1、虛擬儀器導(dǎo)論實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號(hào)：12051124班級(jí)：自動(dòng)化1班姓名：張青 信息與控制工程學(xué)院自動(dòng)化系實(shí)驗(yàn)一 熟悉LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 熟悉LabVIEW的初步操作。(2) 掌握LabVIEW的編程方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、建立虛擬溫度計(jì)的VI。2、將所設(shè)計(jì)的虛擬溫度計(jì)VI設(shè)計(jì)成子VI，供其他程序調(diào)用。三、實(shí)驗(yàn)原理(1) LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。下面我們來(lái)大致瀏覽一下。工具模板（Tools Palet

2、te）該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。 圖1-1 工具模板 圖1-2 控件選板 圖1-3 函數(shù)選板下面的兩個(gè)模板是多層的，其中每一個(gè)子模板下還包括多個(gè)對(duì)象?？丶０澹–ontrol Palette）注意：只有打開(kāi)前面板時(shí)才能調(diào)用該模板。

3、該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類(lèi)子模板。如果控件模板不顯示，可以用“窗口”菜單的“顯示控件選板”功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控件模板。函數(shù)模板(Functions Palette) 函數(shù)模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若函數(shù)模板不出現(xiàn)，則可以用“窗口”菜單的“顯示函數(shù)選板”功能打開(kāi)它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出函數(shù)模板。注：只有打開(kāi)了流程圖程序窗口，才能出現(xiàn)函數(shù)模板。（2）關(guān)于連線連線是程序設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的問(wèn)題。流程圖上的每一個(gè)對(duì)象都帶有自己的連線端子，連線將構(gòu)成

4、對(duì)象之間的數(shù)據(jù)通道。因?yàn)檫@不是幾何意義上的連線，因此并非任意兩個(gè)端子間都可連線，連線類(lèi)似于普通程序中的變量。數(shù)據(jù)單向流動(dòng)，從源端口向一個(gè)或多個(gè)目的端口流動(dòng)。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。當(dāng)需要連接兩個(gè)端點(diǎn)時(shí)，在第一個(gè)端點(diǎn)上點(diǎn)擊連線工具（從工具模板欄調(diào)用），然后移動(dòng)到另一個(gè)端點(diǎn)，再點(diǎn)擊第二個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn)的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。當(dāng)把連線工具放在端點(diǎn)上時(shí)，該端點(diǎn)區(qū)域?qū)?huì)閃爍，表示連線將會(huì)接通該端點(diǎn)。當(dāng)把連線工具從一個(gè)端口接到另一個(gè)端口時(shí)，不需要按住鼠標(biāo)鍵。當(dāng)需要連線轉(zhuǎn)彎時(shí)，點(diǎn)擊一次鼠標(biāo)鍵，即可以正交垂直方向地彎曲連線，按空格鍵可以改變轉(zhuǎn)角的方向。接線頭是為了幫助正確連接端口的連線。當(dāng)把連線工具

5、放到端口上，接線頭就會(huì)彈出。接線頭還有一個(gè)黃色小標(biāo)識(shí)框，顯示該端口的名字。線型為波折號(hào)的連線表示壞線。出現(xiàn)壞線的原因有很多，例如：連接了兩個(gè)控制對(duì)象；源端子和終點(diǎn)端子的數(shù)據(jù)類(lèi)型不匹配（例如一個(gè)是數(shù)字型，而另一個(gè)是布爾型）?？梢酝ㄟ^(guò)使用定位工具點(diǎn)擊壞線再按下 來(lái)刪除它。選擇“編輯-刪除斷線”菜單命令或者按下 可以一次刪除流程圖中的所有壞線。當(dāng)VI無(wú)法運(yùn)行，或者顯示“信號(hào)丟失終端”的錯(cuò)誤信息時(shí)，這是一個(gè)快捷的調(diào)試方法。(3) 程序調(diào)試技術(shù)1找出語(yǔ)法錯(cuò)誤如果一個(gè)VI程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)該按鈕被稱(chēng)作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則LabVIEW

6、彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用“查找”功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。2設(shè)置執(zhí)行程序高亮在LabVIEW的工具條上有一個(gè)畫(huà)著燈泡的按鈕，這個(gè)按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕上。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使它變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，VI程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒(méi)有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。3斷點(diǎn)與單步執(zhí)行為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，有時(shí)希望流程圖程序一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。

7、斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對(duì)于連線表示為紅點(diǎn)。當(dāng)VI程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。你也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)。4探針可用探針工具來(lái)查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時(shí)的數(shù)據(jù)值。從Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左建點(diǎn)擊你希望放置探針的連接線。這時(shí)顯示器上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加

8、上一個(gè)探針。四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程（1）啟動(dòng)LabVIEW，創(chuàng)建一個(gè)VI。（2）在前面板中放置一個(gè)溫度計(jì)控件，并修改控件標(biāo)簽名為溫度計(jì)和設(shè)置最大值為100。該控件從“控件經(jīng)典經(jīng)典數(shù)值”子選項(xiàng)板中獲得。（3）按同樣的方法在前面板中放置一個(gè)儀表控件，并修改儀表控件的標(biāo)簽名為電壓（mV），標(biāo)尺刻度范圍為01000。（4）按同樣的方法在前面板中放置一個(gè)數(shù)值顯示控件，并修改控件標(biāo)簽名為數(shù)值顯示： ，并為電壓添加數(shù)值顯示控件。（5）從“經(jīng)典布爾”里找出帶標(biāo)簽橢圓形按鈕，“Express”里添加兩個(gè)指示燈。（6）從“窗口”下拉菜單中選擇“顯示程序窗口”切換到程序框圖窗口。（7）在程序窗口中創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)字（0-1），添加

