基于labview的自控原理实验系统的设计论文(编辑修改稿)

基于labview的自控原理实验系统的设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 1． 3 虚拟仪器开发 平台 LabVIEW 1． 3． 1 LabVIEW 的概述 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写，意思就是 “ 实验室虚拟仪器工程平台 ”。 它 由美国 NI公司开发的、优秀的图形化编程开发平台， 是 一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据 处理 而设计的图形化编程软件，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。 结构化是武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 6 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。 LabVIEW 所采用的图形化开发语言又叫做 G（表示 graphical）语 言。 通过这种语言，可以极大的提高工作效率。 有些程序如果使用传统的开发语言的话可能需要数周的时间才能够完成，在采用了 LabVIEW 之后可能只需要短短的几个小时就完成了。 因为 LabVIEW 是专门设计为用来完成数据的采集、分析以及显示的。 并且由于它是图形化的，易于使用，对于模拟、演示概念、完成通用编程甚至用来教授基本的编程概念都是一个 理想的工具。 相对于传统的标准仪器来说， LabVIEW 由于是基于软件的，所以提供了更大的灵活性。 通过 LabVIEW 开发的虚拟仪器是由用户而不是仪器生产商定义仪器功能的。 一台计算机、数 采板卡和 LabVIEW 的结合就能够变成一个可配置的虚拟仪器来完成用户设定的任务。 通过 LabVIEW 就可以用传统仪器几分之一的价格创建一个用户所需要的虚拟仪器。 当需要改变这个虚拟仪器的时候，只 需 几分钟的时间通过 LabVIEW 修改就可以了。 为了便于使用， LabVIEW 还集成了大量的函数库以及子程序来帮助完成绝大多数的编程任务。 在使用这些子函数的时候，可以忘掉传统编程语言中的令人头痛的指针操作、内存分配等编程问题。 除此之外，LabVIEW 还包含了针对应用的数据采集（ DAQ）、 GPIB、串口、数据分析、数据显示、数 据存储以及 Inter 网络通信的函数库。 1． 3． 2 LabVIEW 的 工作原理 我们把 LabVIEW 的程序称为 “VI” ，每一个 VI 都有 俩 个主要组成部分：前面板 、 程序 框图。 而在前面板和程序框图中各有一个十分重要的选板：控件选板和函数选板。 1 前面板（ front panel） 前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板。 此界面主要是显示用户输入和输出两类对象，如开关、旋钮、图形及其他 控件 和显示对象。 控件 选板是前面板中一些空间和指示器的集合，通过在前面板中选择“查看”菜单可以将其打开。 在编程过程中需要使 用前面板控件和指示器时，可以直接打开控件 选板 ，武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 7 找到相应的控件，并拖动到需要的位置即可。 由于控件较多，一时找不到，可以在控件面板上通过“搜索”命令来查找。 前面板 如图 12所示，控件 选板如 图 13所示。 图 12 VI 前面板 图 13 控件选板 2 程序框图（ block diagram） 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 8 在前面板后台还有一个与之配套的程序框图，程序框图就是对软件进行后台编程设置的地方，在那里 可以调用各类函数和节点。 程序框图也叫后面板，与前面板相互对应。 后面板主要是设置程序中前面板控件的接线端口及一些只在后台运行的函数、结构和连线等。 这里是编程的重点，也是难点。 函数 选板 是程序框图中一些 VI 小程序和函数的集合，可以通过程序框图中的“查看”菜单打开，也可以右击鼠标得到即时函数面板。 程序框图 如图 14 所示， 函数选板 图 15 所示。 图 14 VI 程序框图 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 9 图 15 函数选板 2 自动控制原理中常见实验的 原理 2． 1 一阶系统实验原理 2． 1． 1 数学模型的建立 自动控制系统的传递函数是一个复变量 s的真有理分式，若分母阶次为 1，则称为一阶系统。 一阶系统 的运动方程 可以用一阶微分方程描述，积分环节或惯性环节组成的一个单位反馈闭环系统时，是典型的一阶系统。 一阶系统的运动方程具有如下的一般形式： )()()( trtcdttdcT  （ ） 式中， T 为一阶系统时间常数，代表系统的惯性； c(t)和 r(t)分别是系统的输入信号和输出信号。 对式（ ）进行拉氏变换得一阶系统惯性环节的传递函数为： 1)( )()(  TSKSR SCS （ ） 一阶系统的方框图如 图 21所示 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 10 图 21 一阶系统方框图 2． 