基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验.doc

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1、 目录第1章 绪论11.1背景11.2课题的目的与意义21.3 Labview的介绍2第2章 设计原理42.1一阶系统典型环节虚拟实验系统设计原理42.1.1数学模型的建立42.1.2单位阶跃响应42.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统设计原理52.2.1数学模型的建立52.2.2单位阶跃响应52.2.3动态性能指标计算72.3系统校正虚拟实验系统设计原理72.3.1未校正系统的性能指标计算72.3.2校正系统的确定82.4采样系统虚拟实验系统设计原理82.4.1“采样保持器”组件82.4.2数学模型的建立92.5采样系统校正虚拟实验系统设计原理92.6频率特性虚拟实验系统设计原理102.7系统稳

2、定性分析虚拟实验系统设计原理112.7.1用特征方程的根判定系统稳定性112.7.2绘制系统的单位阶跃响应曲线验证系统的稳定性112.8非线性系统虚拟实验系统设计原理122.8.1继电型非线性三阶系统原理方框图122.8.2振幅与角频率的计算12第3章 程序方案设计133.1总体设计133.2基于Labview的虚拟实验系统设计133.3用户管理程序设计14第4章 基于Labview的虚拟实验系统设计164.1一阶系统典型环节虚拟实验系统164.1.1功能描述164.1.2设计步骤164.1.3 实验子系统Matlab的仿真和正确性验证184.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统184.2.1功能描

3、述184.2.2设计步骤184.2.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证214.3系统校正虚拟实验系统234.3.1功能描述234.3.2设计步骤234.3.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证254.4采样系统虚拟实验系统264.4.1功能描述264.4.2设计步骤264.4.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证284.5采样系统校正虚拟实验系统294.5.1功能描述294.5.2设计步骤294.5.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证314.6频率特性虚拟实验系统324.6.1功能描述324.6.2设计步骤324.6.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证344

4、.7系统稳定性分析虚拟实验系统354.7.1功能描述354.7.2设计步骤354.7.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证374.8非线性系统虚拟实验系统374.8.1功能描述374.8.2设计步骤384.8.3在Matlab中绘制系统的-1/N与G（jw）轨迹40第5章 用户管理程序的设计415.1 登陆系统的设计415.2 主程序的设计425.3 输出报表的设计43结论45社会经济效益分析46参考文献47致谢48附录 系统前面板图49附录 系统程序框图59第1章 绪论随着教育规模的不断增长和高等教育课程教学内容的更新，许多院校实验室的仪器设备由于数量不够、功能落后，无法满足开放性和设

5、计性实验教学的需要，作为未来仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器技术克服了传统仪器功能单一、无法灵活配置的缺点。本文设计的虚拟实验系统具有实验界面简单，参数改变方便等特点。1.1背景“自动控制原理”是工业自动化专业一门重要的专业基础课，要求学生掌握自动控制系统的分析及设计方法，为设计和调试工业自动控制系统打下基础。自动控制课程中，实验是一种重要的教学手段，学生通过做实验，可以加深对所学知识的理解，提高动手能力，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。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。首先

6、提出了基于Matlab的虚拟实验系统，用软件模拟了实际硬件的全部功能。解决了目前自动控制实验中的一些问题，并在一定程度上提高了目前“自动控制原理”教学效果。但是，由于Matlab的局限性，这些虚拟实验系统仅限于软件模拟，这样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软件模拟往往需要学生对其有一定的熟悉和了解，这对低年级的学生来说比较困难。所以，试验效果并不很理想。随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展，采用NI公司的Labview编程语言，开发出基于Labview虚拟实验系统，结合第三方公司提供的数据采集卡，对虚拟实验系统

7、稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验，又能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，可以显著提高教学效果和实验效果。虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点。通过课堂上的模拟实验，可以更好的帮助学生理解、消化、吸收所学内容，重点解决教学及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或C+开发环境一样，也是一种程序语言开发环境，但与现有的计算机高级语言不同的是，Labview采用图形化编程语言G语言，产生块状的程序。Labview是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，

8、甚至还有目前十分热门的网络功能。Labview也有完善的仿真、调试工具，如设置断电、单步等。Labview的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观测程序中数据及其变化情况，比起其它语言的开发环境更方便、更有效。Labview程序又称虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但Labview程序容易改变设置和功能。因此Labview特别适用于实验室、多种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。但是，对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应用，Labview显得有些力不从心。而Matlab是MathWorks公司开发的“演算纸”式的程序设计语言

9、，它提供了强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高，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和Matlab的优点，在Labview中调用和操作Matlab可实现Labview和Matlab的混合编程，充分发挥两者的优势。本设计正是采用了Labview和Matlab混合编程思想，通过在Labview中调用和操作Matlab来设计自动控制原理中常见实验的虚拟实验系统。利用一套数据采集硬件设备，通过不同的软件编程，就可以实现多个仪器的功能。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

10、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。在很大程度上，虚拟仪器可以代替真实仪器进行实验教学。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Labview是一种基于图形的集成化程序开发环境，实现了虚拟仪器的概念，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，强调了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。Labview是一种结

