基于LabVIEW軟件的PID自動控制

1、蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 Soochow University of Mechanical and Electrical Engineering課程設(shè)計報告 Curriculum design 課 題 名 稱：基于LabVIEW軟件的PID自動控制學(xué) 院: *院專 業(yè)： *姓 名： 學(xué) 號： 目 錄一、 PID控制原理11、PID 控制介紹12、PID 控制規(guī)律13、PID 控制的性能指標(biāo)34、PID 控制器參數(shù)整定的分類35、PID 相關(guān)控制56、數(shù)字 PID7二、 LabVIEW8.5軟件91、簡介92、特點103、虛擬儀器114、應(yīng)用領(lǐng)域12三、前期練習(xí)題目與內(nèi)容14四、設(shè)計內(nèi)容與要求 1

2、7 1、設(shè)計內(nèi)容172、設(shè)計要求17五、設(shè)計方案181、設(shè)計思路182、程序框圖設(shè)計203、控制面板設(shè)計21六、 最終設(shè)計結(jié)果及運(yùn)行情況221、程序框圖222、控制面板22七、 課程設(shè)計心得25- - 27 - -基于LabVIEW軟件的PID自動控制一、PID控制原理1、PID 控制介紹PID 控制是過程控制中廣泛應(yīng)用的一種控制，簡單的說就是按偏差的比例(proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)進(jìn)行的控制。當(dāng)今，盡管各種高級控制在不斷的完善，但目前在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的仍是常規(guī) PID 控制，其原因是：1) 各種高級控制在應(yīng)用上還不完善；2) 大

3、多數(shù)控制對象使用常規(guī) PID 控制即可以滿足實際的需要；3) 高級控制難以被企業(yè)技術(shù)人員掌握。PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點。在長期的工程實踐中，人們對 PID控制己經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。特別是在那些實際過程控制中，控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，常采用 PID 控制器，并根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行在線整定。以下將從 PID 控制規(guī)律、PID 控制的性能指標(biāo)及 PID 控制參數(shù)整定三個方面對 PID 控制做進(jìn)一步的介紹。2、PID 控制規(guī)律PID(Proportional,Integral and Differential)控制器是一種基于“過去”，“現(xiàn)在”和“未來”信

4、息估計的簡單算法。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 3-1 所示，系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 y(t)構(gòu)成控制偏差 e(t),將偏差按比例、積分、和微分通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進(jìn)行控制。控制器的輸入輸出關(guān)系為：式中 u(t)是 PID 控制器的輸出，e(t)是 PID 控制器的輸入，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。采用 PID 控制器的控制系統(tǒng)如圖所示。PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)的控制是相互關(guān)聯(lián)的，三個參數(shù)可以分別調(diào)節(jié)，也可以只采用其中一種或兩種控制規(guī)律

5、。簡單的說，PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用如下所述：（1）比例環(huán)節(jié)：即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小偏差。比例控制反應(yīng)快，但對某些系統(tǒng)，可能存在穩(wěn)態(tài)誤差。加大比例系數(shù) Kp，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會減小，但穩(wěn)定性可能變差。（2）積分環(huán)節(jié)：積分的控制作用主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，積分速度越慢，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。積分環(huán)節(jié)可能使系統(tǒng)的頻帶變窄。積分控制通常與其它控制規(guī)律結(jié)合，組成 PI 控制器或 PID 控制器。（3）微分環(huán)節(jié)：微分的作用是能反映偏差信號的變化速率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏

6、差信號的變化趨勢，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少超調(diào)，減小調(diào)節(jié)時間。由于微分反映的是變化率，所以當(dāng)輸入沒有變化時，微分環(huán)節(jié)的輸出為零。微分控制通常與其它控制規(guī)律結(jié)合，組成 PD或者 PID 控制器。為了能更好地理解三個環(huán)節(jié)具體的設(shè)計經(jīng)驗，在這里我們以 PI 控制為例加以說明。實際上，根據(jù)我們長期的工作經(jīng)驗及對 PID 控制理論的認(rèn)識，在實際的生產(chǎn)過程中，PI 控制可以滿足大多數(shù)過程控制的要求。PI 控制的知識及經(jīng)驗可描述如下：（1）比例主要影響響應(yīng)速度，Kp愈大，響應(yīng)愈快，但太大會引起較大的超調(diào)和振蕩，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定。Kp增大則

