技术，从各个层面上影响并引导着各行各业的技术更新，使仪器仪表在许多方面突破了传统的概念：其中最为显著地就是虚拟仪器的出现和发展，以及虚拟仪器为科学研究和社会生产提高生产率，测量精度以及系统性能方面做出的贡献。虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，以满足多样化的实际需求，用户可以用虚拟仪器来组建适合自己的任何测控系统，再也不必将自己封闭在功能固定、性能单一而且常常价格昂贵的传统仪器中。虚拟仪器系统作为一种基于计算机技术的新型仪器仪表系统，具有功能强、精度高、测量速度快、自动化程度高和良好的人机界面等诸多优点，特别是它高度的灵活性，以及标准化总线和网络化、软件化的仪器开发平台，为设计具有易用好、通用性强、较好的可维护性的过程控制系统和工业自动化系统提供了优秀的解决方案。虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物。它从根本上更新了仪器的概念，其有传统仪器无法比拟的优势，它的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向。苏州大学本科生毕业设计（论文）5第二章虚拟仪器技术的介绍2.1虚拟仪器的概述2.1.1虚拟仪器的概念虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它是全新概念的仪器，它通过软件将计算机硬件资源(如微处理器、内存、显示器)与仪器硬件资源(如A/D、D/A、I/O信号调理等)结合起来，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器的概念是适应卡式仪器发展而提出的。传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成，而卡式仪器由于自身不带仪器面板，所以必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时就象是在操作一台他自己设计的传统电子仪器。2.1.2虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点在于：(1)功能由用户自己定义；(2)可方便地同外设、网络及其它应用连接；(3)软件是关键部分；(4)价格低廉，可重复利用；(5)技术更新快；(6)基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用；(7)基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器。由其特点来看，虚拟仪器适应了现代化生产和科学研究对仪器的多品种、高精度、功能强、自动化程度高、实时性好的要求。虚拟仪器与传统仪器的最大区别是，它是由用户定义的，灵活多变的。而传统仪器是由工厂生产的，其功能和技术指标是由厂家定义好的，用户基本上处于被动操作和使用状态。虚拟仪器不仅把传统仪器的现有功能搬到了计算机显示屏上，而且还利用了计算机的计算技术和数字信号处理技术，增加了传统仪器所没有的计算机功能和分析功能。苏州大学本科生毕业设计（论文）6表2-1简单对比了虚拟仪器与传统仪器的性能比较虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低技术更新周期短（0.5—1年）软件是关键价格低开放灵活与计算机同步，可重复使用和重新配置可用网络联络周边仪器自动化，智能化，多功能，远距离传输开发和维护费用高技术更新周期长（5—10年）硬件是关键价格昂贵固定只可连有限的设备功能单一，操作不便2.1.3虚拟仪器的构成虚拟仪器主要包括三部分：数据输入部分(包括模拟量输入和数字量输入)；数据输出部分(包括模拟量输出和数字量输出)；数据处理部分(包括数据的处理控制和显示等)，有些虚拟仪器还包含有传统的仪器前两部分的实现是由插入计算机插槽的数据采集板(即所谓的DAQ卡)实现的，第三部分是由软件实现的。虚拟仪器的关键是软件。一个好的虚拟仪器开发平台应该使用户仅根据自己的专业知识，定义各种界面模式，设置检测方案或步骤，该软件平台就能完成相应的检测任务，并给出非常直观的分析结果。虚拟仪器的组成与传统仪器组成的对比图如图2-1苏州大学本科生毕业设计（论文）7图2-1虚拟仪器的组成与传统仪器组成的对比图2.1.4虚拟仪器的发展虚拟仪器技术目前在国外发展很快，从而是世纪70年代的GPIB到80年代的VXI，再到90年代出现的PCI总线，直到1997年NI公司推出了PXI测平台，目前是多种平台共存的状态。今年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，其中最具影响力的是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此之外，还有美国HP公司的HP—VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的EZ—Test和Tek—TNS软件……目前虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线，GP—IB通用接口总线，VXI总线，以及已经被PC广泛采用的USB穿行总线和IEEE13894总线。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试，测控系统。NI公司是世界上最大的虚拟仪器制造商，从NI的发展规模可以看出虚拟仪器的发展状况，世界500强企业中有85%的制造控制性企业在应用NI的产品，全世界超过5000个实验室在利用LabVIEW和虚拟仪器教学生们使用最新的测量和设计技术。苏州大学本科生毕业设计（论文）8在国内已有很多院校的实验室引入了虚拟仪器系统，进行教学及研究。此外，国内已有许多家企业在研制PC虚拟仪器。2.2虚拟仪器开发平台LabVIEW2.2.1Lab