虚拟仪器技术的自动控制原理”实验系统设计
虚拟仪器技术的自动控制原理”实验系统设计[20200121204513]
摘要
自动控制原理是测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课，主要研究控制理论的基本概念、基本理论、基本分析2方法和实际应用。由于该课程理论概念抽象，涉及繁琐的数学理论和推导，容易使学生感到乏味，很难掌握基本问题、思想和方法。除了理论教学外，实验教学也是其中不可缺少的环节。
为了进一步提高教学质量，在“自动控制原理”实验教学中，需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件。LabVIEW是一款主要应用于计算机数据采集和数字信号处理的软件，采用图形化编程语言，具有形象、直观、数据处理能力强等特点，符合实验教学的要求。基于LabVIEW设计“自动控制原理”实验系统，对于提高该课程的教学效果具有重要的意义。
本文中“自动控制原理”实验系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，设计了一套基于虚拟仪器技术的“自动控制原理”实验系统，该实验系统可以实现包括控制系统典型环节模拟、典型环节的稳定性分析、线性系统的频率响应、线性系统的校正等实验。
本文首先对基于虚拟仪器技术的“自动控制原理”实验系统的研究背景、研究意义进行了介绍；并对虚拟仪器技术和LabVIEW的特点进行了简介，以及对数据采集卡进行描述。本文将LabVIEW软件引入“自动控制原理”实验系统中，开发了基于LabVIEW的“自动控制原理”实验系统。该系统利用NI ELVISⅡ数据采集卡的输出通道来产生与提供各种信号源，通过数据采集卡读取外部的信号源并在软件内部对外部信号进行分析处理，并对数据进行保存。本文对实验系统的软件设计与功能实现作了详细的介绍。
实际应用表明，本文设计的系统具有形象、直观、数据处理能力强、人机界面友好等特点，符合实验教学的要求，对于提高“自动控制原理”的教学效果具有重要的意义。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:自动控制原理实验LabVIEW虚拟仪器技术数据采集
目录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究方法和系统描述 2
1.4主要工作和论文结构 3
1.4.1 主要工作 3
1.4.2 论文结构 3
2. 实验系统的整体设计及硬件配置 4
2.1设计思路 4
2.2 系统的硬件设备 4
2.3 MAX的功能介绍 5
2.4数据采集卡介绍 6
3. 实验原理概述 8
3.1 控制系统典型环节模拟的实验原理 8
3.1.1 比例环节（P） 8
3.1.2 积分环节（I） 9
3.1.3 比例积分环节（PI） 10
3.1.4 惯性环节（T） 11
3.1.5 比例微分环节（PD） 12
3.1.6 比例积分微分环节（PID） 13
3.2 典型系统的稳定性分析实验原理 15
3.2.1 典型的二阶系统稳定性分析 15
3.2.2 典型的三阶系统稳定性分析 16
3.3 线性系统的频率响应的实验原理 18
3.3.1 实验原理 18
3.3.2 一阶惯性环节 18
3.3.3 线性系统 19
3.4 线性系统的校正的实验原理 21
3.4.1 实验内容 21
3.4.2 串联校正网络的设计 21
3.4.3 电路设计 21
4. 实验系统软件设计与功能实现 23
4.1 系统软件架构设计 23
4.2 主界面的设计及调试 23
4.2.1 主界面的设计 23
4.2.2 主界面调试 31
4.3 实验模块的软件设计 35
4.3.1 初始化状态 36
4.3.2 等待状态 36
4.3.3 开始实验状态 37
4.3.4 保存状态 40
4.3.5 退出状态 40
4.4 实验模块的调试 41
4.4.1 控制系统典型环节模拟的调试过程 41
4.4.2 线性系统的频率响应的调试过程 44
4.5 实验结果分析 49
4.5.1 控制系统典型环节模拟 49
4.5.2 典型环节的稳定性分析 58
4.5.3 线性系统的频率响应 61