7、超調(diào)增加，上升時間減短；反之，Kp 減小則超調(diào)減小，上升時間延長。（2）積分時間 Ti表示由積分作用產(chǎn)生一個比例調(diào)節(jié)效果的大小。Ti主要影響靜態(tài)精度，消除靜差。穩(wěn)態(tài)時，Ti越大，積分速度越慢，消除靜差越慢。反之，Ti越小，積分速度越快，消除靜差越快。但積分控制作用太強(qiáng)會使靜態(tài)性能變差。（3）在偏差較大時，PI 控制器以提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度為主。為盡快消除偏差，Kp應(yīng)取大值，Ti應(yīng)取小值；在偏差較小時，為繼續(xù)消除偏差，并防止超調(diào)過大而產(chǎn)生振蕩，Kp值減小，Ti應(yīng)取大值；在偏差很小時，以提高靜態(tài)精度，克服大超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性為主，此時 Kp值應(yīng)繼續(xù)減小，Ti值不變或稍減小。（4）偏差變化率 e(

8、t)的大小反映偏差變化的速率。e(t)越大，Kp值應(yīng)越小，Ti取值也應(yīng)越小。反之，e(t)越小，Ti取值也應(yīng)越大。3、PID 控制的性能指標(biāo)衡量一個 PID 控制系統(tǒng)性能好壞的指標(biāo)主要有：上升時間 tr、超調(diào)量 a%、調(diào)節(jié)時間 ts和穩(wěn)態(tài)誤差 ess。其中：（1）上升時間 tr是指系統(tǒng)實際輸出從正常輸出的 10%上升到正常輸出的 90%時所需的時間；（2）調(diào)節(jié)時間 ts是指系統(tǒng)實際輸出值穩(wěn)定在正常輸出值的 5%或 2%范圍以內(nèi)時所需的時間；（3）超調(diào)量 a%是指系統(tǒng)實際輸出的最大值與正常值的差與正常值的比值；（4）穩(wěn)態(tài)誤差 ess是指系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的輸出值與正常值差的絕對值與正常值的比值。這四

9、個參數(shù)反映了系統(tǒng)的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性，通過它們就可以判定一個系統(tǒng)性能的好壞。4、PID 控制器參數(shù)整定的分類PID 控制器廣泛地應(yīng)用于工業(yè)過程中，但是 PID 控制器的參數(shù)整定是一個令人困擾的問題。一般需要經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人員來完成，即耗時又費(fèi)力，加之實際系統(tǒng)千差萬別，又有滯后、非線性等因素，使的 PID 參數(shù)的整定有一定的難度。許多實際控制系統(tǒng)無法工作在令人滿意的狀態(tài)，很大一部分是由于控制器的自整定的參數(shù)沒有達(dá)到最優(yōu)，由此人們提出自整定 PID 控制器。將過程對象的動態(tài)性能的確定和 PID 控制器參數(shù)的計算方法結(jié)合起來就可以實現(xiàn) PID 控制器的自整定，自整定的含義是控制器的參數(shù)可根據(jù)用戶的

10、需要自動整定，用戶可以通過按動一個按鈕或給控制器發(fā)送一個命令來啟動自整定過程。PID 控制器參數(shù)自動整定過程包括三個部分：一是過程擾動的產(chǎn)生；二是擾動響應(yīng)的評估；三是控制器參數(shù)的計算。從目前的資料和應(yīng)用情況來看，根據(jù)研究方法，可分為基于頻域的 PID參數(shù)整定方法和基于時域的 PID 參數(shù)整定方法；按照控制對象的輸入和輸出個數(shù)可分為單變量 PID 參數(shù)整定方法和多變量 PID 參數(shù)整定方法；按照控制量的組合形式，可分為常規(guī)PID 參數(shù)整定方法與智能 PID 參數(shù)整定方法。但是總體來說，PID 參數(shù)自整定的方法主要?dú)w結(jié)為：基于模型的 PID 參數(shù)整定方法；基于規(guī)則的 PID 參數(shù)整定方法和基于在線

11、模式識別 PID 參數(shù)整定方法。下面以 PID 控制為例，討論控制參數(shù)，即比例系數(shù) Kp，積分時間常數(shù) Ti和微分時間常數(shù) Td對系統(tǒng)性能的影響，負(fù)反饋控制系統(tǒng)如圖 32 所示：（1）比例控制 Kp對控制性能的影響1）對動態(tài)特性的影響比例控制 Kp加大，使系統(tǒng)的動作靈敏速度加快，Kp偏大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng) Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若 Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。2）對穩(wěn)態(tài)特性的影響加大比例控制 Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差 ess，提高控制精度，但是加大 Kp 只是減少 ess，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。（2）積分控制 Ti對控制性能的影響1）對動態(tài)特性的影

12、響積分控制 Ti通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定。Ti偏小，振蕩次數(shù)較多。Ti太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。當(dāng) Ti合適時，過渡特性比較理想。2）對穩(wěn)態(tài)特性的影響積分控制 Ti能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若 Ti太大時，積分作用太弱，以致不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制 Td對控制性能的影響微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成 PD 控制或 PID 控制。微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量 a 減少，調(diào)節(jié)時間 ts縮短，允許加大比例控制，是穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng) Td偏大時，超調(diào)量 a 較大，調(diào)節(jié)時間 ts較長。當(dāng) Td偏小時，超調(diào)量 a 也較

