基于labview的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于LabVIEW的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生姓名：熊漢鑫 班級(jí)：090432</p><p><b>　　指導(dǎo)老師：劉清平</b></p><p>　　摘要：根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中遇到的困難和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，本文提出了建立基于Labview的自

2、動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。文中分析了目前常見的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相應(yīng)的應(yīng)用Labview編程語言實(shí)現(xiàn)了包含“自動(dòng)控制原理”課程常見實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最后，利用Matlab語言編程進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行正確性驗(yàn)證。</p><p>　　關(guān)鍵詞：Labview；自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)；Matlab</p><p><b>　　指導(dǎo)老師簽名：</b></p><p>

3、　　Automatic control theory virtual experiment based on LabVIEW System design</p><p>　　Student name :xionghanxin Class: 090432</p><p>　　Supervisor: liuqinping</p><p>　　Abstrac

4、t: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 theory virtual experiment system

5、 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

6、 successfully using Labview equivalently.In addition,</p><p>　　Keywords:Labview;automatic control experiment;Matlab</p><p>　　Signature of Supervisor:</p><p><b>　　目 錄</b>

7、;</p><p>　　第1章 緒論(1)</p><p>　　1.1 背景(1)</p><p>　　1.2 課題的目的與意義(1)</p><p>　　1.3 Labview的介紹(2)</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)原理(4)</p><p>　　2.1 一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)

8、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(4)</p><p>　　2.1.1數(shù)學(xué)模型的介紹(4)</p><p>　　2.1.2單位階躍響應(yīng)概括(4)</p><p>　　2.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(5)</p><p>　　2.2.1數(shù)學(xué)模型的介紹(5)</p><p>　　2.2.2單位階躍響應(yīng)慨括(5

9、)</p><p>　　2.2.3動(dòng)態(tài)性能(6)</p><p>　　2.3 系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(7)</p><p>　　2.3.1未校正系統(tǒng)的性能(7)</p><p>　　2.3.2校正系統(tǒng)的確定(7)</p><p>　　2.4 采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(8)</p>&l

10、t;p>　　2.4.1“采樣—保持器”組件(8)</p><p>　　2.4.2數(shù)學(xué)模型的介紹(8)</p><p>　　2.5 采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(9)</p><p>　　2.6 頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(10)</p><p>　　2.7 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(10)</p>

11、<p>　　2.7.1用特征方程的根判定系統(tǒng)穩(wěn)定性(10)</p><p>　　2.7.2繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性(11)</p><p>　　2.8 非線性系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(11)</p><p>　　2.8.1繼電型非線性三階系統(tǒng)原理方框圖(11)</p><p>　　2.8.2振幅與角頻率的

12、計(jì)算(11)</p><p>　　第3章 程序方案設(shè)計(jì)(13)</p><p>　　3.1總體設(shè)計(jì)(13)</p><p>　　3.2 基于Labview的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(13)</p><p>　　3.3 用戶管理程序設(shè)計(jì)(14)</p><p>　　第4章 基于Labview的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1

13、6)</p><p>　　4.1 一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)(16)</p><p>　　4.1.1功能闡述(16)</p><p>　　4.1.2設(shè)計(jì)過程(16)</p><p>　　4.1.3 實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(17)</p><p>　　4.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)(18)</p&g

14、t;<p>　　4.2.1功能闡述(18)</p><p>　　4.2.2設(shè)計(jì)過程(18)</p><p>　　4.2.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(21)</p><p>　　4.3 系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)(22)</p><p>　　4.3.1功能闡述(22)</p><p>　　4.3.2設(shè)計(jì)

15、過程(23)</p><p>　　4.3.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(25)</p><p>　　4.4 采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)(26)</p><p>　　4.4.1功能闡述(26)</p><p>　　4.4.2設(shè)計(jì)過程(26)</p><p>　　4.4.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(28)</

16、p><p>　　4.5 采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)(29)</p><p>　　4.5.1功能闡述(29)</p><p>　　4.5.2設(shè)計(jì)過程(29)</p><p>　　4.5.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(31)</p><p>　　4.6 頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)(32)</p><p>　

17、　4.6.1功能闡述(32)</p><p>　　4.6.2設(shè)計(jì)過程(32)</p><p>　　4.6.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(34)</p><p>　　4.7 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實(shí)驗(yàn)(34)</p><p>　　4.7.1功能闡述(34)</p><p>　　4.7.2設(shè)計(jì)過程(35)<

18、/p><p>　　4.7.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真(36)</p><p>　　4.8 非線性系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)(37)</p><p>　　4.8.1功能闡述(37)</p><p>　　4.8.2設(shè)計(jì)過程(37)</p><p>　　4.8.3在Matlab中繪制系統(tǒng)的-1/N與G（jw）軌跡(39)<

