基于LabVIEW的自控原理实验系统的设计论文.docx
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基于LabVIEW的自控原理实验系统的设计论文
武汉纺织大学
毕业设计(论文)任务书
课题名称:
基于LabVIEW的自控原理实验系统的设计
完成期限:
2015年1月1日至2015年5月24日
学院名称机械工程与自动化学院专业班级自动化1102
学生姓名杜健学号1102081057
指导教师张海霞指导教师职称讲师
学院领导小组组长签字
一、课题训练内容
(1)通过毕业设计培养学生综合应用能力,巩固与扩展所学的基础理论和专业知识,培养学生独立分析、使用计算机解决实际问题的能力;
(2)通过毕业设计,培养学生正确的设计思想、理论联系实际的工作作风、严肃认真的科学态度、团结协作的团队精神;
(3)训练收集查找LabVIEW虚拟实验系统设计和自动控制原理实验的中外文专业资料及对文献的阅读与翻译能力;
(4)学习相关的背景知识,训练用LabVIEW来进行虚拟实验系统的设计与仿真;并学会用Matlab来编程进行仿真验证所设计系统的正确性;
(5)训练查找错误及解决问题能力;
(6)训练工程设计及实验研究能力;
(7)训练计算机仿真编程及应用能力,提高系统软件设计和开发的能力;
(8)通过对已完成的工作进行整理,以及毕业设计论文的撰写和毕业答辩,使学生的书面和口头表达能力得到进一步的训练和提高。
二、设计(论文)任务和要求(包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量的具体要求)
1.设计任务
学习虚拟仪器软件LabVIEW,利用LabVIEW设计所学过的自动控制原理实验系统:
(1)一阶系统虚拟实验设计;
(2)二阶系统虚拟实验设计;
(3)系统根轨迹的绘制虚拟实验设计;
(4)系统Nyquist图的绘制虚拟实验设计;
(5)系统Bode图的绘制虚拟实验设计;
(6)串联校正虚拟实验设计。
(7)非线性系统虚拟实验设计
最后通过学习计算机仿真软件Matlab,对所设计系统进行验证。
2.设计要求
(1)提交开题报告一份,提交时间3月10日左右,字数在2000~3000字之间,内容需包含课题意义,所属领域的发展状况,本课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤以及参考书目等;
(2)提交毕业设计论文一份,正文在15000字左右,按照武汉纺织大学毕业设计模版格式要求规范撰写;
(3)翻译一篇与本课题相关的英文专业资料,其对应的中文翻译在4000字左右;
(4)设计程序,图表完整齐备;
(5)实时进行LabVIEW仿真。
三、毕业设计(论文)主要参数及主要参考资料
1.主要参数
本设计由学生利用软件自主设计,参数可变,没有固定的参数,只要能达到实验效果即可。
2.主要参考资料
[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京,科学出版社,2007.
[2]冯巧玲.自动控制原理(第二版)[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
[3]曹戈.MATLAB教程及实训[M].北京:
机械工业出版社,2008.
[4]JeffreyTravis著乔瑞萍译.LabVIEW大学使用教程(第三版)[M].北京:
电子工业出版社,2008.
[5]马蔷等.基于虚拟仪器的自动控制原理实验系统[J].上海:
实验室研究与探
索,2005(增刊).
[6]郑对元等.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京:
清华大学出版社,
2012.
四、毕业设计(论文)进度表
武汉纺织大学毕业设计(论文)进度表
序
号
起止
日期
计划完成内容
实际
完成情况
检查人签名
检查日期
1
2015-01-01至2015-01-25
确定课题方向,查找与课题相关的文献资料
2
2015-01-26至2015-03-10
确定研究方案与步骤,撰写开题报告
3
2015-03-11至2015-04-01
进行设计的总体规划
4
2015-04-02至2015-04-20
学习LabVIEW和Matlab软件,复习自动控制原理等理论知识
5
2015-04-21至2015-05-2
设计LabVIEW虚拟实验系统并进行Matlab仿真
6
2015-05-3至2015-05-20
撰写毕业设计论文,按时提交初稿
7
2015-05-21至2015-05-23
修改论文
8
2015-05-24
进行毕业答辩
注:
1.本任务书一式两份,一份学院留存,一份发给学生。
2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写,其余各项均要求打印,打印字体和字号按照《武汉纺织大学毕业设计(论文)规范》执行。
摘要
本文基于NI公司推出的的虚拟仪器开发软件LabVIEW,研究以图形化软件编程方式和集成开发环境来实现《自动控制原理》课程中常见虚拟实验系统的设计,以解决《自动控制原理》课程实验教学在高校实验教学实践中遇到的困难和满足实验教学改革的需要。
文中首先检验介绍了虚拟仪器的构成、特征及发展过程、开发环境LabVIEW的使用;其次,介绍了《自动控制原理》课程中常见的实验及其原理;最后,提出基于LabVIEW的虚拟实验系统的设计方案,包括设计步骤及效果演示。
本系统能解决实验教学中的一些难点问题,提高学生学习兴趣,能够为实验教学提供一个广阔的发展空间,具有较大的应用价值。
关键词:
虚拟仪器、自动控制原理实验、LabVIEW
ABSTRACT
ThispaperisbasedonVirtualInstrumentsoftwareLabVIEWofNICo.Utilisinggraphicalsoftwareprogrammingandintegrateddevelopmentenvironmenttoachievethe``AutomaticControlTheory``Virtualexperimentsystemdesign.Tosolvetheproblemencounteredinactualexprimentteachingof``AutomaticControlTheory``inuniversitiesandmeettheneedofexperimentteachingrevolution.
