基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统设计.doc

基于labview的自动控制原理虚拟实验系统设计小4号楷体，固定行距22pt学生姓名：熊汉鑫 班级：090432指导老师：刘清平摘要：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：labview；自动控制实验；matlab 小4号黑体 指导老师签名：automatic control theory virtual experiment based on labview system design student name :xionghanxin class: 090432supervisor: liuqinpingabstract: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 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 successfully using labview equivalently.in addition,proposal for hardware experiment expansion is put forwand.at last,matlab programming is used for comparison and accuracy certification.keywords:labview;automatic control experiment;matlabsignature of supervisor:目 录第1章 绪论(1)1.1 背景(1)1.2 课题的目的与意义(1)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数学模型的介绍(4)2.1.2单位阶跃响应概括(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数学模型的介绍(5)2.2.2单位阶跃响应慨括(5)2.2.3动态性能(6)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(7)2.3.2校正系统的确定(7)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数学模型的介绍(8)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(10)2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性(10)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(11)2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图(11)2.8.2振幅与角频率的计算(11)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(16)4.1.1功能阐述(16)4.1.2设计过程(16)4.1.3 实验子系统matlab的仿真(17)4.2 二阶系统瞬态响应虚拟实验(18)4.2.1功能阐述(18)4.2.2设计过程(18)4.2.3实验子系统matlab的仿真(21)4.3 系统校正虚拟实验(22)4.3.1功能阐述(22)4.3.2设计过程(23)4.3.3实验子系统matlab的仿真(25)4.4 采样系统虚拟实验(26)4.4.1功能阐述(26)4.4.2设计过程(26)4.4.3实验子系统matlab的仿真(28)4.5 采样系统校正虚拟实验(29)4.5.1功能阐述(29)4.5.2设计过程(29)4.5.3实验子系统matlab的仿真(31)4.6 频率特性虚拟实验(32)4.6.1功能阐述(32)4.6.2设计过程(32)4.6.3实验子系统matlab的仿真(34)4.7 系统稳定性分析虚拟实验(34)4.7.1功能阐述(34)4.7.2设计过程(35)4.7.3实验子系统matlab的仿真(36)4.8 非线性系统虚拟实验(37)4.8.1功能阐述(37)4.8.2设计过程(37)4.8.3在matlab中绘制系统的-1/n与g（jw）轨迹(39)第5章 用户管理程序的设计(41)5.1 登入系统的设计(41)5.2 主程序的设计(41)结论(43)参考文献(44)致谢(45)附录 系统前面板图(46)附录 系统程序框图(52)-62-第1章 绪论虚拟技术的发展使虚拟平台实验的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进模拟实验教学的现代化。本文介绍了基于labview的自动控制实验系统的设计与实现。此系统具有参数调节方便、易实现、可靠度高等优点。在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。1.1背景 “自动控制原理”一门重要的专业基础课，学生需要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。在学习中，最好的方法是调动学生的学习积极性，从而发挥高度的主观能动。学生对课文中的理论学习缺乏主观积极性和学习兴趣，而实践教学过程中能充分调动学生的积极参与意识和表现意识，实验是检验理论的最好方法，而理论又是指导实验的最好依据。实验学习的程中使学生形象生动地掌握了原来枯唱无味的理论知识，又创造了实际动手能力和创造能力，从而最大限度的发挥了良好的学习兴趣。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。对于此问题首先提出了基于matlab的虚拟实验系统，它能比较好的解决目前自动控制实验中的一些问题，并在提高了目前“自动控制原理”教学效果。但是，由于matlab的局限性，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软件模需要学生对其有一定的熟悉和了解，对于初学者来说比较困难。