19、/p><p>　　第5章 用戶管理程序的設(shè)計(jì)(41)</p><p>　　5.1 登入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(41)</p><p>　　5.2 主程序的設(shè)計(jì)(41)</p><p><b>　　結(jié)論(43)</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)(44)</b></

20、p><p><b>　　致謝(45)</b></p><p>　　附錄Ⅰ 系統(tǒng)前面板圖(46)</p><p>　　附錄Ⅱ 系統(tǒng)程序框圖(52)</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　虛擬技術(shù)的發(fā)展使虛擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的分析設(shè)計(jì)過程得以在計(jì)算機(jī)上輕

21、松、準(zhǔn)確、快捷地完成。這樣，一方面克服了實(shí)驗(yàn)室在元器件和規(guī)格上的限制，避免了損壞儀器等不利因素，另一方面使得實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及空間的限制，從而促進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化。本文介紹了基于LabVIEW的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)具有參數(shù)調(diào)節(jié)方便、易實(shí)現(xiàn)、可靠度高等優(yōu)點(diǎn)。在高等工程教育中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以從根本上解決實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺問題。作為傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，使學(xué)生初步掌握仿真軟件技術(shù)，可使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密聯(lián)系課本內(nèi)容，比較全

22、面地概括和反映部分所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，將課堂內(nèi)容具體化。</p><p><b>　　1.1背景</b></p><p>　　“自動(dòng)控制原理”一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生需要掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)和調(diào)試工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)中，最好的方法是調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而發(fā)揮高度的主觀能動(dòng)。學(xué)生對(duì)課文中的理論學(xué)習(xí)缺乏主觀積極性和學(xué)習(xí)興趣，而實(shí)踐教學(xué)過程中

23、能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極參與意識(shí)和表現(xiàn)意識(shí)，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的最好方法，而理論又是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的最好依據(jù)。實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的程中使學(xué)生形象生動(dòng)地掌握了原來枯唱無味的理論知識(shí)，又創(chuàng)造了實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，從而最大限度的發(fā)揮了良好的學(xué)習(xí)興趣。但是目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列問題，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場地?cái)?shù)量有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化嚴(yán)重以及嚴(yán)重缺乏實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師等，因此各種虛擬實(shí)驗(yàn)方法相繼提出。</p><p>　　對(duì)于此問題首先提出了基于

24、Matlab的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它能比較好的解決目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中的一些問題，并在提高了目前“自動(dòng)控制原理”教學(xué)效果。但是，由于Matlab的局限性，不能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和硬件調(diào)試能力，并且軟件模擬實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的印象并不如硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)菢由羁?。另外，由于Matlab軟件模需要學(xué)生對(duì)其有一定的熟悉和了解，對(duì)于初學(xué)者來說比較困難。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用NI公司的Labview的語言系統(tǒng)，開發(fā)出基于L

25、abview虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合第三方公司的數(shù)據(jù)采集卡，從而實(shí)現(xiàn)在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并且結(jié)合學(xué)校原有的硬件電路設(shè)備進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，達(dá)到顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。</p><p>　　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互式式接口和良好的界面的特點(diǎn)。可以完成模擬實(shí)驗(yàn)，以便更好的幫助學(xué)生理解、消化、吸收學(xué)習(xí)內(nèi)容，重點(diǎn)解決教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中的一些難點(diǎn)問題。</p><p>　　1.2課題的目的與意義&l

26、t;/p><p>　　Labview像C和C++開發(fā)環(huán)境一樣，是一種程序語言開發(fā)環(huán)境，但與現(xiàn)有的Labview采用圖形化編程語言—G語言，產(chǎn)生塊狀的程序。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。VISA(Virtual 1nstrumentation software Architecture)虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個(gè)I/0

27、函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者來說是一個(gè)個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集。儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來

28、完成自動(dòng)測試任務(wù)。</p><p>　　而Matlab是“演算紙”式的程序設(shè)計(jì)語言，幾乎在所有的工程計(jì)算領(lǐng)域都提供了準(zhǔn)確、高效的工具箱。 </p><p>　　鑒于Labview可以通過調(diào)用控件，實(shí)現(xiàn)Labview與Matlab的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)正是采用Labview和Matlab的混合編程思想，通過控件調(diào)用和操作來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制原理中常見實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。<

29、;/p><p>　　通過不同的軟件編程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)儀器的功能。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺(tái)，以在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。虛擬儀器用戶可以才艮據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，通過不同功能模塊的組合可構(gòu)成多種儀器，而不必受限于儀器廠商提供的特定功能。虛擬儀器將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數(shù)據(jù)

