虛擬儀器導論實驗一

1、虛擬儀器導論實驗報告學號：班級：自動化1班姓名：張青 信息與控制工程學院自動化系實驗一 熟悉LabVIEW開發(fā)環(huán)境一、實驗目的(1) 熟悉LabVIEW的初步操作。(2) 掌握LabVIEW的編程方法。二、實驗內容1、建立虛擬溫度計的VI。2、將所設計的虛擬溫度計VI設計成子VI，供其他程序調用。三、實驗原理(1) LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用戶界面上，應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。下面我們來大致瀏覽一下。工具模板（Tools Palette）該模板提供

2、了各種用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模板。當從模板內選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀。當從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內選定的任一種工具光標放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標上，就會顯示相應的幫助信息。 圖1-1 工具模板 圖1-2 控件選板 圖1-3 函數(shù)選板下面的兩個模板是多層的，其中每一個子模板下還包括多個對象。控件模板（Control Palette）注意：只有打開前面板時才能調用該模板。該模板用來給前面

3、板設置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。如果控件模板不顯示，可以用“窗口”菜單的“顯示控件選板”功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標右鍵，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。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。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”功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出函數(shù)模板。注：只有打開了流程圖程序窗口，才能出現(xiàn)函數(shù)模板。（2）關于連線連線是程序設計中較為復雜的問題。流程圖上的每一個對象都帶有自己的連線端子，連線將構成對象之間的數(shù)據(jù)通

4、道。因為這不是幾何意義上的連線，因此并非任意兩個端子間都可連線，連線類似于普通程序中的變量。數(shù)據(jù)單向流動，從源端口向一個或多個目的端口流動。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。當需要連接兩個端點時，在第一個端點上點擊連線工具（從工具模板欄調用），然后移動到另一個端點，再點擊第二個端點。端點的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動的方向。當把連線工具放在端點上時，該端點區(qū)域將會閃爍，表示連線將會接通該端點。當把連線工具從一個端口接到另一個端口時，不需要按住鼠標鍵。當需要連線轉彎時，點擊一次鼠標鍵，即可以正交垂直方向地彎曲連線，按空格鍵可以改變轉角的方向。接線頭是為了幫助正確連接端口的連線。當把連線工具放到端口上，接線

5、頭就會彈出。接線頭還有一個黃色小標識框，顯示該端口的名字。線型為波折號的連線表示壞線。出現(xiàn)壞線的原因有很多，例如：連接了兩個控制對象；源端子和終點端子的數(shù)據(jù)類型不匹配（例如一個是數(shù)字型，而另一個是布爾型）?？梢酝ㄟ^使用定位工具點擊壞線再按下 來刪除它。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VI無法運行，或者顯示“信號丟失終端”的錯誤信息時，這是一個快捷的調試方法。(3) 程序調試技術1找出語法錯誤如果一個VI程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時該按鈕被稱作錯誤列表。點擊它，則LabVIEW彈出錯誤清單窗口

6、，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用“查找”功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。2設置執(zhí)行程序高亮在LabVIEW的工具條上有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕上。點擊這個按鈕使它變成高亮形式，再點擊運行按鈕，VI程序就以較慢的速度運行，沒有被執(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)的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。3斷點與單步執(zhí)行為了查找程序中的邏輯錯誤，有時希望流程圖程序一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。使用斷點工具可以在程序的某一地點中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點工具時，點擊你希望設置或者清除斷點的地方。斷點的顯示對于節(jié)

7、點或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點。當VI程序運行到斷點被設置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。你也可以點擊暫停按鈕，這樣程序將連續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點。4探針可用探針工具來查看當流程圖程序流經某一根連接線時的數(shù)據(jù)值。從Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標左建點擊你希望放置探針的連接線。這時顯示器上會出現(xiàn)一個探針顯示窗口。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，在連線上點擊鼠標右鍵，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上一個探針。四、

8、實驗過程（1）啟動LabVIEW，創(chuàng)建一個VI。（2）在前面板中放置一個溫度計控件，并修改控件標簽名為溫度計和設置最大值為100。該控件從“控件經典經典數(shù)值”子選項板中獲得。（3）按同樣的方法在前面板中放置一個儀表控件，并修改儀表控件的標簽名為電壓（mV），標尺刻度范圍為01000。（4）按同樣的方法在前面板中放置一個數(shù)值顯示控件，并修改控件標簽名為數(shù)值顯示： ，并為電壓添加數(shù)值顯示控件。（5）從“經典布爾”里找出帶標簽橢圓形按鈕，“Express”里添加兩個指示燈。（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)建隨機數(shù)字（0-1），添加兩個乘法函數(shù)、兩