Firstly,IntroducetheVirtualInstrumentbrieflyinthepaper,includingtheform,classification,applicationandtheuseofgraphicsmodesoftwareLabVIEW.Thenintroducesthe principleofexperimentsinthecourseof``AutomaticControlTheory``.Finally.theprojectofexperimentsystemof``AutomaticControlTheory``basedontheLabVIEWisgiven,includingsystemstructure,functionandperformancecharacteristicsaswellasthedesignprocessandmethods,
Keywords:
VirtualInstrument,AutomaticControlTheory,LabVIEW
1.前言…………………………………………………………………….….………………1
1.1背景………………………………………………………………………..………………1
1.2虚拟仪器技术的介绍…………………………………………….…………………2
1.2.1虚拟仪器的简介……………………..…………………………………….…2
1.2.2虚拟仪器的特征…………..……………..…………..……….………………3
1.2.3虚拟仪器的组成…………………………………….………….………………4
1.2.4虚拟仪器的发展过程…………………………………………….………..…5
1.3虚拟仪器开发平台LabVIEW……………………………………….………...…5
1.3.1LabVIEW概述…………………………….………..…………..………….....…5
1.3.2LabVIEW工作原理……………………………………….…………….….…6
2.自动控制原理中常见实验原理……………………………………….…9
2.1一阶系统实验原理………………………………………………………….………9
2.1.1数学模型建立……………………………………………….………10
2.1.2单位阶跃响应………………………………………….……………10
2.2二阶系统实验原理……………………………………………………………...….10
2.2.1数学模型建立………………………………………….…….……………….11
2.2.2单位阶跃响应……………………….………………….……………11
2.2.3二阶系统动态性能指标计算………………………..…….……………12
2.3线性系统根轨迹实验原理…………………………………………………..….13
2.3.1线性系统根轨迹的概念…………………………….………………….….13
2.3.2线性系统根轨迹的绘制依…………………………..……….……13
2.3.3线性系统根轨迹的绘制基本法则……………..………..……14
2.4线性系统根轨迹实验原理……………………………………………………....15
2.4.1频率特性的定义……………………….…………………………………….15
2.4.2频率特性的图示方法………………………………………………………16
2.5串联校正实验原理………………………………………………………………..17
2.5.1串联矫正的概念………………………………………….………….……….17
2.5.2串联矫正装置………………………………….……………………………..18
2.6非线性系统实验原理…………………………………………………………..18
2.6.1继电器型非线性非线性三阶系统……………………………………...18
2.6.2振幅与角频率的计算......................................................................................18
3基于LabVIEW的虚拟实验系统设计……………………………………..…19
3.1一阶系统虚拟实验设计………………………………………………….…….19
3.1.1功能描述……………………………………………………………………….….19
3.1.2设计步骤………………………………………………………………………….19
3.1.3运行效果…………………………………………………………………………20
3.2二阶系统虚拟实验设计………………………………………………………….20
3.2.1功能描述…………………………………………………………..…….………..20
3.2.2设计步骤…………………………………………………………….……………21
3.2.3运行效果……………………………………………………………….………....21
3.3根轨迹虚拟实验设计……………………………………………………………23
3.3.1功能描述………………………………………………………………………..23
3.3.2程序设计…………………………………………………………………….…..23
3.3.3显示效果………………………………………………………………………..25
3.4频率特性之伯德图虚拟实验设计……………………………………...…..25
3.4.1功能描述…………..……………………………………………………….…..25
3.4.2设计步骤………….…………………………………………………..………..25