30、、分析的結(jié)果和控制過程。這種對(duì)關(guān)鍵部分的轉(zhuǎn)移進(jìn)一步增加了虛擬儀器的靈活性。使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。虛擬儀器價(jià)格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。通過采用虛擬儀器技術(shù)，不僅大大節(jié)約經(jīng)費(fèi)，還可以有效提高實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平，為大學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器建設(shè)提供了一條新可行的途徑。虛擬儀器具有仿真的用戶面板，學(xué)生通過操作虛擬面板就可學(xué)習(xí)和掌握儀器原理、功能與操作。虛擬儀器采集的是

31、現(xiàn)場真實(shí)的物理數(shù)據(jù)，可通過與其它儀器、電路的相互配合，完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)不必?fù)?dān)心弄壞儀器，可以極大地提高學(xué)生</p><p>　　1.3 Labview的介紹</p><p>　　虛擬儀器研究的另一個(gè)問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是IEEE488 或 GPIB協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。LabVIEW（Lb

32、oratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便

33、地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試</p><p>

34、;<b>　　第2章 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　本章介紹了“自動(dòng)控制原理”中常見的虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)的原理，包括實(shí)驗(yàn)有：一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)、校正系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)校正、頻率特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、非線性系統(tǒng)。</p><p>　　2.1一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.1.1數(shù)學(xué)模型的介紹</p>

35、<p>　　可以用一階微分方程描述的系統(tǒng)稱為一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程具有如下的一般形式：</p><p>　　式中，T為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，代表系統(tǒng)的慣性；c（t）和r（t）分別是系統(tǒng)的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)。</p><p>　　對(duì)式2.1進(jìn)行拉氏變換得一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的方框圖如圖2.1所示。<

36、;/p><p>　　圖2.1 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)方框圖</p><p>　　2.1.2單位階躍響應(yīng)慨括</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)r（t）=1（t）時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)c（t）稱作其單位階躍響應(yīng)。</p><p><b>　　拉氏變換為：</b></p><p>　　兩端取拉氏反變換，求的其單位階躍響應(yīng)為

37、：</p><p>　　2.2二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.2.1數(shù)學(xué)模型的介紹</p><p>　　運(yùn)動(dòng)方程為二階微分方程的控制系統(tǒng)稱為二階系統(tǒng)，二階系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程具有如下的一般形式：</p><p>　　式中—二階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，單位為秒；</p><p>　　—二階系統(tǒng)的阻尼比，無

38、量綱。</p><p>　　對(duì)式2.5進(jìn)行拉氏變換得二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　引入?yún)?shù)，稱作二階系統(tǒng)的自然頻率，單位為rad/s。則：</p><p>　　二階系統(tǒng)的方框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2單位階躍響應(yīng)方框圖</p><p>　　2.2.2單位階躍響應(yīng)慨括</p>

39、;<p>　　單位階躍函數(shù)作用下，二階系統(tǒng)的響應(yīng)稱其為單位階躍響應(yīng)。由式2.7，其輸出的拉氏變換為：</p><p>　　對(duì)分母多項(xiàng)式作因式分解，得到：</p><p>　　式中，是系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)特征根。</p><p>　　對(duì)上式兩端取拉氏反變換，可以求出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)表達(dá)式。阻尼比在不同的范圍內(nèi)取值時(shí)，二階系統(tǒng)的特征根在S平面上的位置不同，二階

40、系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)對(duì)應(yīng)有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。下面分別加以討論：</p><p><b>　　欠阻尼響應(yīng)</b></p><p>　　阻尼比時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為欠阻尼響應(yīng)。</p><p><b>　　時(shí)間響應(yīng)為：</b></p><p><b>　　式中，； </b></p&

41、gt;<p>　　。 </p><p><b>　　臨界阻尼響應(yīng)</b></p><p>　　阻尼比時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為臨界阻尼響應(yīng)。</p><p><b>　　時(shí)間響應(yīng)為：</b></p><p><b>　　c.

42、過阻尼響應(yīng)</b></p><p>　　阻尼比時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為過阻尼響應(yīng)。</p><p><b>　　時(shí)間響應(yīng)為：</b></p><p><b>　　式中，；</b></p><p><b>　　。</b></p><p><b&

43、gt;　　2.2.3動(dòng)態(tài)性能</b></p><p>　　系統(tǒng)只有在欠阻尼條件下能計(jì)算性能指標(biāo)中的超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的定義和系統(tǒng)欠阻尼單位階躍響應(yīng)的表達(dá)式，可以導(dǎo)出系統(tǒng)性能指標(biāo)通過其特征參數(shù)和表達(dá)的計(jì)算式。</p><p><b>　　a. 峰值時(shí)間tp</b></p><p>　　峰值時(shí)間

44、tp是從階躍輸入作用于系統(tǒng)開始，到其響應(yīng)達(dá)到其第一個(gè)峰值的時(shí)間。</p><p><b>　　峰值時(shí)間為：</b></p><p><b>　　b. 超調(diào)量Mp</b></p><p>　　超調(diào)量Mp指階躍響應(yīng)的最大峰值超出其穩(wěn)態(tài)值的部分，用百分比表示為：</p><p><b>　　超調(diào)

