摘 要

本文主要介绍了基于LabVIEW软件的自动控制工程实验系统的搭建，用LabVIEW软件设计了关于控制工程各项实验的虚拟实验室。主要内容包括典型线性环节模拟实验，时域分析实验，频域分析实验，以及系统的稳定性分析与校正。基于LabVIEW的控制工程仿真系统，必须要设计主界面，而实验系统由多个子VI组成，所以首先要设计子模块，然后通过主模块动态调用来完成系统设计和仿真实验过程的模拟，可以实现时域响应的仿真，能够绘制出Nyquist图和Bode图从而对频域进行分析，系统校正则是通过PID环节来实现的。虚拟实验系统的界面与普通硬件仪器相似度比较高，虽然是模拟实验但依然可以达到传统实验的目的，把理论与实践相结合，能够帮助学生更好地掌握所学的知识点，同时教学和实验中的一些问题也得到了解决。

关键词：LABVIEW；自动控制工程；虚拟实验系统

Abstract

This article introduces the application of LabVIEW software in the control engineering experimental system, and uses LabVIEW software to design the virtual laboratory control engineering experimental system. The main contents include simulation of typical linear links, time domain analysis of control systems, frequency domain analysis, stability analysis and system calibration. The control engineering simulation system based on LabVIEW must design the main interface. The experimental system consists of multiple subVIs. Therefore, the submodule must be designed first, and then the dynamic simulation of the system design and simulation should be completed through the main module dynamic call. For example, to implement the time domain response simulation process, draw and analyze Nyquist plots and Bode plots to achieve PID corrections. The interface interaction and interface quality of the virtual experiment system can complete simulation experiments, help students understand and digest, further absorb knowledge points in the learning process, and solve some problems in teaching and experiments.

Key Words：LABVIEW；Control Engineering Foundation；Virtual Test System

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的与意义 1

1.2 课题研究的背景 1

1.3 虚拟仪器的介绍 2

1.3.1 虚拟仪器的特点 2

1.3.2 LabVIEW软件的介绍 2

第2章 虚拟实验系统的设计 4

2.1 应用LabVIEW开发虚拟实验平台的总体构架 4

2.2 应用LabVIEW进行设计的基本原则 4

2.3 应用LabVIEW进行设计的基本步骤 5

2.2.1 前面板设计 5

2.2.2 子VI的设计 5

2.2.3 调用子VI 6

2.2.4 运行调试VI 6

2.2.5 设置参数运行并分析实验结果 7

第3章 实验原理及在LabVIEW中的仿真 8

3.1典型线性环节的模拟 8

3.2时域分析 10

3.2.1 一阶系统的时域分析 10

3.2.2 二阶系统的时域分析 12

3.2.3前面板设计 13

3.2.4程序框图设计 13

3.3频域分析 14

3.3.1 频域分析的图示方法 15

3.3.2 一阶系统频域分析的仿真 15

3.3.3 二阶振荡环节频域分析的仿真 17

3.4稳定性分析 18

3.4.1 Routh稳定判据 18

3.4.2 Nyquist稳定判据 18

3.4.3 Bode稳定判据 19

3.5 PID校正 19

3.5.1 PID控制原理 19

3.5.2 PID控制的仿真 20

第4章 总结与展望 22

4.1 总结 22

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1课题研究的目的与意义

由于教育技术学实验课程体系具有广泛的覆盖面，其内容众多而且复杂，实验原理抽象，可操作性强，实用性强。多媒体的教学设备以及它的运行维护在实验教学比较重要，学生也一定要具备这个能力，应该多学习熟练多媒体教学设备。但因为实验的时间和空间有限，实验教学模式就非常的单调和死板，实验设备不足，传统实验教学经费不充裕，教育技术实验设备昂贵且用于实验教学的仪器已经过时，不能与现代科学技术的发展联系在一起。因为实验系统的模型不完善，影响了实验项目的开展，限制了学生参与实验的研究和独立操作^[1]。现代教学改革对学生和教学设备要求更高，传统实验已经相对落后，改革后的实验教学希望学生拥有更好的科学研究素养和更高的整体素质水平，虚拟实验在一定程度上对实验教学的改革起到了很大的积极推动作用。虚拟实验不仅结合了计算机技术、网络技术，同时与传统实验仪器相结合，实验系统的构建模式得到了很大的改变，实验仪器的综合性能得到了提高。虚拟实验弥补了传统实验方法的短板，让实践教学得到了优化，从而提高了教学质量。在教育技术领域进行虚拟实验的研究，不仅仅代表了理论研究的新方向和新浪潮，同时还是新媒体技术发展的大趋势，综合性的实验可以让学生解决实际问题的能力得到很大的提升^[2]。

