( VR虚拟现实)基于的自动控制原理虚拟实验
（VR虚拟现实）基于的自动控制原理虚拟实验
基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验
系统设计
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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；Matlab
Abstract
OnthebasisofproblemsencounteredinactualexperimentteachingofAutoma ticControlTheoryinuniversitiesandneedofexperimentteachingrevolution,ane wkindofautomaticcontroltheoryvirtualexperimentsystembasedonLabviewisa dvanced.Strong- pointandweadnessofcommonvirtualexperimentsystemsatpresentareanalyze dandavirtualexperimentsystemincludingcommonexperimentsinAutomaticC ontrolTheoryiscompleletedsuccessfullyusingLabviewequivalently.Inaddition, proposalforhardwareexperimentexpansionisputforwand.Atlast,Matlabprogr ammingisusedforcomparisonandaccuracycertification.
Keywords:virtualinstrument;Labview;automaticcontrolexperiment;Matlab
目录
第1章绪论1
1.1背景1
1.2课题的目的与意义2
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4
2.1.1数学模型的建立4
2.1.2单位阶跃响应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数学模型的建立5
2.2.2单位阶跃响应5
2.2.3动态性能指标计算7
2.3系统校正虚拟实验系统设计原理7
2.3.1未校正系统的性能指标计算7
2.3.2校正系统的确定8
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数学模型的建立9
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11
2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性11
2.7.2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12
2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图12
2.8.2振幅与角频率的计算12
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系统16
4.1.1功能描述16
4.1.2设计步骤16
4.1.3 实验子系统Matlab的仿真和正确性验证18
4.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统18
4.2.1功能描述18
4.2.2设计步骤18
4.2.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证21
4.3系统校正虚拟实验系统23
4.3.1功能描述23
4.3.2设计步骤23
4.3.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证25
4.4采样系统虚拟实验系统26
4.4.1功能描述26
4.4.2设计步骤26
4.4.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证28
4.5采样系统校正虚拟实验系统29
4.5.1功能描述29
4.5.2设计步骤29
4.5.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证31
4.6频率特性虚拟实验系统32
4.6.1功能描述32
4.6.2设计步骤32
4.6.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证34
4.7系统稳定性分析虚拟实验系统35
4.7.1功能描述35
4.7.2设计步骤35
4.7.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证37
4.8非线性系统虚拟实验系统37
4.8.1功能描述37
4.8.2设计步骤38
4.8.3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41
5.1 登陆系统的设计41
5.2 主程序的设计42
5.3 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Ⅰ系统前面板图49
附录Ⅱ系统程序框图59
第1章绪论
随着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，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。
1.3Labview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，给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能，让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。另外，由于充分利用了计算机技术，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，完善了数据的传输、交换等性能使得组建系统变得更加灵活和简单，增强了数据处理能力。
虚拟仪器作为现代仪器仪表发展方向，已迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用已经十分普及，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
第2章设计原理
本章介绍了“自动控制原理”中常见的虚拟实验子系统的原理，包括实验有：一阶系统、二阶系统、校正系统、采样系统、采样系统校正、频率特性、系统稳定性、非线性系统。
2.1一阶系统典型环节虚拟实验系统设计原理
2.1.1数学模型的建立
可以用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统，一阶系统的运动方程具有如下的一般形式：
(2.1) 式中，T为惯性环节的时间常数，代表系统的惯性；c（t）和r（t）分别是系统的输出信号和输入信号。
对式2.1进行拉氏变换得一阶系统惯性环节的传递函数为：
(2.2)
一阶系统惯性环节的方框图如图2.1所示。
图2.1一阶系统惯性环节方框图
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：
(2.3)
两端取拉氏反变换，求的其单位阶跃响应为：
(2.4) 2.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统设计原理
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：
(2.5) 式中—二阶系统的时间常数，单位为秒；
—二阶系统的阻尼比，无量纲。
对式2.5进行拉氏变换得二阶系统的传递函数为:
(2.6)
引入参数，称作二阶系统的自然频率，单位为rad/s。则：
(2.7)
二阶系统的方框图如图2.2所示。
图2.2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2.7，其输出的拉氏变换为：
(2.8)
对分母多项式作因式分解，得到：
(2.9) 式中，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：
a.欠阻尼响应
阻尼比时，系统的响应称为欠阻尼响应。
时间响应为：
(2.10)
式中，；
。
b.临界阻尼响应
阻尼比时，系统的响应称为临界阻尼响应。
时间响应为：
(2.11)
c.过阻尼响应
阻尼比时，系统的响应称为过阻尼响应。
时间响应为：
(2.12)
式中，；
。
2.2.3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。
a.峰值时间tp
峰值时间tp是从阶跃输入作用于系统开始，到其响应达到其第一个峰值的时间。
峰值时间为：
(2.13)
b.超调量Mp
超调量Mp指阶跃响应的最大峰值超出其稳态值的部分，用百分比表示为：
(2.14)
超调量为：
(2.15)
c.调节时间ts
工程上，当时，通常用下列二式近似计算调节时间：
(2.16)
(2.17) 2.3系统校正虚拟实验系统设计原理
2.3.1未校正系统的性能指标计算
原系统的原理方框图如图2.3所示。
图2.3未校正系统的方框图
由闭环传函
2.3.2校正系统的确定
要求设计串联校正装置，使系统满足下述性能指标：
由理论推导得，校正网络的传递函数为：
(2.18)
所以校正后系统的原理方框图如图2.4所示。
图2.4校正后系统的方框图
2.4采样系统虚拟实验系统设计原理
采样系统是将采样器位于系统中，将连续系统离散化。离散系统与连续系统相比，虽然在本质上有所不同，但对于线性系统，分析研究方法存有很大程度上的相似性。只要在系统中采用“采样—保持器”组件，即可实现离散信号到连续信号的转换，便把问题转换到前面研究过的连续信号问题上。
2.4.1“采样—保持器”组件
本系统中采用“采样—保持器”组件，它具有将连续信号离散再恢复为连续信号输出的功能，其原理方框图如图2.5所示。
图2.5“采样—保持器”原理方框图
2.4.2数学模型的建立
闭环采样控制系统原理方框图如图2.6所示。
图2.6闭环采样控制系统原理方框图
图2.6所示闭环采样系统的开环脉冲传递函数为：
(2.19)
开环脉冲传递函数为：
(2.20)
离散系统中的Z变换即为连续系统中的拉氏变换，确定T值即便确定了传函。
2.5采样系统校正虚拟实验系统设计原理
设校正前闭环采样系统的原理方框图如图2.7所示。
图2.7校正前采样系统的原理方框图
期望性能指标如下：
静态误差系数：
(2.21)
超调量：
(2.22)
采用断续校正网络：
(2.23)
校正后采样系统的原理方框图如图2.8所示。
图2.8校正后采样系统的原理方框图
2.6频率特性虚拟实验系统设计原理
被测系统的原理方框图如图2.9所示。