4.5.4 线性系统的校正 62
5. 总结与展望 64
5.1 总结 64
5.2 展望 64
参考文献 65
致 谢 67
1. 绪论
1.1 课题背景
近年由于信息技术的不断发展和信息技术应用领域的不断拓展，自动控制原理这门课程已经从电子信息工程类专业的专业基础课程扩展成电气工程、电子信息、测控技术、计算机技术、电子技术、生物医学工程等众多电类专业的专业基础课程。而在大学期间，作为自动化方面的工科生，自动控制原理这门课程是我们的必修课程之一，但是这门课程概念多、推导多、理论抽象，在学习起来时普遍感到不能很好地理解和掌握课本中所阐述基本理论与分析方法。因此怎样帮助学生理解与掌握自动控制原理的基础知识以及培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力成为授课老师在讲述本课程教学的难点。
为了进一步提高教学质量，帮助学生更好的理解与掌握自动控制原理的基础知识以及培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力，因此在自动控制原理实验教学中，需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件来实现。而LabVIEW是一种具有形象、直观、数据处理能力强等特点的图形化的编程语言，编程简单直观，使用这种语言编程时，用流程图代替程序代码，编程简单容易符合实验教学的要求，可以提高教学效果和学生实践应用能力。
1.2 国内外研究现状
本课题针对“自动控制原理”课程的主要内容，特别是重点内容，分析构建实验软平台的可行性，确定贯穿整个教学大纲的典型实验。国内外的研究人员及工程师们在“自动控制原理”实验系统设计及虚拟仪器技术应用等方面进行了相关的研究，部分研究成果如下：
王莉等在《“自动控制原理”虚拟实验系统开发》中针对自动控制原理在实验教学中存在的问题，同时帮助学生掌握系统参数变化对系统性能的影响，从而能达到分析系统进而设计系统的能力，她们设计出了用虚拟实验台用模拟演示来代替硬件实验。该系统界面友好，简单，利用率较高，而且较容易维护，是自动控制原理教学一种有效的辅助手段[1]。
蔡周春等在《基于LabVIEW的控制原理实验系统的设计》中介绍了一种提高自动控制原理教学的辅助手段。本文介绍了用LabVIEW软件设计的自动控制原理实验系统，该系统不仅包含了自动控制原理的基础实验还包含了能够提高学生应用能力的综合创新实验，同时该系统还能满足远程监控。他们设计的实验平台能提高学生对自动控制原理的理解，还可以调动他们对实验的积极性，从而提高教学质量[3]。
刘瑞歌等在《基于虚拟仪器技术的自动控制原理教学实验平台》中针对目前大多数高等学校自动控制原理实验室的现状，构建基于虚拟仪器的自动控制原理实验系统，该实验系统具有友好的界面，良好的操作性，能够完全代替传统仪器完成自动控制实验。文中又以二阶系统的频域特性实验为例，介绍了系统实现的细节，利用Matlab进行了正确性验证。该实验平台弥补了传统教学模式中存在的不足，能够很好的提高教学质量，为自动控制原理课程的实验教学提供一种新的辅助手段[4]。
刘艳等在《自动控制原理虚拟实验系统设计》一文中根据自己所在学院的实际情况，同时又根据虚拟仪器技术又具有诸多的有点，提出了用虚拟实验系统代替实验室，用软件模拟实际硬件的全部功能来提高自动控制原理的实践效果。本文提出的系统的构思使实验室的功能变得更加多样化，不仅节约成本，提高教学效果，而且可以加深学生对自动控制原理知识的理解和提高他们的动手实践能力都有很大的帮助[8]。
高兴泉等在《基于LabVIEW的控制原理实验台开发》一文中介绍了基于LabVIEW的控制原理实验台的开发，并以串联校正实验为例作了详细的介绍，在串联实验平台中通过对参数进行连续滑动调节来代替传统实验中通过不断试探并计算相应指标来完成实验的复杂过程，最后用Matlab来验证其准确性。此实验平台具有友好的人机界面，并且可以很好的实现自动控制原理的相关实验，缩短了软件的开发时间，节约了系统开发成本，同时也增加了应用的灵活性[16]。
大量的案例证明基于虚拟仪器技术来设计的自动控制原理实验系统相对于传统的实验设备具有更多的优势。