9、兩個(gè)乘法函數(shù)、兩個(gè)比較函數(shù)并進(jìn)行連線。（8）切換至前面板，換成“操作值”點(diǎn)擊橢圓形開(kāi)關(guān)切換至“開(kāi)”，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，運(yùn)行VI程序。（9）修改圖標(biāo)為T(mén)/V以表示該子VI當(dāng)前溫度和過(guò)溫提示，并保存為vi.vi。前面板：程序框圖：修改后的圖標(biāo)及連線端： 五、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題及總結(jié)問(wèn)題：1、接線時(shí)錯(cuò)將溫度機(jī)接至0-1000的范圍導(dǎo)致溫度計(jì)爆表，所以下次接線時(shí)一定要認(rèn)真仔細(xì)，并檢查錯(cuò)誤的原因。 2、布局時(shí)難看不齊，可以使用工具欄下方的“對(duì)齊對(duì)象按鈕”，程序框圖連線完畢時(shí)也可以點(diǎn)擊整理所選部分，使圖清晰美觀。實(shí)驗(yàn)二 LabVIEW基本程序設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 熟悉LabVIEW 8.5開(kāi)發(fā)環(huán)境；(2) 掌握Lab

10、VIEW編程語(yǔ)言的程序結(jié)構(gòu)和圖形控件的使用方法；(3) 掌握LabVIEW編程環(huán)境的程序調(diào)試方法；二、實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容已知一階系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式編程時(shí)可采用4階龍格-庫(kù)塔算法求解上述方程:K1 = -0.2*X(k)+2*u(k);K2 = -0.2*(X(k)+0.5*T*K1)+2*u(k);K3 = -0.2*(X(k)+0.5*T*K2)+2*u(k);K4 = -0.2*(X(k)+T*K3)+2*u(k);X(k+1) = X(k)+(K1+2*K2+2*K3+K4)*T/6;Y = X(k+1);控制算法可采用增量式PID控制算法:du = Kp*(e(k)-e(k-1)+T/Ti

11、*e(k)+Td/T*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2);u(k) = u(k-1)+du;本實(shí)驗(yàn)要求基于LabVIEW編程環(huán)境，針對(duì)上述一階系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真。通過(guò)控制系統(tǒng)仿真，分析一階系統(tǒng)的特點(diǎn)和各個(gè)PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程1、通過(guò)實(shí)驗(yàn)講義在“控件模版”中選取對(duì)應(yīng)控件，拖去前面板中，并進(jìn)行對(duì)齊等操作使其清晰美觀。2、（1）進(jìn)入程序框圖，先選取while函數(shù)模版，并在其中建立兩個(gè)公式節(jié)點(diǎn)模塊。（2）在第一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)中添加輸入：Kp、Ti、Td、ek、u、ek_1、ek_2、X、T，以及在右側(cè)添加輸出：du、u、ek、ek_1、X。在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)添加輸入：du、u、ek

12、、ek_1、X、T，以及添加輸出：y、u、ek、ek_1、X。第一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)里的公式：float du;du = Kp*(ek - ek_1)+T/Ti*ek + Td/T*(ek - 2*ek_1+ek_2);u = u + du;第二個(gè)公式節(jié)點(diǎn)里的公式：float K1,K2,K3,K4;K1 = -0.2*X+2*u;K2 = -0.2*(X+0.5*T*K1)+2*u;K3 = -0.2*(X+0.5*T*K2)+2*u;K4 = -0.2*(X+T*K3)+2*u;X = X+(K1+2*K2+2*K3+K4)*T/6;y = X;（3）將比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td、設(shè)

13、定值、仿真步長(zhǎng)控件拖入while循環(huán)。在while循環(huán)里添加5個(gè)移位寄存器，并將5個(gè)數(shù)值常量與之連線，表示法設(shè)置為單精度。拖入等待時(shí)間，數(shù)值常量500。（4）捆綁u、y輸出，整體進(jìn)行連線，完畢后整理程序框圖。（5）設(shè)置好參數(shù)：設(shè)定值2，比例系數(shù)0.5，積分時(shí)間0.5，微分時(shí)間0，仿真步長(zhǎng)0.1，運(yùn)行程序。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果五、實(shí)驗(yàn)分析及問(wèn)題一階系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)

14、一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（System with Steady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì) 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原

15、因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響： 1、比例參數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的

16、響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。隨著KP的增大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過(guò)小，調(diào)節(jié)精度降低，響應(yīng)速度變慢，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變壞。 2、積分作用參數(shù)Ti的一個(gè)最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快，但Ti也不能過(guò)大，否則在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。若Ti過(guò)小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。另外在控制系統(tǒng)的前向通道中只要有積分環(huán)節(jié)總能做到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。從相位的角度來(lái)看一個(gè)積分環(huán)節(jié)就有90 的相位延遲，也許會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3、微分作用參數(shù)Td的作用是改

17、善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其主要作用是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Td不能過(guò)大，否則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，并且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。PID參數(shù)整定的方法：a.確定比例增益P 確定比例增益P 時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0（具體見(jiàn)PID的參數(shù)設(shè)定說(shuō)明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%70%。比例增益P調(diào)試完成。 b.確定積分時(shí)間常數(shù)Ti 比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。 c.確定微分時(shí)間常數(shù)Td 積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。編程過(guò)程中遇到的問(wèn)題、解決辦法：1、 在進(jìn)行波形輸出時(shí)，捆綁和按名稱(chēng)捆綁混淆導(dǎo)致連線失敗。2、 在輸入公式時(shí)注意大小寫(xiě)，否則出現(xiàn)未定義變量等錯(cuò)誤