45、量為：</b></p><p><b>　　c. 調(diào)節(jié)時(shí)間ts</b></p><p>　　工程上，當(dāng)時(shí)，通常用下列二式近似計(jì)算調(diào)節(jié)時(shí)間：</p><p>　　2.3系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.3.1未校正系統(tǒng)的性能</p><p>　　原系統(tǒng)的原理方框圖如圖

46、2.3所示。</p><p>　　圖2.3 未校正系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　由閉環(huán)傳函 </p><p>　　2.3.2校正系統(tǒng)的確定</p><p>　　要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)：</p><p>　　由理論推導(dǎo)得，校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：</p><p>

47、　　所以校正后系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4校正后系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　2.4采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　采樣系統(tǒng)是將采樣器位于系統(tǒng)中，將連續(xù)系統(tǒng)離散化。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)相比，雖然在本質(zhì)上有所不同，但對(duì)于線性系統(tǒng)，分析研究方法存有很大程度上的相似性。只要在系統(tǒng)中采用“采樣—保持器”組件，即可實(shí)現(xiàn)離散

48、信號(hào)到連續(xù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，便把問題轉(zhuǎn)換到前面研究過的連續(xù)信號(hào)問題上。</p><p>　　2.4.1“采樣—保持器”組件</p><p>　　本系統(tǒng)中采用“采樣—保持器”組件，它具有將連續(xù)信號(hào)離散再恢復(fù)為連續(xù)信號(hào)輸出的功能，其原理方框圖如圖2.5所示。 </p><p>　　圖2.5 “采樣—保持器”原理方框圖</p><p>　　2.4.2數(shù)學(xué)

49、模型的介紹</p><p>　　閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)原理方框圖如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　圖2.6所示閉環(huán)采樣系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：</p><p>　　開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：</p><p>　　離散系統(tǒng)中的Z變換即為連續(xù)系統(tǒng)中的拉氏變換，確定T值即便

50、確定了傳函。</p><p>　　2.5采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　設(shè)校正前閉環(huán)采樣系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7 校正前采樣系統(tǒng)的原理方框圖</p><p><b>　　期望性能指標(biāo)如下：</b></p><p><b>　　靜

51、態(tài)誤差系數(shù)：</b></p><p><b>　　超調(diào)量：</b></p><p><b>　　采用斷續(xù)校正網(wǎng)絡(luò)：</b></p><p>　　校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8 校正后采樣系統(tǒng)的原理方框圖</p><p>　

52、　2.6頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　被測系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9 被測系統(tǒng)的原理方框圖 </p><p>　　系統(tǒng)的頻率特性G（jw）是一個(gè)復(fù)變量，可以表示成以角頻率w為參數(shù)的幅值和相角：</p><p>　　圖2.9所示系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為：</p><p>

53、;　　采用對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性表示為：</p><p>　　根據(jù)式2.26和式2.27分別計(jì)算出各個(gè)頻率下的開環(huán)對(duì)數(shù)幅值和相位，再根據(jù)計(jì)算出的數(shù)值分別畫出幅頻特性和相頻特性曲線。</p><p>　　2.7系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.7.1用特征方程的根判定系統(tǒng)穩(wěn)定性</p><p>　　線性定常系統(tǒng)閉環(huán)特征

54、方程的全部根，不論是實(shí)根還是復(fù)根，若其實(shí)部均為負(fù)值，則閉環(huán)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。由此可知，求解控制系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的根并進(jìn)而判斷所有根的實(shí)部是否小于零就可以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種方法是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判別的最基本方法，這就是所謂代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。</p><p>　　系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)特征方程的全部根，或者系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的全部極點(diǎn)都位于S左半平面。</p><p>　　若系統(tǒng)閉環(huán)特征方程所

55、有根的實(shí)部都小于零，則系統(tǒng)閉環(huán)是穩(wěn)定的，只要有一個(gè)根的實(shí)部不小于零，則系統(tǒng)閉環(huán)就是不穩(wěn)定的；只要有一個(gè)根的實(shí)部為零，則控制系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，工程上實(shí)際將臨界穩(wěn)定當(dāng)作是不穩(wěn)定的。</p><p>　　2.7.2繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性</p><p>　　繪制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線可以直觀而又方便的判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，判斷方法如下：</p><p>　　若

56、輸出曲線是發(fā)散的，則系統(tǒng)不穩(wěn)定；</p><p>　　若輸出曲線是等幅振蕩的，則系統(tǒng)臨界穩(wěn)定；</p><p>　　若輸出曲線是衰減振蕩的，則系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　2.8非線性系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.8.1繼電型非線性三階系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　方框圖如圖2.10所示。&

