PAGEPAGE15自動(dòng)控制理論基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第一部分實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)前做好預(yù)習(xí)。嚴(yán)格按照要求操作實(shí)驗(yàn)儀器，用畢恢復(fù)原狀。實(shí)驗(yàn)完成后，由指導(dǎo)教師檢查實(shí)驗(yàn)記錄、驗(yàn)收儀器后，方可離開(kāi)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?shí)驗(yàn)原理圖；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟；實(shí)驗(yàn)結(jié)果（保留實(shí)驗(yàn)波形，讀取關(guān)鍵參數(shù)）；實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。第二部分實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹美國(guó)國(guó)家儀器公司的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件(NIELVIS)可用于動(dòng)手設(shè)計(jì)及原型設(shè)計(jì)，平臺(tái)集成了12款最常用儀器，包括示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、波特分析儀等，緊湊的結(jié)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)室及課堂教學(xué)的理想選擇。NIELVIS可通過(guò)PCI接口與PC連接，實(shí)現(xiàn)快速易用的測(cè)量采集及顯示。作為基于NILabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，NIELVIS能夠發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的靈活性及自定義功能。圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成 在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成圖中，1為PC機(jī)的主機(jī)箱，2為NI公司配置的PXI6251數(shù)據(jù)采集卡，3為電纜線，4為ELVIS原型板，5為ELVIS工作臺(tái)。實(shí)驗(yàn)操作包含兩部分：在ELVIS原型板上完成實(shí)驗(yàn)對(duì)象的搭建軟件平臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象輸入、輸出信號(hào)的控制與采集。圖2ELVIS工作平臺(tái)外型第三部分實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法；研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)參數(shù)對(duì)暫態(tài)性能指標(biāo)的影響。學(xué)會(huì)使用LabVIEW軟件和ELVIS平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備ELVIS平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的框圖如圖1所示：圖3二階系統(tǒng)框圖其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：用圖2所示電路可模擬二階系統(tǒng)。其中4個(gè)運(yùn)算放大器分別構(gòu)成如下環(huán)節(jié)：圖4用運(yùn)算放大器構(gòu)建的二階系統(tǒng)上式中op1、op2、op6、op9采用模擬運(yùn)放單元OP07芯片。無(wú)阻尼自然振蕩角頻率、阻尼比與時(shí)間常數(shù)T、比例系數(shù)K滿足下列關(guān)系：按上圖在ELVIS平臺(tái)上搭建好實(shí)驗(yàn)圖4，將輸入+端連接到VPS區(qū)(VariablePowerSupplies)的“supply+”段子上，另一輸入端接“地（Ground）”；輸出連接到ACH0+，ACH0－端。無(wú)阻尼自然振蕩角頻率保持不變，改變阻尼比，輸入單位階躍信號(hào)，運(yùn)行編寫(xiě)好的實(shí)驗(yàn)1程序，觀察和記錄響應(yīng)曲線和最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間的變化。取，使，可得。令，其他參數(shù)不變，此時(shí)，。令，其他參數(shù)不變，此時(shí)，。4．將以上三組測(cè)量結(jié)果列表給出，并和最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間的理論值相比較。