3.4.3显示效果……………………………………………………………..………...26
3.5频率特性之奈氏图虚拟实验设计……………………………………....….26
3.5.1功能描述…………….………………………………………………….…..…..27
3.5.2程序设计………………………………..…………………………………….27
3.5.3显示效果……………………………………………………………………..…27
3.6串联校正虚拟实验设计……………………………………..………………….28
3.6.1功能描述……………………………………..……………………………………28
3.6.2设计步骤………………………………………………………………….…..…..28
3.6.3显示效果……………………………………………………………..……..…..30
3.7非线性虚拟实验设计…………………………………………………….……..…..30
3.7.1功能描述………………………………………………………………..……..…..30
3.7.2设计步骤………………………………………………………………..……..…..31
3.7.3显示效果……………………………………………………………………..…....31
3.8登录系统实验设计…………………………………………………………...…..32
3.8.1功能描述……………………………………………………………………..……32
3.8.2程序设计……………………………………………………………………..……32
3.8.3显示效果……………………………………………………………..………..….33
4结论………………………………………………………………………………….………34
参考文献………………………………………………………………………………………35
致谢………………………………………………………………………………………..……36
1前言
1.1背景
在我国自动化及其相关专业的教学中,《自动控制原理》是一门重要的专业基础课,该课程旨在让学生掌握自动控制系统的分析及设计方法,为设计和调试工业上自动控制系统打下坚实基础。
由于该课程实践性极强,所以在课程教学中实验教学是一种重要的教学手段。
通过实验教学,可以加深学生对教学内容的理解,同时培养学生动手能力,锻炼学生发现问题、分析问题、决解问题的能力。
但是目前自动控制实验教学存在一系列的问题,诸如:
实验设备由传统模拟或数字器件构成,设备容易老化;实验设备建设重复,沉积较多,利用率差,造成资源浪费;实验设备参差不齐,大部分落后于课程建设的需要,设备维修更新需要大量的人力物力;滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的学习自主性和创造性,甚至在教学过程中,常常缺乏专业的实验指导教师。
这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。
因此各种虚拟实验方法相继提出[2]。
首先提出了基于MATLAB的虚拟实验系统,MATLAB是一广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言,由主开发环境、扩展MATLAB功能的工具箱、Simulink仿真环境和第三方开发的辅助工具等内容组成。
它可靠的数值计算和符号计算功能、简单易学的编程语言、强大的图形功能以及为数众多的应用工具箱以及像“草稿纸”一样的工作空间是区别于其它科技应用软件的显著特点。
在自动化专业教学中引入MATLAB仿真解决了目前自动控制实验教学中的一些问题,并在一定程度上提高了《自动控制原理》课程的教学效果。
但是,由于MATLAB是用软件模拟了硬件的全部功能,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,MATLAB软件模拟实验往往需要学生对其有一定的了解,这对低年级的学生来说有一定的困难。
随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展,采用NI公司推出的虚拟仪器开发平台LabVIEW,以图形化编程语言和集成开发环境,开发出基于LabVIEW的虚拟实验系统,结合第三方公司提供的数据采集卡(DQA),对虚拟实验系统稍加改动就能够实现对课堂上的教学内容进行模拟实验,可以显著的提高教学效果。
基于LabVIEW虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点,使得用户可以自己定义仪器,灵活的设计仪器系统。
用户可以用虚拟仪器来组建适合自己的任何仪器系统,再也不必将自己封闭在功能固定、性能单一而且价格昂贵的传统仪器中。
用户只需利用一套数据采集硬件设备,通过软件编程,就可以实现多个仪器的功能。
在实验教学课程中采用虚拟仪器技术,不仅大大节约了经费,还可以提高实验室建设水平,满足大学实验课程不断改革的现实需要,为大学实验课程建设提供了一条可行的途径。
虚拟仪器具有仿真的用户面板,学生通过虚拟面板控件就可以了解仪器原理、功能和操作。
虚拟仪器采集的是现场的真实的物理数据,可通过与其他仪器,电路相互配合,完成实际实验课程内容,达到与用实际仪器教学相同的实验目的,很大程度上虚拟仪器可以代替真实仪器进行实验教学。
并且学生在实验时不必担心顺坏仪器,让学生在学习枯燥的理论课程的同时,从实验课程中找到学习的乐趣,极大的提高学生的学习兴趣,激发学生自主学习的积极性。
1.2虚拟仪器技术的介绍
1.2.1虚拟仪器的简介
虚拟仪器是个全新的概念,是计算机技术和仪器技术的结晶,同样也是测试技术和计算机深层次结合的产物。