57、lt;/p><p>　　圖2.10 繼電型非線性三階系統(tǒng)的原理方框圖</p><p>　　2.8.2振幅與角頻率的計(jì)算</p><p>　　若系統(tǒng)的非線性元件-1/N及線性部分的G（jw）的軌跡已知，則：</p><p>　　利用交點(diǎn)的虛部為零，求交點(diǎn)的角頻率w，即：</p><p>　　利用交點(diǎn)在橫坐標(biāo)上，求自振的振幅X

58、，即：</p><p>　　這里，繼電型非線性元件</p><p>　　第3章 程序方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：應(yīng)用Labview編程語言實(shí)現(xiàn)包含“自動(dòng)控制原理”課程常見8個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。</p><p>　　考慮到涉及

59、的程序較多不好管理，因此，添加了登陸系統(tǒng)和主程序。在正確的登陸以后，進(jìn)入到主程序，在主程序中包含了所有的“自動(dòng)控制原理”課程常見實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)它們進(jìn)行有選擇性的操作。為了方便觀察實(shí)驗(yàn)的輸入輸出數(shù)據(jù)，最后添加了輸出報(bào)表部分。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)的流程圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 總體設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　3.2基于Labview的

60、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　“自動(dòng)控制原理”中常見的虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)如下：</p><p>　　實(shí)驗(yàn)一：基于Labview的一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)二：基于Labview的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)三：基于Labview的系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p&

61、gt;　　實(shí)驗(yàn)四：基于Labview的采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)五：基于Labview的采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)六：基于Labview的頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)七：基于Labview的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)八：基于Labview的非線性系統(tǒng)虛擬實(shí)

62、驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　這些實(shí)驗(yàn)有著不同的實(shí)驗(yàn)原理，但是，有著相同的設(shè)計(jì)步驟，其設(shè)計(jì)的流程圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　3.3用戶管理程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)涉及的用戶管理程序如3.1節(jié)所指：登陸系統(tǒng)和主程序主程序是一個(gè)包含所有虛擬實(shí)驗(yàn)的程序，其程序框圖如圖3.3

63、所示。</p><p>　　登入系統(tǒng)是按登入后直接進(jìn)入主程序，其流程圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 主程序設(shè)計(jì)程序框圖</p><p>　　圖3.4 登陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　第4章 基于Labview的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1一階系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)</p&g

64、t;<p><b>　　4.1.1功能闡述</b></p><p>　　本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)給一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的兩個(gè)特征參數(shù)K和T分別輸入不同值時(shí)，可以確定不同的傳遞函數(shù)，據(jù)此可以畫出一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線。自動(dòng)控制原理中一階系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)和比例積分微分環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)畫法與該系統(tǒng)一樣。&l

65、t;/p><p>　　4.1.2設(shè)計(jì)過程 </p><p><b>　　1. 面板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.1所示，面板主要控

66、件如下。</p><p>　　2個(gè)Numeric 控件，分別輸入時(shí)間常數(shù)T和放大倍數(shù)K的值；一個(gè)XY Graph 控件，是為了顯示一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線；一個(gè)OK Button 控件，功能是為了實(shí)現(xiàn)功能退出到主程序界面。</p><p>　　圖4.1 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)儀器面板</p><p><b>　　2. 程序框圖設(shè)計(jì)</b>&

67、lt;/p><p>　　執(zhí)行Functions》All Functions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLAB Script操作，添加如下的輸入、輸出變量。</p><p>　　輸入變量 類型 </p><p>　　T Real </p><p>　　K

68、 Real </p><p>　　輸出變量 類型 </p><p>　　T 2-D Array of Real </p><p>　　Y 2-D Array of Real</p><p>　　將下面的MATLAB文件寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi)。</p><p&

69、gt;<b>　　num=[K];</b></p><p>　　den=[T 1];</p><p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　t=0:0.01:1.2;</p><p>　　y=step(sys,t);</p><p>　　b．執(zhí)行Functions》All Fu

70、nctions》Array》Reshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 </p><p>　　c. 連線，完成見附錄圖一。</p><p><b>　　3. 保存，運(yùn)行 </b></p><p>　　運(yùn)行結(jié)果如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)運(yùn)行結(jié)果</p&

71、gt;<p>　　4.1.3 實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真</p><p>　　在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)Matlab仿真</p><p>　　分別設(shè)置時(shí)間常數(shù)T=0.2和放大倍數(shù)K=1的值，所得結(jié)果和labview仿真的

72、結(jié)果相同。</p><p>　　4.2二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　4.2.1功能闡述</b></p><p>　　本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)給二階系統(tǒng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和分別輸入不同值時(shí)，可以求出該二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts，并且可以輸出該二階系統(tǒng)的單位階躍