1.2 课题研究的背景

电子科学技术、计算机网络技术、通信设备等发展迅猛，传统的实验设备已经越来越满足不了大家的需求，需要往更智能化的方向发展。因此虚拟仪器(VI)的理念就在这样一个大背景下诞生了。

所有的仪器几乎全部分成三部分：采集信号、分析处理、显示输出。以前比较落后的实验设备把具有这三部分功能的部件安装在仪表箱中，需要什么样的功能就使用相应的仪器结构，硬件结构是固定的，非常不方便。但是虚拟仪器能够很轻松地通过程序的改变来灵活地实现多样化的功能，适用性更强，可应用范围更广。

虚拟仪器可以实现多种功能，它的核心是用尽可能少的硬件作为辅助，主要通过软件来达到对信息进行数据采集、存储、分析、显示的作用。使用者可以以自己的需求为参照依据，灵活设计出符合要求的个性化虚拟仪器。仅仅在强大的计算机系统的基础上，运用一血必要的硬件，将硬件和软件相结合进行优势互补，就能够打破传统实验设备的局限性，实现更为强大的功能，这种颠覆性的突破对教育领域、科研领域来说意义重大。

虽然提出虚拟实验室的概念已经有十多年了，因为它极其具有吸引力的应用前景，所以在各国都得到了蓬勃的发展，取得了极大的进步。现在，虚拟实验室在发达国家处于风口浪尖上的位置。美国最先提出虚拟实验室的理念，同时它的发达程度、科研实力和财力都具有比其他国家更大的优势，美国一直以来都很重视虚拟实验室的发展，在这个领域的研究、开发与应用一直处于领先的位置，在很多大学的普及程度非常广泛。搭建虚拟实验室系统在国内教育与研发领域也是重中之重。因为它所具备的特点，在科学与工程的实际应用中起到了非常重要的作用，尤其是在电子，电气，医疗，建筑和生物化学等领域。据了解，中国的很多大学已经根据自己的教学需要开设了虚拟实验室^[3]。

因为可以用软件模拟硬件实验装置的全部功能，所以用Matlab开发的虚拟实验系统比较普遍。在自动控制实验中的一些难题得到了很好的解决，从而提高了“控制工程基础”的教学质量。但是，在传统实验中学生可以自己动手做实验，可以亲自调试硬件，在动手能力的培养和对设备的掌握上比较方便，同时操作硬件实验可以让大家印象更为深刻。在这方面因为Matlab的局限性无法全方位兼顾，搭建的这些虚拟实验系统仅能进行软件的仿真，虽然更方便简单但也有不足之处。此外，基于Matlab软件的虚拟实验常常需要学生对这个软件有一定程度的学习和理解，熟悉这款软件对初中学生来说非常难，所以导致实验结果并不是很完美^[4]。计算机技术在不断发展，NI公司的LabVIEW语言系统更容易得实现了LabVIEW软件和“植入”硬件的强大组合，让测试设计算法更容易，提高了系统的正确性，有效性和适用性。这种编程容易学习上手，学生在学习、掌握并加以应用的过程中会更加方便^[5]。将这种利用LabVIEW软件、第三方公司的数据采集卡、传统的硬件电路设备，搭建的硬件与虚拟实验相结合的实验室系统进行模拟实验效果更佳，会更受欢迎。

1.3 虚拟仪器的介绍

1.3.1 虚拟仪器的特点

虚拟仪器是在计算机技术的基础上开发的一种仪器测量技术，它需要计算机与仪器相互结合起来，仪器的开发一定是以虚拟系统为大方向的。一般情况下，计算机与仪器的结合有两种主要方法，一种是把计算机放到仪器中去，最经典的案例就是智能仪器。随着计算机技术水平的不断提升，它的功能越来越多越来越强大，同时尺寸也越来越小，所以更有利于嵌入式系的发展。另一种方法是将仪器系统放到计算机中，计算机硬件和操作系统可以同时作为支撑从而实现仪器的各种功能，经常提到的的虚拟仪器主要是用这种方法设计的，现在美国开发的LabVIEW软件是最流行的实现虚拟仪器设计的软件工具^[6]。