9、個比較函數(shù)并進行連線。（8）切換至前面板，換成“操作值”點擊橢圓形開關切換至“開”，點擊運行按鈕，運行VI程序。（9）修改圖標為T/V以表示該子VI當前溫度和過溫提示，并保存為vi.vi。前面板：程序框圖：修改后的圖標及連線端： 五、實驗問題及總結問題：1、接線時錯將溫度機接至0-1000的范圍導致溫度計爆表，所以下次接線時一定要認真仔細，并檢查錯誤的原因。 2、布局時難看不齊，可以使用工具欄下方的“對齊對象按鈕”，程序框圖連線完畢時也可以點擊整理所選部分，使圖清晰美觀。實驗二 LabVIEW基本程序設計一、實驗目的(1) 熟悉LabVIEW 8.5開發(fā)環(huán)境；(2) 掌握LabVIEW編程語言

10、的程序結構和圖形控件的使用方法；(3) 掌握LabVIEW編程環(huán)境的程序調試方法；二、實驗原理與內容已知一階系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式編程時可采用4階龍格-庫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*e(k)+Td

11、/T*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2);u(k) = u(k-1)+du;本實驗要求基于LabVIEW編程環(huán)境，針對上述一階系統(tǒng)進行控制仿真。通過控制系統(tǒng)仿真，分析一階系統(tǒng)的特點和各個PID參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響。三、實驗過程1、通過實驗講義在“控件模版”中選取對應控件，拖去前面板中，并進行對齊等操作使其清晰美觀。2、（1）進入程序框圖，先選取while函數(shù)模版，并在其中建立兩個公式節(jié)點模塊。（2）在第一個公式節(jié)點中添加輸入：Kp、Ti、Td、ek、u、ek_1、ek_2、X、T，以及在右側添加輸出：du、u、ek、ek_1、X。在第二個節(jié)點添加輸入：du、u、ek、ek_1、X、

12、T，以及添加輸出：y、u、ek、ek_1、X。第一個公式節(jié)點里的公式：float du;du = Kp*(ek - ek_1)+T/Ti*ek + Td/T*(ek - 2*ek_1+ek_2);u = u + du;第二個公式節(jié)點里的公式：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、積分時間Ti、微分時間Td、設定值、仿真步長控

13、件拖入while循環(huán)。在while循環(huán)里添加5個移位寄存器，并將5個數(shù)值常量與之連線，表示法設置為單精度。拖入等待時間，數(shù)值常量500。（4）捆綁u、y輸出，整體進行連線，完畢后整理程序框圖。（5）設置好參數(shù)：設定值2，比例系數(shù)0.5，積分時間0.5，微分時間0，仿真步長0.1，運行程序。四、實驗結果五、實驗分析及問題一階系統(tǒng)特點：（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)

14、，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(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的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較

15、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，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性PID參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響： 1、比例參數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系

16、統(tǒng)的調節(jié)精度。隨著KP的增大系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但是系統(tǒng)易產生超調，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，調節(jié)精度降低，響應速度變慢，調節(jié)時間加長，使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變壞。 2、積分作用參數(shù)Ti的一個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也不能過大，否則在響應過程的初期會產生積分飽和現(xiàn)象。若Ti過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調節(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)無靜差。從相位的角度來看一個積分環(huán)節(jié)就有90 的相位延遲，也許會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3、微分作用參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能

17、，其主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但Td不能過大，否則會使響應過程提前制動，延長調節(jié)時間，并且會降低系統(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，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設定說明），使PID為純比例調節(jié)。輸入設定為系統(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；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%70%。比例增益P調試完成。 b.確定積分時間常數(shù)Ti 比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%180%。積分時間常數(shù)Ti調試完成。 c.確定微分時間常數(shù)Td 積分時間常數(shù)Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。編程過程中遇到的問題、解決辦法：1、 在進行波形輸出時，捆綁和按名稱捆綁混淆導致連線失敗。2、 在輸入公式時注意大小寫，否則出現(xiàn)未定義變量等錯誤