思考題推導(dǎo)圖2所示電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)，并確定、與對(duì)應(yīng)的的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)二典型環(huán)節(jié)的頻率特性實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)頻率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法；掌握根據(jù)ELVIS平臺(tái)繪制伯德圖的方法。學(xué)會(huì)使用LabVIEW軟件和ELVIS平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備ELVIS平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容慣性環(huán)節(jié)的頻率響應(yīng)慣性環(huán)節(jié)的電路如圖3所示：圖5慣性環(huán)節(jié)電路根據(jù)圖5所標(biāo)參數(shù)，可知其傳遞函數(shù)為：由慣性時(shí)間常數(shù)為T(mén)=0.02s，可得轉(zhuǎn)折頻率為。信號(hào)幅值調(diào)至1v左右，頻率范圍1~100Hz變化，記錄、保存系統(tǒng)的BODE圖，并與理論曲線進(jìn)行對(duì)比分析。積分環(huán)節(jié)的頻率響應(yīng)積分環(huán)節(jié)的電路如圖4所示：圖6積分環(huán)節(jié)電路根據(jù)圖6所標(biāo)參數(shù)，可知其傳遞函數(shù)為：RC為積分時(shí)間常數(shù)。信號(hào)幅值調(diào)至0.5v左右，考察的頻率范圍為8~100Hz。3.信號(hào)輸入（）及輸出（）連接到下列插槽：ACH1++ACH1-—（GND）ACH0++ACH0-—（GND）按上圖在ELVIS平臺(tái)上搭建好實(shí)驗(yàn)圖，將+同時(shí)連接到FGEN，從NIELVIS軟前置板（SFP）中選擇波特圖分析儀。單擊運(yùn)行可得到慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的波德圖，記錄、保存系統(tǒng)的BODE圖，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波德圖與理論曲線比較。思考題測(cè)量環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的頻率響應(yīng)時(shí)，輸入正弦信號(hào)的頻率范圍應(yīng)如何選擇？頻率間隔選多大？時(shí)間常數(shù)改變對(duì)頻率特性有何影響？實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)的校正實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯啃Ｕb置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響；學(xué)習(xí)校正裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)會(huì)使用LabVIEW軟件和ELVIS平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、ELVIS平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的框圖如圖實(shí)驗(yàn)一中的圖2所示，在該系統(tǒng)中加入超前校正裝置，使系統(tǒng)的相位裕量≥50o,增益裕量≥10dB,同時(shí)保持靜態(tài)速度誤差系數(shù)不變。其傳遞函數(shù)為：參考模擬電路圖7參考校正環(huán)節(jié)電路圖傳遞函數(shù)校正后的系統(tǒng)方塊圖校正后的系統(tǒng)模擬電路圖 圖8校正后系統(tǒng)電路圖運(yùn)算放大器功能op1,op2,op9,op6同實(shí)驗(yàn)一（1），op3為超前校正環(huán)節(jié)。調(diào)整Rf=40K，使K=0.4觀察實(shí)驗(yàn)1中記錄的未校正系統(tǒng)接成放大倍數(shù)為1的反相放大器時(shí)閉環(huán)階躍瞬態(tài)響應(yīng)曲線①，標(biāo)出MP,ts;[x(t)=I(t)伏]根據(jù)要求計(jì)算超前網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)T,α,Kc,確定相應(yīng)的Ric,Rfc,R1,R2,Cc值，構(gòu)成所需要的超前校正裝置；按圖8在ELVIS平臺(tái)上搭建好實(shí)驗(yàn)圖將系統(tǒng)接成校正裝置，將輸入+端連接到VPS區(qū)(VariablePowerSupplies)的“supply+”段子上，另一輸入端接“地（Ground）”；輸出連接到ACH0+，ACH0－端。運(yùn)行程序并記錄校正后控制系統(tǒng)的階躍瞬態(tài)響應(yīng)曲線②（記錄的幅度坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)應(yīng)和曲線①相同），標(biāo)出MP,ts，和曲線①比較。思考題1．．