随着计算机技术的发展，采用ni公司的labview的语言系统，开发出基于labview虚拟实验系统，结合第三方公司的数据采集卡，从而实现在课堂上进行模拟实验，并且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，达到显著提高教学效果和实验效果。虚拟实验系统的交互式式接口和良好的界面的特点。可以完成模拟实验，以便更好的帮助学生理解、消化、吸收学习内容，重点解决教学和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和c+开发环境一样，是一种程序语言开发环境，但与现有的labview采用图形化编程语言g语言，产生块状的程序。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：visa库、仪器驱动程序、应用软件。visa(virtual 1nstrumentation software architecture)虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的i/o函数库及其相关规范的总称。一般称这个i/0函数库为visa库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。而matlab是“演算纸”式的程序设计语言，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可以通过调用控件，实现labview与matlab的混合编程，充分发挥两者的优势。本设计正是采用labview和matlab的混合编程思想，通过控件调用和操作来实现自动控制原理中常见实验的虚拟实验系统。 通过不同的软件编程，实现多个仪器的功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。虚拟仪器用户可以才艮据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。通过采用虚拟仪器技术，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。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。1.3 labview的介绍虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是ieee488 或 gpib协议。未来的仪器也应当是网络化的。labview（lboratory virtual instrument engineering workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。labview 集成了与满足 gpib、vxi、rs-232和 rs-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “g” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统，不断完善中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数学模型的介绍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：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：式(2.2)一阶系统惯性环节的方框图如图2.1所示。ui（s）uo（s）图2.1 一阶系统惯性环节方框图2.1.2单位阶跃响应慨括当输入信号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：式(2.3)两端取拉氏反变换，求的其单位阶跃响应为：式(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数学模型的介绍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：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:式(2.6)引入参数，称作二阶系统的自然频率，单位为rad/s。则：式(2.7)二阶系统的方框图如图2.2所示。r（s）+e（s）c（s）图2.2单位阶跃响应方框图2.2.2单位阶跃响应慨括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：式(2.8)对分母多项式作因式分解，得到：式(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： 式(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：式(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：式(2.12)式中，； 。2.2.3动态性能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： 式(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：式(2.14)超调量为：式(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： 式(2.16) 式(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 原系统的原理方框图如图2.3所示。 +c(s)_r(s) 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：式(2.18)所以校正后系统的原理方框图如图2.4所示。+_r(s)c(s) 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。 x（s）xh（s）t图2.5 “采样保持器”原理方框图2.4.2数学模型的介绍闭环采样控制系统原理方框图如图2.6所示。