11、构化解释型开发平台。结构化是指Labview的程序完全支持顺序结构、循环结构和条件结构3种标准结构。同时又是由模块化的形式组成的，它的每一个子程序都称为一个VI，子程序之间可以互相调用。所谓解释型是指用Labview开发的软件无法在Windods操作系统下直接运行，所以软件必须在Labview的平台支持下运行，也就是说Labview不能生成真正的可执行文件。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备之间的连接和集成总需耗费大量时间，并不是轻易可以完成的。虚拟仪器软件平台为大部分I/0设备提

12、供了标准的接口，例如数据采集、视觉、分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。虚拟仪器改变了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。系统的功能、规模等可以根据用户的需要，通过软件的修改、增减，方便地同外设、网络及其它应用连接，为虚拟仪器加入新的测量功能，故虚拟仪器可作为许多仪器设备来使用。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

13、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

14、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数学模型的建立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：(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：(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：(2.3)两端

15、取拉氏反变换，求的其单位阶跃响应为：(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数学模型的建立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：(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:(2.6)引入参数，称作二阶系统的自然频率，单位为rad/s。则：(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方框图2.2.2单位阶跃响应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：(2.8)对分母多项式作因式分

16、解，得到：(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：(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：(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：(2.12)式中，；。2.2.3动态性能指标计算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

17、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：(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：(2.14)超调量为：(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： (2.16) (2.17)2.3系统校正虚拟实验系统设计原理2.3.1未校正系统的性能指标计算 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.

18、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：(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，

19、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数学模型的建立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：(2.19)开环脉冲传递函数为：(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：(2.21)超调量：(2.22)采用断续校正网络：(2.23)校正后采样

20、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：(2.24)图2.9所示系统的开环频率特性为：(2.25)采用对数幅频特性和相频特性表示为： (2.26)(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.

21、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

22、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：(2.28)利用交点在横坐标上，求自振的振幅X，即：(2.29)这里，继电型

23、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”课程常见实验的虚拟实验系统。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。结束主程序登陆系统开始输出报表各子实验 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

24、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程序结果显示结束 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

25、系统、主程序和输出报表。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。登陆系统是登陆了正确的用户名和校验码后可以进入主程序，其流程图如图3.4所示。输出报表的程序流程图如图3.5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 图3.3 主程序设计程序框图正确不正确开始输入用户名输入校验码是否正确进入主程序界面初始化 图3.4 登陆系统设计流程图 建立报表属性设置输出报表 图3.5 输出报表设计的流程图第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系统4.1.1功能描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

26、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设计步骤 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，功能是分别输入一阶系统惯性环节的时间常数T和放大倍数K的值；一个XY Graph 控件，功能是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，功能是可以退出该实验。图4.1

27、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，然后添加如下的输入、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然后，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

28、将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成后如图4.2所示。图4.2 一阶系统惯性环节程序框图3. 保存，运行 运行结果如图4.3所示。图4.3 一阶系统惯性环节运行结果4.1.3 实验子系统Matlab的仿真和正确性验证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4.4所示。图4.4 一阶系统惯性环节Matlab仿真4.2二阶系统瞬态响应虚拟实验系统4.2.1功能描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

29、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设计步骤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4.5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，功能是可以退出该实验和输出报表。图4.5 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

30、、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

31、Array操作，功能是将输出变量t和 y 的维数统一。 c. 连线，完成后如图4.6所示。 图4.6 二阶系统程序框图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4.7、4.8和4.9所示。 图4.7 欠阻尼情况下运行结果 图4.8 临界阻尼情况下运行结果图4.9 过阻尼情况下运行结果4.2.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证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4.10、4.11和4.12所示。图4.10 欠阻尼情况下Matlab仿真图4.11临界阻尼情况下Matlab仿真图4.12过阻尼情况下

32、仿Matlab仿真4.3系统校正虚拟实验系统4.3.1功能描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设计步骤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4.13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，功能是可以退出该实验。图4

33、.13 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

34、=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，完成后如图4.14所示。3. 保

35、存，运行 运行结果如图4.15所示。图4.14 校正系统程序框图图4.15 校正系统运行结果4.3.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证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4.16和4.17所示。图4.16 系统校正前的Matlab仿真图4.17 系统校正后的Matlab仿真4.4采样系统虚拟实验系统4.4.1功能描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设计步骤1.面板设计启动Labview，进入仪器编

36、辑环境，建立仪器的面板，如图4.18所示，面板主要控件如下。图4.18 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，功能是可以退出该实验。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

37、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，完成后如图4.19所示。 图4.19 采样系统程序框图3.保存，运行 运行结果如图4.20所示。图4.20 采样系

38、统运行结果4.4.3实验子系统Matlab的仿真和正确性验证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4.21所示。图4.21采样系统Matlab仿真4.5采样系统校正虚拟实验系统4.5.1功能描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设计步骤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

39、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，功能是可以退出该实验。图4.22 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 Ar

40、ray 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，完成后如图4.23所示。图4.23 采样系统校正程序框图3. 保存，运行 运行结果如图4.24所