若，能否計(jì)算出校正后系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)及與之對(duì)應(yīng)的？附錄ALabVIEW和ELVIS工作環(huán)境簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW工作環(huán)境:用LabVIEW開(kāi)發(fā)的程序一般由一個(gè)或多個(gè)后綴名為.vi的文件組成，這些文件可被稱為VI(VirtualInstrument，虛擬儀器)。所有VI都由前面板、框圖及圖標(biāo)和連線板三部分組成。1.前面板前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳統(tǒng)儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過(guò)前面板傳遞給框圖，計(jì)算和分析結(jié)果也在前面板上以數(shù)字、圖形、表格等各種不同方式顯示出來(lái)。前面板上的各種控件根據(jù)輸入輸出功能可分為輸入控件和顯示控件兩類，前者一般用于接受用戶輸入，包括編輯框、按鈕、開(kāi)關(guān)、旋鈕等，后者則一般用于顯示輸出結(jié)果，包括圖形、顯示燈、指示框等。前面板圖如圖0.1。圖0.1前面板圖2.程序框圖框圖是程序代碼的圖形化表示，可通過(guò)選擇主菜單項(xiàng)中“窗口→顯示程序框圖”來(lái)在前面板和框圖之間切換?？驁D中含有各種圖形化的函數(shù)、子VI、變量、常量、結(jié)構(gòu)和連線，從前面板中得到用花輸入的數(shù)據(jù)后，按照所編寫(xiě)的程序以數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行運(yùn)算，最后給出結(jié)果并反饋給用戶。程序框圖如圖0.2。圖0.2程序框圖3．連線板連線板則用來(lái)定義輸入和輸出，用戶可在界面右上角的VI圖標(biāo)上用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，選擇“顯示連線板”，調(diào)出當(dāng)前VI的連線板進(jìn)行設(shè)置。ELVIS的工作環(huán)境:ELVIS的操作界面如圖0.3。圖0.3ELVIS的操作界面1.數(shù)字萬(wàn)用表：該常規(guī)通用儀器可以執(zhí)行下列類型信號(hào)參數(shù)的測(cè)量：直流（DC）電壓；交流（AC）電壓；電流；電阻；電容；電感；二極管測(cè)試。操作界面如圖0.4。圖0.4數(shù)字萬(wàn)用表的操作界面示波器該儀器可以提供典型大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式示波器的功能。操作界面如圖0.5。圖0.5示波器的操作界面函數(shù)發(fā)生器該儀器可以讓用戶選擇輸出的波形類型（例如，正旋波、方波和三角波）、幅值、頻率。操作界面如圖0.6。圖0.6函數(shù)發(fā)生器的操作界面可調(diào)電源該儀器允許用戶利用控制電源輸出的正負(fù)電壓值：電源電壓負(fù)值范圍為－12v～0v；正值范圍為0v～+12v。操作界面如圖0.7。圖0.7可調(diào)電源的操作界面波特圖分析儀將函數(shù)發(fā)生器與DAQ設(shè)備的模擬輸入（AI）功能結(jié)合起來(lái)，就可以用NIELVIS構(gòu)建一臺(tái)波特圖分析儀，由此可以設(shè)置儀器的頻率范圍，選擇線性或?qū)?shù)刻度。操作界面如圖0.8。圖0.8伯特圖的操作界面產(chǎn)品技術(shù)資料OP07管腳及典型電路（見(jiàn)圖0.9（A）、（B）所示）及主要特性圖0.8（A）OP07管腳圖圖0.8（B）典型電路主要特性：輸入電阻：33M；電壓增益：400V/mv；電源電壓：土22V(max)；輸出電壓：土11伏（min）。OP07是一種高精度單片運(yùn)算放大器，由于其具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。對(duì)于OP07芯片引腳功能而言其1和8管腳為偏置平衡（調(diào)零端）。附錄B基于Labview的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前的理論計(jì)算部分要做完，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中老師會(huì)檢查這部分預(yù)習(xí)的工作；每組至少帶一本打印的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。面包板是實(shí)驗(yàn)室中用于搭試電路的重要工具，熟練掌握面包板的使用方法是提高實(shí)驗(yàn)效率，減少實(shí)驗(yàn)故障出現(xiàn)機(jī)會(huì)的基礎(chǔ)之一。面包板的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖0.9面包板連線圖OP07是一種高精度單片運(yùn)算放大器，由于其具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。對(duì)于OP07芯片引腳功能而言其1和8管腳為偏置平衡（調(diào)零端）。圖0.10管腳編號(hào)