x（s）+ 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：式(2.19)开环脉冲传递函数为：式(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。r（s）+c（s）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：式(2.21)超调量：式(2.22)采用断续校正网络：式(2.23)校正后采样系统的原理方框图如图2.8所示。r（s）c（s）+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。r（s）+h（s）e（s）g2（s）g1（s）c（s）图2.9 被测系统的原理方框图 系统的频率特性g（jw）是一个复变量，可以表示成以角频率w为参数的幅值和相角：式(2.24)图2.9所示系统的开环频率特性为：式(2.25)采用对数幅频特性和相频特性表示为： 式(2.26)式(2.27)根据式2.26和式2.27分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，再根据计算出的数值分别画出幅频特性和相频特性曲线。2.7系统稳定性分析虚拟实验系统设计原理2.7.1用特征方程的根判定系统稳定性线性定常系统闭环特征方程的全部根，不论是实根还是复根，若其实部均为负值，则闭环系统就是稳定的。由此可知，求解控制系统闭环特征方程的根并进而判断所有根的实部是否小于零就可以判定系统的稳定性，这种方法是控制系统稳定性判别的最基本方法，这就是所谓代数稳定判据。系统稳定的充分必要条件是系统特征方程的全部根，或者系统闭环传递函数的全部极点都位于s左半平面。若系统闭环特征方程所有根的实部都小于零，则系统闭环是稳定的，只要有一个根的实部不小于零，则系统闭环就是不稳定的；只要有一个根的实部为零，则控制系统临界稳定，工程上实际将临界稳定当作是不稳定的。2.7.2绘制系统的单位阶跃响应曲线验证系统的稳定性绘制系统的单位阶跃响应曲线可以直观而又方便的判断系统的稳定性，判断方法如下：若输出曲线是发散的，则系统不稳定；若输出曲线是等幅振荡的，则系统临界稳定；若输出曲线是衰减振荡的，则系统稳定。2.8非线性系统虚拟实验系统设计原理2.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图方框图如图2.10所示。e（s）r（s）+m=1c（s） 图2.10 继电型非线性三阶系统的原理方框图2.8.2振幅与角频率的计算若系统的非线性元件-1/n及线性部分的g（jw）的轨迹已知，则：利用交点的虚部为零，求交点的角频率w，即：式(2.28)利用交点在横坐标上，求自振的振幅x，即：式(2.29)这里，继电型非线性元件 第3章 程序方案设计3.1总体设计本毕业设计的主要内容是：应用labview编程语言实现包含“自动控制原理”课程常见8个虚拟实验系统。考虑到涉及的程序较多不好管理，因此，添加了登陆系统和主程序。在正确的登陆以后，进入到主程序，在主程序中包含了所有的“自动控制原理”课程常见实验，可以对它们进行有选择性的操作。为了方便观察实验的输入输出数据，最后添加了输出报表部分。总体设计的流程图如图3.1所示。开始 登入程序主程序 各子系统是 图3.1 总体设计流程图3.2基于labview的虚拟实验系统设计“自动控制原理”中常见的虚拟实验子系统如下：实验一：基于labview的一阶系统典型环节虚拟实验系统实验二：基于labview的二阶系统瞬态响应虚拟实验系统实验三：基于labview的系统校正虚拟实验系统实验四：基于labview的采样系统虚拟实验系统实验五：基于labview的采样系统校正虚拟实验系统实验六：基于labview的频率特性虚拟实验系统实验七：基于labview的系统稳定性分析虚拟实验系统实验八：基于labview的非线性系统虚拟实验系统这些实验有着不同的实验原理，但是，有着相同的设计步骤，其设计的流程图如图3.2所示。开始参数设置调用matlab程序结果显示返回图3.2 虚拟实验设计流程图3.3用户管理程序设计本毕业设计涉及的用户管理程序如3.1节所指：登陆系统和主程序主程序是一个包含所有虚拟实验的程序，其程序框图如图3.3所示。登入系统是按登入后直接进入主程序，其流程图如图3.4所示。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稳定性非线性系统进入系统登入系统 图3.3 主程序设计程序框图开始 进入主程序退出按钮labview界面 图3.4 登陆系统设计流程图 第4章 基于labview的虚拟实验系统设计4.1一阶系统典型环节虚拟实验4.1.1功能阐述本系统为自动控制原理中一阶系统惯性环节的虚拟实验系统，当给一阶系统惯性环节的两个特征参数k和t分别输入不同值时，可以确定不同的传递函数，据此可以画出一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线。自动控制原理中一阶系统的比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节的单位阶跃响应画法与该系统一样。4.1.2设计过程 1. 面板设计启动labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.1所示，面板主要控件如下。2个numeric 控件，分别输入时间常数t和放大倍数k的值；一个xy graph 控件，是为了显示一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线；一个ok button 控件，功能是为了实现功能退出到主程序界面。图4.1 一阶系统惯性环节仪器面板2. 程序框图设计a. 执行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，添加如下的输入、输出变量。输入变量 类型 t real k real 输出变量 类型 t 2-d array of real y 2-d array of real将下面的matlab文件写入节点内。num=k;den=t 1;sys=tf(num,den);t=0:0.01:1.2;y=step(sys,t);b执行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成见附录图一。