1.3.2 LabVIEW软件的介绍

1.3.2.1 LabVIEW的VI程序构成

LabVIEW使用图标来进行编程，而传统的编程语言都是文本行。用户在完成使用软件进行设计的过程中要用到工具模板，控件模板，功能模板。前面板，程序框图和VI图标/接线板共同构成了VI程序。使用者主要在前面板进行模拟操作，能够输入参数，也可以输出不同形式的信息，一般情况下前面板由输入控件和显示控件组成。程序图等同于源代码，只不过是以图标的形式呈现的，它按照需要实现的功能来进行编程的。所有的VI都可以当做一个子模块被调用，需要通过VI图标/接线板来实现，而图标/接线板的功能和文本程序中的函数原型一样。

1.3.2.2 LabVIEW的特点及应用

LabVIEW是简单易懂的图形开发环境和可方便变通的G编程语言的联合产物，编程过程比较直观，简单易操作可以进行大规模应用程序的开发。

LabVIEW在数据采集，监控测量等领域的应用较多。它具有了很多的功能控件，用户能够依照自己的需要来实现对应的功能，只需要选取相关图标，连接好对应的图标，输入满足条件的参数，就可以完成所有编程任务。LabVIEW与其他文本行形式的编程语言相比，它有很多优势：比较直观，方便学习，容易上手，程序用块图来编制很好地取代了传统代码的繁琐，可以节约学习时间；同时，它的编程系统适用性强，可以实现复杂的函数编程任务，而它的程序的调试和调试与传统编程是一致的；对于LabVIEW中的数据可以进行动态观测，这种动态连续跟踪的功能在使用过程中非常实用还便捷，效率也更高。它还具有模块化的特点，不同功能的部件都各自是一个小模块，可以很方便得找到使用，程序在独立运行的同时，可以作为子程序被其他程序调用^[3]。

基于LabVIEW的自动控制工程实验系统一共有两种模拟方法：只使用LabVIEW软件自身工具箱，或将LabVIEW和Matlab相结合完成设计任务。LabVIEW图形化的编程，方便学习，容易上手，子程序库很多，但可实现的功能有限；Matlab在计算方面更胜一筹，工具箱更多，但学习和应用过程都比较复杂。LabVIEW和Matlab相结合的编程形式，会让计算机的负担加大，两个软件灵活运用并实现良好对接也很困难^[7]。考虑到本课题中的程序设计任务并不大，可以使单纯LabVIEW来完成，如果有需要可以引入Matlab的函数节点。这种方式很好地将LabVIEW和Matlab的优点相结合，让设计过程更便捷。

第2章 虚拟实验系统的设计

2.1 应用LabVIEW开发虚拟实验平台的总体构架

“控制工程基础”是本科期间机械类专业的主要课程之一,学生必须学会自动控制工程中各部分实验的设计原理和方法。实验是一个可以很好地掌握知识点的途径,亲自体验实验过程，对实验各个步骤加以操作能够帮助学生巩固所学内容，加深对理论课程的理解。然而现在自动控制实验教学还存在很多局限性,实验装置和实验室数量不够充足,实验装置更新速度跟不上时代的变化，专业实验教师资源紧缺等。因此本课题将应用LabVIEW来开发关于控制工程基础的虚拟实验平台。按照课题要求列出将要设计的虚拟实验平台包含的基本内容和需要实现的功能，这样就可以对主界面进行设计了。首先创建主界面前面板，主界面需要涵盖学生学习的基本需求，包含最重要的四个典型实验的选项卡。具体所包含的实验内容如图2.1所示：

图2.1 实验框架

2.2 应用LabVIEW进行设计的基本原则

应用LabVIEW对控制工程基础实验体系的设计是在Windows的大环境下进行的。设计好的完整程序运行起来非常简单，也方便调试修改。可以使用模块化的设计方案，这样可以让使用者能够很容易就理解实验原理，也便于操作，后期还可以非常方便地对实验进行模块化修改，这样就可以便捷地利用程序的可扩展性来实现功能的多样化。在设计虚拟实验体系的过程中可以参考以下几点：（1）界面简洁、元素统一。为了让实验者快速上手，给大家提供良好的使用体验，必须将界面设计得简单明了，保证界面元素尽可能统一。（2）程序正确、设计灵活。程序正确并且可以正常运行是设计过程中需要遵循的最基本的原则，其次设计内容要与课题要求相一致，以便达到预期实验效果。

自动控制工程实验课程教学要求利用LabVIEW设计的虚拟实验平台可以对相关参数进行灵活改变，环节也要多样化，可以通过不同元素的改变来发现所改变的部分对响应过程的影响规律。虚拟实验平台不但能够满足控制工程基础实验课程教学大纲的要求,学生还可以学习该软件对实验内容进行扩展，设计出其他的控制系统，有利于激发学生的兴趣和学习的积极性。