摘要
自动控制原理是测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课，主要研究控制理论的基本概念、基本理论、基本分析2方法和实际应用。由于该课程理论概念抽象，涉及繁琐的数学理论和推导，容易使学生感到乏味，很难掌握基本问题、思想和方法。除了理论教学外，实验教学也是其中不可缺少的环节。
为了进一步提高教学质量，在“自动控制原理”实验教学中，需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件。LabVIEW是一款主要应用于计算机数据采集和数字信号处理的软件，采用图形化编程语言，具有形象、直观、数据处理能力强等特点，符合实验教学的要求。基于LabVIEW设计“自动控制原理”实验系统，对于提高该课程的教学效果具有重要的意义。
本文中“自动控制原理”实验系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，设计了一套基于虚拟仪器技术的“自动控制原理”实验系统，该实验系统可以实现包括控制系统典型环节模拟、典型环节的稳定性分析、线性系统的频率响应、线性系统的校正等实验。
本文首先对基于虚拟仪器技术的“自动控制原理”实验系统的研究背景、研究意义进行了介绍；并对虚拟仪器技术和LabVIEW的特点进行了简介，以及对数据采集卡进行描述。本文将LabVIEW软件引入“自动控制原理”实验系统中，开发了基于LabVIEW的“自动控制原理”实验系统。该系统利用NI ELVISⅡ数据采集卡的输出通道来产生与提供各种信号源，通过数据采集卡读取外部的信号源并在软件内部对外部信号进行分析处理，并对数据进行保存。本文对实验系统的软件设计与功能实现作了详细的介绍。
实际应用表明，本文设计的系统具有形象、直观、数据处理能力强、人机界面友好等特点，符合实验教学的要求，对于提高“自动控制原理”的教学效果具有重要的意义。
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关键字:自动控制原理实验LabVIEW虚拟仪器技术数据采集
目录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究方法和系统描述 2
1.4主要工作和论文结构 3
1.4.1 主要工作 3
1.4.2 论文结构 3
2. 实验系统的整体设计及硬件配置 4
2.1设计思路 4
2.2 系统的硬件设备 4
2.3 MAX的功能介绍 5
2.4数据采集卡介绍 6
3. 实验原理概述 8
3.1 控制系统典型环节模拟的实验原理 8
3.1.1 比例环节（P） 8
3.1.2 积分环节（I） 9
3.1.3 比例积分环节（PI） 10
3.1.4 惯性环节（T） 11
3.1.5 比例微分环节（PD） 12
3.1.6 比例积分微分环节（PID） 13
3.2 典型系统的稳定性分析实验原理 15
3.2.1 典型的二阶系统稳定性分析 15
3.2.2 典型的三阶系统稳定性分析 16
3.3 线性系统的频率响应的实验原理 18
3.3.1 实验原理 18
3.3.2 一阶惯性环节 18
3.3.3 线性系统 19
3.4 线性系统的校正的实验原理 21
3.4.1 实验内容 21
3.4.2 串联校正网络的设计 21
3.4.3 电路设计 21
4. 实验系统软件设计与功能实现 23
4.1 系统软件架构设计 23
4.2 主界面的设计及调试 23
4.2.1 主界面的设计 23
4.2.2 主界面调试 31
4.3 实验模块的软件设计 35
4.3.1 初始化状态 36
4.3.2 等待状态 36
4.3.3 开始实验状态 37
4.3.4 保存状态 40
4.3.5 退出状态 40
4.4 实验模块的调试 41
4.4.1 控制系统典型环节模拟的调试过程 41
4.4.2 线性系统的频率响应的调试过程 44
4.5 实验结果分析 49
4.5.1 控制系统典型环节模拟 49
4.5.2 典型环节的稳定性分析 58
4.5.3 线性系统的频率响应 61
4.5.4 线性系统的校正 62
5. 总结与展望 64
5.1 总结 64
5.2 展望 64