3. 保存，运行 运行结果如图4.2所示。图4.2 一阶系统惯性环节运行结果4.1.3 实验子系统matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.3所示。图4.3 一阶系统惯性环节matlab仿真 分别设置时间常数t=0.2和放大倍数k=1的值，所得结果和labview仿真的结果相同。4.2二阶系统瞬态响应虚拟实验4.2.1功能阐述本系统为自动控制原理中二阶系统瞬态响应的虚拟实验系统，当给二阶系统的两个结构参数和分别输入不同值时，可以求出该二阶系统的动态性能指标：超调量mp、峰值时间tp和调节时间ts，并且可以输出该二阶系统的单位阶跃响应曲线。4.2.2设计过程1. 面板设计启动labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.4所示，面板主要控件如下。5个numeric 控件，功能是输入二阶系统结构参数和的值，输出性能指标超调量、峰值时间和调节时间的值；1个xy graph 控件6，功能是显示二阶系统的单位阶跃响应曲线；2个ok button 控件，功能是使程序退出到主程序界面。图4.4 二阶系统仪器面板2. 程序框图设计a.执行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量 类型 zeta realomegan real输出变量 类型 sigma realtp realts realt realy real然后，将下面的matlab文件写入节点内。sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta2)(1/2);tp=pi/(omegan*sqrt(1-zeta2);ts=4/(zeta*omegan);num=omegan2;den=1 2*zeta*omegan omegan2;sys=tf(num,den);t=0:0.01:5;y1=step(sys,t);b执行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成后见附录ii图2。3. 保存，运行 欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况下的运行结果分别如图4.5、4.6和4.7所示。 图4.5 欠阻尼情况下运行结果 图4.6临界阻尼情况下运行结果图4.7过阻尼情况下运行结果4.2.3实验子系统matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用matlab软件进行仿真。仿真结果分别如图4.8、4.9和4.10所示。图4.8 欠阻尼情况下matlab仿真 分别设置二阶系统结构参数=0.5和=10，在欠阻尼情况下matlab仿真所得结果和labview仿真的结果相同。图4.9临界阻尼情况下matlab仿真 分别设置二阶系统结构参数=1和=5，在临界阻尼情况下matlab仿真所得结果和labview仿真的结果相同。图4.10过阻尼情况下仿matlab仿真 分别设置二阶系统结构参数=1.50和=3.16，在过阻尼情况下matlab仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.3系统校正虚拟实验4.3.1功能阐述本系统为自动控制原理中系统校正的虚拟实验系统，对于预先给定的受控对象，算出其性能指标，目的是和系统要求满足的性能指标进行对比；由理论推导得出满足要求的性能指标的校正网络后，绘制出系统校正前后的阶跃响应曲线。4.3.2设计过程1. 面板设计启动labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.11所示，面板主要控件如下。4个numeric 控件，功能是输入未校正系统的阻尼比和角频率的值，输出超调量和调节时间的值；1个xy graph 控件，功能是输出未校正系统的调节时间；1个ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。图4.11校正系统仪器面板2. 程序框图设计a.执行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量 类型zeta（） realomegan（） real输出变量 类型 sigma（mp） real ts real t1 2-d array of real y1 2-d array of realt2 2-d array of real y2 2-d array of real然后，将下面的matlab文件写入节点内。k0=20;n1=1;d1=conv(1 0,0.5 1);s1=tf(k0*n1,d1);sys1=feedback(s1,1);t1=0:0.01:6;y1=step(sys1,t1);sigma=exp(-zeta*pi/(1-zeta2)(1/2);ts=4/(zeta*omegan);n2=0.5 1;d2=0.05 1;s2=tf(n2,d2);sope=s1*s2;sys2=feedback(sope,1);t2=0:0.01:0.6;y2=step(sys2,t2);b执行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成后见附录ii图3。3. 保存，运行 运行结果如图4.12所示。图4.12 校正系统运行结果4.3.3实验子系统matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用matlab软件进行仿真。仿真结果分别如图4.13和4.14所示。图4.13 系统校正前的matlab仿真图4.14系统校正后的matlab仿真 分别设置未校正系统的阻尼比为0.15和角频率为6.3的值，在matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.4采样系统虚拟实验4.4.1功能阐述本系统为自动控制原理中采样系统的虚拟实验系统，当给采样系统的采样周期t输入不同值时，可以确定不同的传递函数，据此可以画出采样系统的单位阶跃响应曲线。4.4.2设计过程1.