73、響應(yīng)曲線。</p><p><b>　　4.2.2設(shè)計(jì)過程</b></p><p><b>　　1. 面板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.4所示，面板主要控件如下。</p><p>　　5個(gè)Numeric 控件，功能是輸入二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參

74、數(shù)和的值，輸出性能指標(biāo)超調(diào)量、峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間的值；1個(gè)XY Graph 控件6，功能是顯示二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線；2個(gè)OK Button 控件，功能是使程序退出到主程序界面。</p><p>　　圖4.4 二階系統(tǒng)儀器面板</p><p><b>　　2. 程序框圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　a.執(zhí)行Functions》All F

75、unctions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLAB Script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。</p><p>　　輸入變量 類型 </p><p>　　zeta Real</p><p>　　omegan Real</p>

76、;<p>　　輸出變量 類型 </p><p>　　Sigma Real</p><p>　　Tp Real</p><p>　　Ts Real</p><p>　　T Rea

77、l</p><p>　　Y Real</p><p>　　然后，將下面的MATLAB文件寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi)。</p><p>　　sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta^2)^(1/2));</p><p>　　tp=pi/(omegan*sqrt(1-zeta^2));</p><

78、;p>　　ts=4/(zeta*omegan);</p><p>　　num=[omegan^2];</p><p>　　den=[1 2*zeta*omegan omegan^2];</p><p>　　sys=tf(num,den);</p><p>　　t=0:0.01:5;</p><p>　　y1=st

79、ep(sys,t);</p><p>　　b．執(zhí)行Functions》All Functions》Array》Reshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 </p><p>　　c. 連線，完成后見附錄II圖2。</p><p><b>　　3. 保存，運(yùn)行 </b></p><p>　　欠阻尼

80、、臨界阻尼和過阻尼三種情況下的運(yùn)行結(jié)果分別如圖4.5、4.6和4.7所示。</p><p>　　圖4.5 欠阻尼情況下運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　圖4.6臨界阻尼情況下運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　圖4.7過阻尼情況下運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　4.2.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真</p><p>　　在設(shè)計(jì)虛擬

81、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果分別如圖4.8、4.9和4.10所示。</p><p>　　圖4.8 欠阻尼情況下Matlab仿真</p><p>　　分別設(shè)置二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)=0.5和=10，在欠阻尼情況下Matlab仿真所得結(jié)果和labview仿真的結(jié)果相同。</p><p>　　圖4.9臨界阻尼情況下Matl

82、ab仿真</p><p>　　分別設(shè)置二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)=1和=5，在臨界阻尼情況下Matlab仿真所得結(jié)果和labview仿真的結(jié)果相同。</p><p>　　圖4.10過阻尼情況下仿Matlab仿真</p><p>　　分別設(shè)置二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)=1.50和=3.16，在過阻尼情況下Matlab仿真所得結(jié)果和labview仿真的結(jié)果相同。</p>&l

83、t;p>　　4.3系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　4.3.1功能闡述</b></p><p>　　本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中系統(tǒng)校正的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)于預(yù)先給定的受控對(duì)象，算出其性能指標(biāo)，目的是和系統(tǒng)要求滿足的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比；由理論推導(dǎo)得出滿足要求的性能指標(biāo)的校正網(wǎng)絡(luò)后，繪制出系統(tǒng)校正前后的階躍響應(yīng)曲線。</p><p>&l

84、t;b>　　4.3.2設(shè)計(jì)過程</b></p><p><b>　　1. 面板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.11所示，面板主要控件如下。</p><p>　　4個(gè)Numeric 控件，功能是輸入未校正系統(tǒng)的阻尼比和角頻率的值，輸出超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的值；1個(gè)XY

85、Graph 控件，功能是輸出未校正系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間；1個(gè)OK Button 控件，功能是可以退出到主程序界面。</p><p>　　圖4.11校正系統(tǒng)儀器面板</p><p><b>　　2. 程序框圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　a.執(zhí)行Functions》All Functions》Analyze》Mathematics》Formula》

86、MATLAB Script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。</p><p>　　輸入變量 類型</p><p>　　zeta（） Real</p><p>　　omegan（） Real</p><p>　　輸出變量 類型 </p>&l

87、t;p>　　Sigma（Mp） Real </p><p>　　ts Real </p><p>　　t1 2-D Array of Real </p><p>　　y1 2-D Array of Real</p>

88、;<p>　　t2 2-D Array of Real </p><p>　　y2 2-D Array of Real</p><p>　　然后，將下面的MATLAB文件寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi)。</p><p><b>　　k0=20;</b></p>

89、<p><b>　　n1=1;</b></p><p>　　d1=conv([1 0],[0.5 1]);</p><p>　　s1=tf(k0*n1,d1);</p><p>　　sys1=feedback(s1,1);</p><p>　　t1=0:0.01:6;</p><p>

