虚拟仪器导论实验一文档格式.doc
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在LabVIEW的用户界面上,应特别注意它提供的操作模板,包括工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和函数(Functions)模板。
这些模板集中反映了该软件的功能与特征。
下面我们来大致浏览一下。
工具模板(ToolsPalette)
该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
如果该模板没有出现,则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。
当从模板内选择了任一种工具后,鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。
当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后,把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序(SubVI)或图标上,就会显示相应的帮助信息。
图1-1工具模板图1-2控件选板图1-3函数选板
下面的两个模板是多层的,其中每一个子模板下还包括多个对象。
控件模板(ControlPalette)
注意:
只有打开前面板时才能调用该模板。
该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。
每个图标代表一类子模板。
如果控件模板不显示,可以用“窗口”菜单的“显示控件选板”功能打开它,也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键,以弹出控件模板。
函数模板(FunctionsPalette)
函数模板是创建流程图程序的工具。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
若函数模板不出现,则可以用“窗口”菜单的“显示函数选板”功能打开它,也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出函数模板。
注:
只有打开了流程图程序窗口,才能出现函数模板。
(2)关于连线
连线是程序设计中较为复杂的问题。
流程图上的每一个对象都带有自己的连线端子,连线将构成对象之间的数据通道。
因为这不是几何意义上的连线,因此并非任意两个端子间都可连线,连线类似于普通程序中的变量。
数据单向流动,从源端口向一个或多个目的端口流动。
不同的线型代表不同的数据类型。
当需要连接两个端点时,在第一个端点上点击连线工具(从工具模板栏调用),然后移动到另一个端点,再点击第二个端点。
端点的先后次序不影响数据流动的方向。
当把连线工具放在端点上时,该端点区域将会闪烁,表示连线将会接通该端点。
当把连线工具从一个端口接到另一个端口时,不需要按住鼠标键。
当需要连线转弯时,点击一次鼠标键,即可以正交垂直方向地弯曲连线,按空格键可以改变转角的方向。
接线头是为了帮助正确连接端口的连线。
当把连线工具放到端口上,接线头就会弹出。
接线头还有一个黄色小标识框,显示该端口的名字。
线型为波折号的连线表示坏线。
出现坏线的原因有很多,例如:
连接了两个控制对象;
源端子和终点端子的数据类型不匹配(例如一个是数字型,而另一个是布尔型)。
可以通过使用定位工具点击坏线再按下<
Delete>
来删除它。
选择“编辑->
删除断线”菜单命令或者按下<
Ctrl-B>
可以一次删除流程图中的所有坏线。
当VI无法运行,或者显示“信号丢失终端”的错误信息时,这是一个快捷的调试方法。
(3)程序调试技术
1.找出语法错误
如果一个VI程序存在语法错误,则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头,表示程序不能被执行。
这时该按钮被称作错误列表。
点击它,则LabVIEW弹出错误清单窗口,点击其中任何一个所列出的错误,选用“查找”功能,则出错的对象或端口就会变成高亮。
2.设置执行程序高亮
在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮,这个按钮叫做“高亮执行”按钮上。
点击这个按钮使它变成高亮形式,再点击运行按钮,VI程序就以较慢的速度运行,没有被执行的代码灰色显示,执行后的代码高亮显示,并显示数据流线上的数据值。
这样,你就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。
3.断点与单步执行
为了查找程序中的逻辑错误,有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。
使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行,用探针或者单步方式查看数据。
使用断点工具时,点击你希望设置或者清除断点的地方。
断点的显示对于节点或者图框表示为红框,对于连线表示为红点。
当VI程序运行到断点被设置处,程序被暂停在将要执行的节点,以闪烁表示。
按下单步执行按钮,闪烁的节点被执行,下一个将要执行的节点变为闪烁,指示它将被执行。
你也可以点击暂停按钮,这样程序将连续执行直到下一个断点。
4.探针
可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。
从Tools工具模板选择探针工具,再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。