1． 2 单位阶跃响应 当输入信号 r(t)=1(t)时，系统的响应 c(t)称作其单位阶跃响应。 拉氏变换为： STSSRSSC 111)()()(  （ ） 两端去拉氏 反变换，求的其单位阶跃响应为： Ttetc 1)( () 2． 2 二 阶系统实验原理 2． 2． 1 数学模型的建立 运动方程为二阶微分方程的控制系统称为二阶系统，二阶系统的运动方程具有如下的一般 形式 ： )()()(2)(222 trtcdt tdcTdt tcdT   （ ）式中 LCT — 二阶系 统的时间常数，单位为秒； LCR2 — 二阶系统的阻尼比，无量纲。 对式（ ）进行拉氏变换得二阶系统的传递函数为 : 121)( )()( 22  TsSTSR SCS  () 引入参数 w=1/T,称作二阶系统的自然频率，单位为 rad/s。 则 2222)( )()(   SSSR SCS () Ui（ S） 1TSK Uo（ S） 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 11 二阶系统的方框图如 图 22所示： 图 22 二阶系统方框图 2． 2． 2 单位阶跃响应 单位阶跃函数作用下，二阶系统的响应称其为单位阶跃响应。 由式 （ ） ，其输出的拉氏变换为： SSSSRSSC 12)()()( 222   () 对分母多项式作因式分解，得到： ))(()( 212SSSSSSC   () 式 中 ， S1,S2是系统的两个闭环特征根。 对上式两端取拉氏反变换，可以求出系统的单位阶 跃响应表达式。 阻尼比在不同的范围内取值时，二阶系统的特征根在 S平面上的位置不同，二阶系统的时间响应对应有不同的运动规律。 下面分别加以讨论： (1)欠阻尼响应 ： 阻尼比 01  时，系统的响应称为欠阻尼响应。 时间响应为： )s in(1 11)( 2     tetc dt （ ）式中， 21  d ；   a r c c o s1a r c t a n2 。 (2)临界阻尼响应 ： 阻尼比 1 时，系统的响应称为临界阻尼响应。 时间响应为： )1(1)( tetc wt   （ ） R（ S） + E（ S） ToS1 111STK C（ S） 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 12 (3)过阻尼响应 ： 阻尼比 1 时，系统的响应称为过阻尼响应。 时间响应为：  1/1)(121TT etcTt1/ 122TTeTt （ ） 式中，)1( 1 21  T；)1( 1 22  T。 2． 2． 3 二阶系统动态性能指标计算 系统只有在欠阻尼条件下能计算性能指标中的超调量 Mp、峰值时间 tp 和调节时间 ts。 根据系统动态性能指标的定义和系统欠阻尼单位阶跃响应的表达式，可以导出系统性能指标通过其特征参数  和  表达的计算式。 常用的阶跃响应性能指标如下： (1)峰值时间 tp:峰值时间 tp 是指输出超过稳态值到达第一个 峰值所需的时间。 二阶系统 峰值时间为： 21  dpt （ ） (2)超调量 Mp:超调量是指 输出量峰值超出稳态值的百分比。 二阶系统超调量为： %1 0 0% 21   eMp （ ） (3)调节时间 ts： 调节时间是指在阶跃响应曲线的稳态值附近，取稳态值的%或 %作为误差带，当阶跃响应曲线到达并不超出该误差带所需的最小时间。 调节时间又成为过渡时间。 工程上，当阻尼比在 到 之间时 ，通常用下列二式近似计算调节时间。 4st )(%2  c () 3st )(%5  c () 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 13 2． 3 线性系统 根轨迹 实验原理 2． 3． 1 线性系统根轨迹的概念 闭环系统的稳定性及其他性能主要由闭 环系统的极点（即特征方程的根）的分布所确定，因此，要分析系统 就必须求解特征方程的根。 然而，一个较完善的闭环控制系统，其特征方程一般都是高阶方程，求解 特征根 异常困难，这就限制了时域分析法在高阶系统中的应用。 1948 年， Evans 根据 反馈 控制系统中开、闭环传递函数之间的内在联系，提出了求解闭环特征方程的根的图解方法 —— 根轨迹法。 利用这种方法，可在已知系统开环零、极点的分布情况下，绘制出闭环特征根随着系统参数（比如开环增益 Kg 或时间常数 T等）变化而在 s平面上移动的轨迹（简称根轨迹）。 利用根轨迹则可以对系 统的性能进行分析，确定系统应有的结构和参数，也可以对系统进行设计和综合。 2． 3． 2 线性系统根轨迹的绘制依据 根轨迹是指开环系统某一参数从零变化到无穷时，闭环系统特征方程式的根在 s 平面上变化的轨迹。 闭环系统的特征方程： 0)()(1  sHsG （ ）根轨迹方程： 1)()(K1m1 niijjpszs （ ） 由此得到幅值条件：  mjjiizsps1n1K （ ） 相角条件：  )12(1m1    kni ij j （ ） 经过分析可知，相角条件是确定根轨迹 s平面上一点是否在根轨迹上的充分必要条件。 2． 3． 3 线性系统根轨迹的绘制基本法则 只要 掌握根轨迹的一些共性及某些特征点，就可以不用或少用试探发而又较快的绘制出复杂系统的根轨迹，从而达到事半功倍的效果。 根据根轨迹方程讨论武汉纺织大学 20xx 届毕业设计。