90、　　y1=step(sys1,t1);</p><p>　　sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta^2)^(1/2));</p><p>　　ts=4/(zeta*omegan);</p><p>　　n2=[0.5 1];</p><p>　　d2=[0.05 1];</p><p>　　s2=tf(n

91、2,d2);</p><p>　　sope=s1*s2;</p><p>　　sys2=feedback(sope,1);</p><p>　　t2=0:0.01:0.6;</p><p>　　y2=step(sys2,t2);</p><p>　　b．執(zhí)行Functions》All Functions》Array》R

92、eshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 </p><p>　　c. 連線，完成后見附錄II圖3。</p><p><b>　　3. 保存，運(yùn)行 </b></p><p>　　運(yùn)行結(jié)果如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 校正系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果</p><p>

93、　　4.3.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真</p><p>　　在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果分別如圖4.13和4.14所示。</p><p>　　圖4.13 系統(tǒng)校正前的Matlab仿真</p><p>　　圖4.14系統(tǒng)校正后的Matlab仿真</p><p>　　分別設(shè)置未

94、校正系統(tǒng)的阻尼比為0.15和角頻率為6.3的值，在Matlab下仿真所得結(jié)果和labview仿真的結(jié)果相同。</p><p>　　4.4采樣系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　4.4.1功能闡述</b></p><p>　　本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中采樣系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)給采樣系統(tǒng)的采樣周期T輸入不同值時(shí)，可以確定不同的傳遞函數(shù)，據(jù)此可以

95、畫出采樣系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。</p><p><b>　　4.4.2設(shè)計(jì)過程</b></p><p><b>　　1.面板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.15所示，面板主要控件如下。</p><p>　　圖4.15 采樣系統(tǒng)儀器面板

96、</p><p>　　1個(gè)Numeric 控件，功能是輸入采樣系統(tǒng)的采樣時(shí)間T；1個(gè)XY Graph 控件，功能是顯示采樣系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線；1個(gè)OK Button 控件，功能是可以退出到主程序界面。</p><p><b>　　2. 程序框圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　a.執(zhí)行Functions》All Functions》Anal

97、yze》Mathematics》Formula》MATLAB Script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。</p><p>　　輸入變量 類型 </p><p>　　T Real </p><p>　　輸出變量 類型 </p><p>　　t 2-D Array

98、 of Real </p><p>　　y 2-D Array of Real</p><p>　　然后，將下面的MATLAB文件寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi)。</p><p>　　num=[12.5*(2*T-1+exp(-2*T)) 12.5*(1-exp(-2*T)-2*T*exp(-2*T))];</p><p>　　den=[

99、1 25*T-13.5+11.5*exp(-2*T) 12.5-11.5*exp(-2*T)-25*T*exp(-2*T)];</p><p>　　sys=tf(num,den,T);</p><p>　　t=0:0.01:3;</p><p>　　y=step(sys);</p><p>　　b．執(zhí)行Functions》All Funct

100、ions》Array》Reshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 </p><p>　　c. 連線，完成后見附錄II圖4。</p><p><b>　　3.保存，運(yùn)行 </b></p><p>　　運(yùn)行結(jié)果如圖4.16所示。</p><p>　　圖4.16 采樣系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果</p>

101、<p>　　4.4.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真</p><p>　　在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4.17所示。</p><p>　　圖4.17采樣系統(tǒng)Matlab仿真</p><p>　　設(shè)置采樣系統(tǒng)的采樣時(shí)間T=0.03，在Matlab下仿真所得結(jié)果和labview仿真的結(jié)果相

102、同。</p><p>　　4.5采樣系統(tǒng)校正虛擬實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　4.5.1功能闡述</b></p><p>　　本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中采樣系統(tǒng)校正的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)給采樣周期T一個(gè)輸入值時(shí)，可以分別確定校正前、后采樣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)可以分別畫出校正前、后采樣系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。校正后采樣系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)是由要求的性

103、能指標(biāo)理論推導(dǎo)得出。</p><p><b>　　4.5.2設(shè)計(jì)過程</b></p><p><b>　　1. 面板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.18所示，面板主要控件如下。</p><p>　　1個(gè)Numeric 控件，功能是輸入未

104、校正采樣系統(tǒng)的采樣周期；2個(gè)XY Graph 控件，功能是分別顯示校正前、后的單位階躍響應(yīng)曲線；1個(gè)OK Button 控件，功能是可以退出到主程序界面。</p><p>　　圖4.18 采樣系統(tǒng)校正儀器面板</p><p><b>　　2. 程序框圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　a.執(zhí)行Functions》All Functions》An

105、alyze》Mathematics》Formula》MATLAB Script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。</p><p>　　輸入變量 類型 </p><p>　　T Real </p><p>　　輸出變量 類型 </p><p>　