2.3 应用LabVIEW进行设计的基本步骤

2.2.1 前面板设计

在进行实验的主界面设计时，多个选项卡分别对应各个实验和退出按钮。在编程的过程中，每个子VI都会有一个程序框图和一个前面板，前面板包括了应有的的输入和输出，即在前面板上放置一些控制量和显示量，实时分析数据的要求和表达，创建一个临时前面板，可以暂时不编写后面板程序框图。所有程序能够实现的功能都可以在前面板中体现出来，如图2.2所示。

2.2.2 子VI的设计

LabVIEW可以进行模块编程，总体的复杂任务可以被分解成多个部分的子任务，很多个更低级别的小任务可以组成一个子任务，所以庞大的任务体系总是由许多子任务构成。根据图2.1中要完成的实验内容，了解每个实验的基本原理，并通过LabVIEW实现虚拟仿真实验。

前面板由各个控件组成，它们在程序框图中都有相对应的终端。用快捷键lt;Ctrl Egt;可以调出显示程序框图的窗口来完成前面板的设计。前面板界面能够自由切至程序框图界面，切换后会自动弹出功能模板。在这个界面，可以选择或者添加预先设定好的功能对象，编程对象和其他与编程相关的功能对象，同时还需要把节点对象添加到程序框图的界面并使用导线连接起来。

图2.2 主界面前面板

图2.3 调用子VI程序框图

2.2.3 调用子VI

繁琐复杂的任务使用用户界面无法直接实现，这时候可以依照具体的任务将其分为几个小的功能子模块，小的功能模块可以通过子程序（在LabVIEW中称为Sub VI）来进行设计，而每个子程序又可以单独运行。在进行虚拟实验系统的设计时，应该以用户使用体验为参考依据，将整体实验进行划分，不同的实验任务可以通过菜单或按钮来实现。所有完整的VI程序都能当做子VI来调用，子VI的调用的方法和函数节点的调用相像，如图2.3所示。在对前面板进行设计的时候遵循从上到下的原则，所有可以使用这种层次化的窗口来打开各子程序，可以自由地选择需要打开的VI面板，这样的功能更加人性化。所以，在编写程序的过程中，一般情况下从上层开始，设计好对应的输入输出，再进行子程序的编写。当上层模块的设计完成后，就可以对子程序进行调用，让主程序和子程序相结合。因为实验平台是一个可运行的整体，所以完成调用后可以对整体进行检查，不完整的部分需要加以完善。

2.2.4 运行调试VI

完成一个VI的创建后，它可能存在一些问题，可以通过调试进行排查。完成调试后，对相应VI进行运行，检验它与传统仪器所实现的功能是否一样。如果VI程序无语法上的错误，并且处在运行状态就可以加以运行。当VI处于运行状态时，工具栏上的运行按钮看起来处于完整箭头图标；如果程序的是断开的或者未运行的状态，运行按钮显示的是断裂箭头形状，这种情况下VI程序不能执行。要使VI运行，必须确保VI程序中的所有节点（包括功能，结构，Sub VI和前面板端子）在V Disconnect情况下正确连接，请单击按钮或选择主菜单“视图→错误列表”弹出“错误列表”对话框中查找VI断开的原因。不能运行的时候说明程序有误，这时候会显示一个叫“错误列表”的对话框，可以找出程序中具体出现错误的地方，只需要单击“显示错误”或双击“错误描述”即可。

2.2.5 设置参数运行并分析实验结果

按照实验要求，设置满足条件的参数后，点击运行，参照传统仪器的实验结果对虚拟实验进行分析，判断模拟实验是否成功。

第3章 实验原理及在LabVIEW中的仿真

3.1典型线性环节的模拟

能够用线性微分方程表示其数学模型的系统称为线性系统。线性系统符合叠加原理，当系统存在几个不同或者相同的输入量一起作用时，可以单个作用，算出相对应的输出，之后把所有的输出加起来就是系统总的输出，但是非线性系统不符合叠加原理。这个实验模拟的就是把几种常见的信号当作输入时的输出信号，这里以单位阶跃函数为例进行实验系统的设计。包括以下几个环节：

1. 在输出量与输入量成正比的情况下，输出会按比例显示输入，不会出现失真和延迟现象的环节，我们把它叫作比例环节。这个环节的放大系数用K表示（也可以称为增益）。传递函数为：

（3.1）

1. 输出与输入对时间的积分成正比的环节叫做积分环节，输入量对时间的累积就是输出量。传递函数为：

（3.2）

1. 比例微分环节传递函数：

（3.3）

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