从计算机和仪器两者的结合粗略地讲,虚拟仪器可以分为智能仪器和虚拟仪器。
它们的区别是,前者把计算机装入仪器,后者把仪器装入计算机。
虚拟仪器把计算机的处理器、存储器、显示器和仪器的数模转换器、模数转换器、数字输入输出等结合到一起,用于数据的分析处理、传输、显示等。
它充分利用了计算机的优势,可以对数据进行大量的计算和存储。
虚拟仪器是在传统仪器的基础上发展出来的,完全继承了传统仪器的所有特点,并超越了传统仪器。
其把传统仪器的显示和硬件数据处理引入到计算机中来显示并进行软件处理,这也是近年来计算机迅速发展的结果。
虚拟仪器配置了多种相应的I/O接口设备进行数据采集,用不同功能的测试软件对数据信号进行分析处理及显示,构成一整套的虚拟测试系统。
虚拟仪器具有强大的数据分析、数据处理能力,也具有友好的人机界面。
其各个功能和面板可以由编程用户根据需要进行扩展和自定义。
因而用户不用花费昂贵的价格购买多种不同功能的仪器,只需要在最基本的虚拟单位上进行自行开发。
在不同时期的不同场合下,用户可以编写程序来实现对不同环境的测量,达到资源节省。
随着网络技术的发展和完善,还可以通过网络实现仪器的远程调试和控制。
虚拟仪器的产生,彻底改变了多年来传统仪器的观念,开辟了测量及控制领域的新纪元。
虚拟仪器实现了仪器的智能化、多样化和模块化等功能,体现出多功能、低成本等显著优点。
与传统仪器相比,虚拟仪器具有更大的应用范围,因此它成为仪器行业发展的一个重要方向,并受到许多国家仪器行业的重视。
1.2.2虚拟仪器的特征
虚拟仪器的出现到现在的广泛应用经历了几十年,可以说它的发展速度是相当快的,尤其是近年来各行各业中大量应用此技术。
它的迅速发展,主要依托如下几个方面:
(1)性能高,虚拟仪器是建立在计算机平台基础之上的,随着计算机运行速度的快速发展、数据传输能力的不断加强及与PC总线的结合,数据高速导入磁盘的同时就能适时地进行复杂的分析计算并保存。
同时越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现出更强大的优势,使数据分享进入了一个全新的阶段;
(2)扩展性强、灵活性好,虚拟仪器的提出是针对于传统仪器而言的,它们之间最大的区别是虚拟仪器完成的测量或控制任务中所需的软件和硬件设备是由用户定义的。
虚拟仪器具有开放的模块化设计,用户可按自己的要求对其开发使用。
其软件适用性强,只需修改程序和部分硬件就能开发出不同的测试系统;(3)智能化程度高,虚拟仪器相关的软件应用简单,功能强大,集成了大量常用工具。
它具有强大的数据分析、计算,图形显示等功能。
虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口,如数据采集、视觉、运动和分布式I/O等,帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统,减少任务的复杂性;(4)界面友好,虚拟仪器采了图形化界面,在屏幕上可以直接构建仪器面板。
这些操作过程简单、快捷,仪器功能选择、参数设置和显示等都可以通过友好的人机对话来实现;(5)开发时间少,高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起,使开发过程相当快。
它提供了充分发挥个人才能和想象空间的平台,可编写适合自己的仪器仪表。
虚拟仪器软件构架的初衷就是为了方便用户的灵活操作,同时提供强大的功能,让用户能轻松地配置、创建、发布和维护一个系统;(6)兼容性,虚拟仪器和传统仪器会并存一段时间,有一些场合必然要将两者配合使用,他们之间的兼容性问题已成为关注的焦点。
现在的虚拟仪器可基本都可与传统仪器兼容,也就是说虚拟仪器可以和传统仪器搭配工作。
虚拟仪器提供了与传统仪器连接的总线,例如USB、GPIB、串行总线和以太网等,同时也提供了大量互相连接的函数库,方便它们之间的连接。
1.2.3虚拟仪器的构成
虚拟仪器的构成主要包括三部分:
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)。
有些虚拟仪器前俩部分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能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1-1。
图1-1传统仪器与虚拟仪器组成的对比图
1.2.4虚拟仪器的发展过程
虚拟仪器产生的关键是测试计算的发展和计算机水平的提高。
随着计算机技术的飞速发展,是许多行业发生了巨大的变化,各行业之间的联系更加紧密。
世界上最早开发虚拟仪器的公司是NationalInstrument(简称NI)公司。
20世纪70年代,杰姆特鲁查德和杰夫柯德斯凯俩人为美国海军研制一种声纳测试仪,它是基于计算机的测试仪,能为用户提供多种数据、多层次的交互式接口,并在计算机的控制下完成指定的测试任务,它还可以对系统中的可编程控制器进行编程,配置不同的测试系统,这就是第一次开发出的虚拟仪器,成本相当高而且开发的周期很长,用户在操作过程中要学习很多的指令,难以在短时间内掌握。
后来杰姆特鲁查德和杰夫柯德斯凯俩人在多次研发后,总结经验,将一些功能进行了模块化处理,大大简化了程序结构和操作的复杂性。
这是一次里程碑式的改进,为以后虚拟仪器的发展提供了良好的基础。
经过不断的改进,1986年5月NI公司推出了LabVIEWBeta版本,同年10月推出了LabVIEW1.0正式版。
在Windows3.0操作系统出现之前,LabVIEW完全运行在Macintosh平台上。
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