面板设计启动labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.15所示，面板主要控件如下。图4.15 采样系统仪器面板1个numeric 控件，功能是输入采样系统的采样时间t；1个xy graph 控件，功能是显示采样系统的单位阶跃响应曲线；1个ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。2. 程序框图设计a.执行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量 类型 t real 输出变量 类型 t 2-d array of real y 2-d array of real然后，将下面的matlab文件写入节点内。num=12.5*(2*t-1+exp(-2*t) 12.5*(1-exp(-2*t)-2*t*exp(-2*t);den=1 25*t-13.5+11.5*exp(-2*t) 12.5-11.5*exp(-2*t)-25*t*exp(-2*t);sys=tf(num,den,t);t=0:0.01:3;y=step(sys);b执行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成后见附录ii图4。 3.保存，运行 运行结果如图4.16所示。图4.16 采样系统运行结果4.4.3实验子系统matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.17所示。图4.17采样系统matlab仿真 设置采样系统的采样时间t=0.03，在matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.5采样系统校正虚拟实验4.5.1功能阐述本系统为自动控制原理中采样系统校正的虚拟实验系统，当给采样周期t一个输入值时，可以分别确定校正前、后采样系统的传递函数，由传递函数可以分别画出校正前、后采样系统的单位阶跃响应曲线。校正后采样系统的校正网络是由要求的性能指标理论推导得出。4.5.2设计过程1. 面板设计启动labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.18所示，面板主要控件如下。1个numeric 控件，功能是输入未校正采样系统的采样周期；2个xy graph 控件，功能是分别显示校正前、后的单位阶跃响应曲线；1个ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。图4.18 采样系统校正仪器面板2. 程序框图设计a.执行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量 类型 t real 输出变量 类型 t1 2-d array of real y1 2-d array of realt2 2-d array of real y2 2-d array of real然后，将下面的matlab文件写入节点内。n1=30;d1=conv(1 0,0.1 1);s1=tf(n1*k1,d1);s = tf(s); s3 = (1+t*s-(t2)*(s2)/ss4=s1*s3;sys1=feedback(s4,1);t1=0:0.01:5;y1=step(sys1);n2=0.68 1;d2=5 1;s2=tf(n2,d2);s5=s1*s2*s3*s3;sys2=feedback(s5,1);t2=0:0.01:2.5;y2=step(sys2);b执行functionsall functionsarrayreshape array操作，功能是将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成后见附录ii图5。3. 保存，运行 运行结果如图4.19所示。图4.19采样系统矫正运行结果4.5.3实验子系统matlab的仿真在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验子系统进行验证，采用matlab软件进行仿真。仿真结果如图4.20和4.21所示。图4.20校正前采样系统的matlab仿真图4.21 校正后采样系统的matlab仿真 设置未校正采样系统的采样周期=0.03，在matlab下仿真所得结果和labview仿真的结果相同。4.6频率特性虚拟实验4.6.1功能阐述本系统为自动控制原理中频率特性的虚拟实验系统，能够针对不同的传递函数，进行幅值、相位和频率的测量，并可以画出幅频特性和相频特性曲线。4.6.2设计面板1.面板设计启动labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图4.22所示，面板主要控件如下。图4.22 频率特性仪器面板5个array 控件，功能是输入传递函数分子和分母参数值，输出幅值、相位和频率；2个xy graph 控件，功能是显示幅频特性曲线和相频特性曲线；1个ok button 控件，功能是可以退出到主程序界面。2. 程序框图设计a.执行functionsall functionsanalyzemathematicsformulamatlab script操作，然后添加如下的输入、输出变量。输入变量 类型 num 2-d array of real den 2-d array of real 输出变量 类型 mag 2-d array of real pha 2-d array of realw 2-d array of real 然后，将下面的matlab文件写入节点内。w=logspace(-1,1,100);figure(1)mag,pha,w1=bode(num,den,w);subplot(211); hold onsemilogx(w1,mag);subplot(212); hold onsemilogx(w1,pha); end subplot(211); grid on title(bode plot); xlabel(frequency(rad/sec); ylabel(gain db); subplot(212); grid on xlabel(frequency(rad/sec); ylabel(fhase deg); hold