106、　t1 2-D Array of Real </p><p>　　y1 2-D Array of Real</p><p>　　t2 2-D Array of Real </p><p>　　y2 2-D Array of Re

107、al</p><p>　　然后，將下面的MATLAB文件寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi)。</p><p><b>　　n1=30;</b></p><p>　　d1=conv([1 0],[0.1 1]);</p><p>　　s1=tf(n1*k1,d1);</p><p>　　s = tf('s'

108、); </p><p>　　s3 = (1+T*s-(T^2)*(s^2))/s</p><p><b>　　s4=s1*s3;</b></p><p>　　sys1=feedback(s4,1);</p><p>　　t1=0:0.01:5;</p><p>　　y1=step(sys1);&l

109、t;/p><p>　　n2=[0.68 1];</p><p><b>　　d2=[5 1];</b></p><p>　　s2=tf(n2,d2);</p><p>　　s5=s1*s2*s3*s3;</p><p>　　sys2=feedback(s5,1);</p><p&g

110、t;　　t2=0:0.01:2.5;</p><p>　　y2=step(sys2);</p><p>　　b．執(zhí)行Functions》All Functions》Array》Reshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 </p><p>　　c. 連線，完成后見附錄II圖5。</p><p><b>　　

111、3. 保存，運(yùn)行 </b></p><p>　　運(yùn)行結(jié)果如圖4.19所示。</p><p>　　圖4.19采樣系統(tǒng)矯正運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　4.5.3實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)Matlab的仿真</p><p>　　在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4.20和4.21所示。&

112、lt;/p><p>　　圖4.20校正前采樣系統(tǒng)的Matlab仿真</p><p>　　圖4.21 校正后采樣系統(tǒng)的Matlab仿真</p><p>　　設(shè)置未校正采樣系統(tǒng)的采樣周期=0.03，在Matlab下仿真所得結(jié)果和labview仿真的結(jié)果相同。</p><p>　　4.6頻率特性虛擬實(shí)驗(yàn)</p><p><

113、b>　　4.6.1功能闡述</b></p><p>　　本系統(tǒng)為自動(dòng)控制原理中頻率特性的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠針對(duì)不同的傳遞函數(shù)，進(jìn)行幅值、相位和頻率的測量，并可以畫出幅頻特性和相頻特性曲線。</p><p><b>　　4.6.2設(shè)計(jì)面板</b></p><p><b>　　1.面板設(shè)計(jì)</b></p

114、><p>　　啟動(dòng)Labview，進(jìn)入儀器編輯環(huán)境，建立儀器的面板，如圖4.22所示，面板主要控件如下。</p><p>　　圖4.22 頻率特性儀器面板</p><p>　　5個(gè)Array 控件，功能是輸入傳遞函數(shù)分子和分母參數(shù)值，輸出幅值、相位和頻率；2個(gè)XY Graph 控件，功能是顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線；1個(gè)OK Button 控件，功能是可以退出到主程

115、序界面。</p><p><b>　　2. 程序框圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　a.執(zhí)行Functions》All Functions》Analyze》Mathematics》Formula》MATLAB Script操作，然后添加如下的輸入、輸出變量。</p><p>　　輸入變量 類型 </p>

116、<p>　　num 2-D Array of Real </p><p>　　den 2-D Array of Real </p><p>　　輸出變量 類型 </p><p>　　mag 2-D Array of Real <

117、;/p><p>　　pha 2-D Array of Real</p><p>　　w 2-D Array of Real </p><p>　　然后，將下面的MATLAB文件寫入節(jié)點(diǎn)內(nèi)。</p><p>　　w=logspace(-1,1,100);</p>&l

118、t;p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　[mag,pha,w1]=bode(num,den,w);</p><p>　　subplot(211); hold on</p><p>　　semilogx(w1,mag);</p><p>　　subplot(212); hold on<

119、;/p><p>　　semilogx(w1,pha);</p><p><b>　　end</b></p><p>　　subplot(211); grid on</p><p>　　title('Bode plot');</p><p>　　xlabel('Frequency

120、(rad/sec)');</p><p>　　ylabel('Gain dB');</p><p>　　subplot(212); grid on</p><p>　　xlabel('Frequency(rad/sec)');</p><p>　　ylabel('fhase deg');

121、</p><p><b>　　hold off</b></p><p>　　b．執(zhí)行Functions》All Functions》Array》Reshape Array操作，功能是將輸出變量t和 y 的維數(shù)統(tǒng)一。 </p><p>　　c. 連線，完成后見附錄II圖6。

122、 </p><p><b>　　3.保存，運(yùn)行 </b></p><p>　　運(yùn)行結(jié)果如圖4.23所示。</p><p>　　圖4.23 頻率特性運(yùn)行結(jié)果