这时显示器上会出现一个探针显示窗口。
该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。
在流程图中使用选择工具或连线工具,在连线上点击鼠标右键,在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令,同样可以为该连线加上一个探针。
四、实验过程
(1)启动LabVIEW,创建一个VI。
(2)在前面板中放置一个温度计控件,并修改控件标签名为温度计℃和设置最大值为100。
该控件从“控件—经典—经典数值”子选项板中获得。
(3)按同样的方法在前面板中放置一个仪表控件,并修改仪表控件的标签名为电压(mV),标尺刻度范围为0~1000。
(4)按同样的方法在前面板中放置一个数值显示控件,并修改控件标签名为数值显示:
℃,并为电压添加数值显示控件。
(5)从“经典布尔”里找出带标签椭圆形按钮,“Express”里添加两个指示灯。
(6)从“窗口”下拉菜单中选择“显示程序窗口”切换到程序框图窗口。
(7)在程序窗口中创建随机数字(0-1),添加两个乘法函数、两个比较函数并进行连线。
(8)切换至前面板,换成“操作值”点击椭圆形开关切换至“开”,点击运行按钮,运行VI程序。
(9)修改图标为T/V以表示该子VI当前温度和过温提示,并保存为vi.vi。
前面板:
程序框图:
修改后的图标及连线端:
五、实验问题及总结
问题:
1、接线时错将温度机接至0-1000的范围导致温度计爆表,所以下次接线时一定要认真仔细,并检查错误的原因。
2、布局时难看不齐,可以使用工具栏下方的“对齐对象按钮”,程序框图连线完毕时也可以点击整理所选部分,使图清晰美观。
实验二LabVIEW基本程序设计
(1)熟悉LabVIEW8.5开发环境;
(2)掌握LabVIEW编程语言的程序结构和图形控件的使用方法;
(3)掌握LabVIEW编程环境的程序调试方法;
二、实验原理与内容
已知一阶系统状态空间表达式
编程时可采用4阶龙格-库塔算法求解上述方程:
K1=-0.2*X(k)+2*u(k);
K2=-0.2*(X(k)+0.5*T*K1)+2*u(k);
K3=-0.2*(X(k)+0.5*T*K2)+2*u(k);
K4=-0.2*(X(k)+T*K3)+2*u(k);
X(k+1)=X(k)+(K1+2*K2+2*K3+K4)*T/6;
Y=X(k+1);
控制算法可采用增量式PID控制算法:
du=Kp*(e(k)-e(k-1))+T/Ti*e(k)+Td/T*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2));
u(k)=u(k-1)+du;
本实验要求基于LabVIEW编程环境,针对上述一阶系统进行控制仿真。
通过控制系统仿真,分析一阶系统的特点和各个PID参数对控制系统性能的影响。
三、实验过程
1、通过实验讲义在“控件模版”中选取对应控件,拖去前面板中,并进行对齐等操作使其清晰美观。
2、
(1)进入程序框图,先选取while函数模版,并在其中建立两个公式节点模块。
(2)在第一个公式节点中添加输入:
Kp、Ti、Td、ek、u、ek_1、ek_2、X、T,以及在右侧添加输出:
du、u、ek、ek_1、X。
在第二个节点添加输入:
du、u、ek、ek_1、X、T,以及添加输出:
y、u、ek、ek_1、X。
第一个公式节点里的公式:
floatdu;
du=Kp*(ek-ek_1)+T/Ti*ek+Td/T*(ek-2*ek_1+ek_2);
u=u+du;
第二个公式节点里的公式:
floatK1,K2,K3,K4;
K1=-0.2*X+2*u;
K2=-0.2*(X+0.5*T*K1)+2*u;
K3=-0.2*(X+0.5*T*K2)+2*u;
K4=-0.2*(X+T*K3)+2*u;
X=X+(K1+2*K2+2*K3+K4)*T/6;
y=X;
(3)将比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td、设定值、仿真步长控件拖入while循环。
在while循环里添加5个移位寄存器,并将5个数值常量与之连线,表示法设置为单精度。
拖入等待时间,数值常量500。
(4)捆绑u、y输出,整体进行连线,完毕后整理程序框图。
(5)设置好参数:
设定值2,比例系数0.5,积分时间0.5,微分时间0,仿真步长0.1,运行程序。
四、实验结果
五、实验分析及问题
一阶系统特点:
(1)比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
(2)积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳
态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
(3)微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性
PID参数对控制系统性能的影响:
1、比例参数Kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。
随着KP的增大系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但是系统易产生超调,系统的稳定性变差,甚至会导致系统不稳定。
Kp取值过小,调节精度降低,响应速度变慢,调节时间加
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