参考文献 65
致 谢 67
1. 绪论
1.1 课题背景
近年由于信息技术的不断发展和信息技术应用领域的不断拓展，自动控制原理这门课程已经从电子信息工程类专业的专业基础课程扩展成电气工程、电子信息、测控技术、计算机技术、电子技术、生物医学工程等众多电类专业的专业基础课程。而在大学期间，作为自动化方面的工科生，自动控制原理这门课程是我们的必修课程之一，但是这门课程概念多、推导多、理论抽象，在学习起来时普遍感到不能很好地理解和掌握课本中所阐述基本理论与分析方法。因此怎样帮助学生理解与掌握自动控制原理的基础知识以及培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力成为授课老师在讲述本课程教学的难点。
为了进一步提高教学质量，帮助学生更好的理解与掌握自动控制原理的基础知识以及培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力，因此在自动控制原理实验教学中，需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件来实现。而LabVIEW是一种具有形象、直观、数据处理能力强等特点的图形化的编程语言，编程简单直观，使用这种语言编程时，用流程图代替程序代码，编程简单容易符合实验教学的要求，可以提高教学效果和学生实践应用能力。
1.2 国内外研究现状
本课题针对“自动控制原理”课程的主要内容，特别是重点内容，分析构建实验软平台的可行性，确定贯穿整个教学大纲的典型实验。国内外的研究人员及工程师们在“自动控制原理”实验系统设计及虚拟仪器技术应用等方面进行了相关的研究，部分研究成果如下：
王莉等在《“自动控制原理”虚拟实验系统开发》中针对自动控制原理在实验教学中存在的问题，同时帮助学生掌握系统参数变化对系统性能的影响，从而能达到分析系统进而设计系统的能力，她们设计出了用虚拟实验台用模拟演示来代替硬件实验。该系统界面友好，简单，利用率较高，而且较容易维护，是自动控制原理教学一种有效的辅助手段[1]。
蔡周春等在《基于LabVIEW的控制原理实验系统的设计》中介绍了一种提高自动控制原理教学的辅助手段。本文介绍了用LabVIEW软件设计的自动控制原理实验系统，该系统不仅包含了自动控制原理的基础实验还包含了能够提高学生应用能力的综合创新实验，同时该系统还能满足远程监控。他们设计的实验平台能提高学生对自动控制原理的理解，还可以调动他们对实验的积极性，从而提高教学质量[3]。
刘瑞歌等在《基于虚拟仪器技术的自动控制原理教学实验平台》中针对目前大多数高等学校自动控制原理实验室的现状，构建基于虚拟仪器的自动控制原理实验系统，该实验系统具有友好的界面，良好的操作性，能够完全代替传统仪器完成自动控制实验。文中又以二阶系统的频域特性实验为例，介绍了系统实现的细节，利用Matlab进行了正确性验证。该实验平台弥补了传统教学模式中存在的不足，能够很好的提高教学质量，为自动控制原理课程的实验教学提供一种新的辅助手段[4]。
刘艳等在《自动控制原理虚拟实验系统设计》一文中根据自己所在学院的实际情况，同时又根据虚拟仪器技术又具有诸多的有点，提出了用虚拟实验系统代替实验室，用软件模拟实际硬件的全部功能来提高自动控制原理的实践效果。本文提出的系统的构思使实验室的功能变得更加多样化，不仅节约成本，提高教学效果，而且可以加深学生对自动控制原理知识的理解和提高他们的动手实践能力都有很大的帮助[8]。
高兴泉等在《基于LabVIEW的控制原理实验台开发》一文中介绍了基于LabVIEW的控制原理实验台的开发，并以串联校正实验为例作了详细的介绍，在串联实验平台中通过对参数进行连续滑动调节来代替传统实验中通过不断试探并计算相应指标来完成实验的复杂过程，最后用Matlab来验证其准确性。此实验平台具有友好的人机界面，并且可以很好的实现自动控制原理的相关实验，缩短了软件的开发时间，节约了系统开发成本，同时也增加了应用的灵活性[16]。
大量的案例证明基于虚拟仪器技术来设计的自动控制原理实验系统相对于传统的实验设备具有更多的优势。
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