自动控制原理实验

自动控制原理实验讲义适用专业：测控技术与仪器仪表主讲教师：徐攀峰辽宁大学教务处制二零一五年九月实验一LabView与Multisim基础一、实验目的1、熟悉LabView与Multisim的开发环境和编程方法。2、掌握基于LabView的传递函数的建立显示与仿真方法。3、掌握基于Multisim电路设计与仿真方法。二、实验用品及设备安装有LabVIEW2011及控制仿真包与DAQ助手的计算机三、实验内容（一）虚拟仪器概述虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。图1.1虚拟仪器设计方案虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。（二）Labview基础LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，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流程图。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位编译器。在开始菜单里找见NILabview2011点击打开，会出现如下界面：图1.1Labview2011启动界面从文件新建VI或者从左半部分中的新建VI都可以打开如下界面：图中前图是虚拟仪器的前面板，是用户使用的人机界面，后面的是程序框图界面（即后面板）。1.2Labview2011前面板与后面板所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图1所示是一个随机信号发生和显示的简单VI是它的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象——开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。图1.3随机信号发生器的前面板控制对象显示对象流程图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图1.3是与图１.4对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个WhileLoop循环，由开关控制这一循环的结束。图1.4随机信号发生器的程序框图如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。循环结构与前面板对应的连线端子与前面板对应的连线端子随机数在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括控制（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。控制模板（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。如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。控制模板如左图所示，它包括如下所示的一些子模板。子模板中包括的对象，实现各种功能。图1.5控制模板与功能模板功能模板(FunctionsPalette)注：只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。功能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。若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette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功能模板。（三）LabVIEW与自动控制系统数值仿真1、LabVIEW控制设计工具包系统的数值仿真是依赖LabVIEW控制设计工具包完成的。必须加载控制工具包，所以在上使用LabVIEW的时候必须正确安装LabVIEW控制设计工具包。在正确安装了LabVIEW控制设计工具包后，函数选板中会出现相应的“控制设计与仿真(ControlDesign&Simulation)”子选板，如图1.6所示，其中包含了控制设计与仿真所有的VI库，控制设计与仿真工具包中所包含的VI库相当丰富，涵盖了控制系统数学模型的建立、转换，各种时域和频域分析方法，以及经典和现代控制理论中所涉及的其他许多分析和设计方法，使得该工具包完全可以成为控制设计和仿真领域内一个独特和强大的工具平台。图1.6控制设计工具包的VI库2、传递函数模型的产生控制系统的传递函数模型输入分子分母多项式系数来确定，而系统将输入转化为传递函数是由创建传递函数模型进行的，使用传递函数模型，重要的端子为分子和分母，将所输入的分子分母多项式系数分别存入数组中，通过数组传递给传递函数模型，也就是连接Numberator和Denominator两个端口,通过对分子和分母的输入，达到得到输入传递函数的目的。如图1.7所示图1.7传递函数输入与产生程序3、数组数组是由同一类型数据元素组成的大小可变的集合。同其他语言一样，Labview也提供了数组结构，数组是相同数据类型的集合，这些数据类型可以是数组型，布尔型，字符串型等。当需要频繁地对一批数据进行绘图时，使用数组将获益匪浅。（1）数组的建立：从前面板上创建数组：打开前面板，在控件→新式→数组，矩阵与簇→数组，如图1.7：（2）再在里面放置一个数值输入控件即可，如图1.7：（3）如果要显示更多的数组成员，在工具选项板上选择定位工具，在数组的边框停滞，当出现网状拐角后就可以拖动增加或减少显示区域。如图4、传递函数方程的显示要进行传递函数的绘制及显示，应将所建立的传递函数模型的端口与绘制传递函数方程端口相连接，通过得出传递函数模型空间将传递函数转换成图片格式，再连接显示控件，将传递函数在前面板显示出来。如图1.9所示图1.9传递函数显示程序5、传递函数阶跃响应数值仿真要进行传递函数的阶跃响应的数值仿真，应将所建立的传递函数模型的端口与控制设计阶跃响应端口相连，并将阶跃响应输出端口与X-Y图控件连接，控制系统阶跃响应的数值仿真结果。图1.10传递函数阶跃响应数值仿真程序（三）Multisim基础Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。启动Multisim12以后，出现如图1.11界面图1.11Multisim启动页面Multisim的常用元件库如下：图1.12Multisim的元件库Multisim的仪器仪表栏如下：图1.13Multisim的仪器仪表栏（四）LM324的使用LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。其管脚接线图如图1.14所示图1.14LM324管脚图四、实验步骤（一）LabVIEW基础练习1、请制作一温度计显示系统，要求温度计显示随机产生的0—100℃的温度。并由一数值显示框实时显示温度（显示值保留小数点后两位数字）。2、请制作锅炉控制演示系统。该系统要求，锅炉的容量V不超过为1000，水温T将保持在70—80℃之间，并与锅炉容量呈一定线性相关。3、请建立一个二阶系统数值仿真程序，该程序可以通过在前面板中输入传递函数的多项式系数，获得传递函数，并显示其阶跃响应的数值仿真结果。4、请设计一个输出比例为2为比例环节的电路，并利用Multisim进行仿真。