13、大，調(diào)節(jié)時間 ts也較長。只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。5、PID 相關(guān)控制PID 控制器的三個組成部分對系統(tǒng)性能有著不同的影響，所以，我們通常需要配合使用來獲得最佳的控制效果。比例、積分、微分控制的不同組合可組成 P、PD、PI 和 PID 共4 種控制器。5.1 比例微分控制（PD）若控制器的輸出 m(t)既與誤差信號 e(t)成正比，又與誤差 e(t)的一階導(dǎo)數(shù)成正比，則稱這種控制器為比例微分控制器，簡稱 PD 控制器。采用 PD 控制規(guī)律的系統(tǒng)稱為比例微分控制系統(tǒng)。PD 控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。PD 控制器的時域方程為：式中 Kp是比例系數(shù)；Td微分時間常數(shù)。為討

14、論方便，令 Kp=1，則上式為：易知作為校正裝置的比例微分控制器，其傳遞函數(shù)為：PD 控制規(guī)律具有鮮明的物理意義。由于一階導(dǎo)數(shù)表示變化率，故 PD 控制中的微分控制分量對于 e(t)的變化非常敏感。誤差 e(t)一有變動，m(t)值隨之變化。e(t)變化愈劇烈，則m(t)值愈大。由于比例微分控制器的控制作用 m(t)超前于 e(t)的變化，說明控制器能夠提前行動，及時采取措施對系統(tǒng)作出有效控制，起到了“未雨綢繆”的效果，這就是 PD 控制的“提前性”。另一方面，由于微分控制可以抓住誤差 e(t)變動的苗頭，預(yù)測出 e(t)的變化趨勢，并及時采取措施以控制系統(tǒng)，這就是 PD 控制的“預(yù)見性”?！?/p>

15、預(yù)見性”、“提前性”是微分控制規(guī)律的突出優(yōu)點，它不但能反映誤差信號的變化趨勢，而且能在誤差信號尚未出現(xiàn)之前，就在系統(tǒng)中發(fā)出一個有效的早期修正信號，從而有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并抑制過大的超調(diào)量10。5.2 比例積分控制（PI）若控制器的輸出 m(t)既與誤差信號 e(t)成正比，又與誤差信號 e(t)對時間的積分成正比，則稱這種控制器為比例積分控制器，簡稱 PI 控制器。采用 PI 控制規(guī)律的系統(tǒng)稱為比例積分控制系統(tǒng)。PI 控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖 34 所示。PI 控制器的時域方程為：式中 Kp是比例系數(shù)；Ti積分時間常數(shù)。同理，將 Kp=1，PI 控制的傳遞函數(shù)為：上式表明：PI 控制不但給系統(tǒng)

16、引進(jìn)一個純積分環(huán)節(jié)，而且還引進(jìn)一個開環(huán)零點。純積分環(huán)節(jié)提高了系統(tǒng)的無差度階數(shù)，從而有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但穩(wěn)定性會有所下降。不過，由于附加的零點有助于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，因此，Gc(s)的零點正好彌補(bǔ)了積分環(huán)節(jié)的副作用。綜上所述，比例積分控制可以在對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大的前提下，有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PI 控制的物理意義可從誤差 e(t)的角度作出解釋：由于引入積分環(huán)節(jié)，只要誤差信號不為 0，積分環(huán)節(jié)就將其不斷累積，并對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，迫使誤差回復(fù)為 0，從而有效地提高了穩(wěn)態(tài)性能；而比例控制部分則將 e(t)的大小和符號即時按比例對系統(tǒng)進(jìn)行控制，以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。6、數(shù)字 PID

17、計算機(jī)控制系統(tǒng)通常利用采樣的方式實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的各個回路進(jìn)行巡回檢測和控制，它屬于采樣調(diào)節(jié)。因而，描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程應(yīng)由相應(yīng)的描述離散系統(tǒng)的差分方程來代替。離散化時，令式中，e(KT)是第 K 次采樣所獲得的偏差信號；e ( KT)是本次和上次測量值的偏差。在給定值不變時，e ( KT)可表示為相鄰兩次測量值之差：式中，T 是采樣周期，采樣周期必須足夠短，才能保證有足夠的精度；K 是采樣序號，K=0,1,2則離散系統(tǒng)的 PID 算式為：在上式中所表示的控制算式中，其輸出值與閥位是一一對應(yīng)的，通常稱為 PID 的位置算式。在位置算式中，每次的輸出與過去的所有狀態(tài)有關(guān)。它不僅要計算機(jī)對 e 進(jìn)

18、行不斷累加，而且當(dāng)計算機(jī)發(fā)生任何故障時，會造成輸出量 u 的變化，從而大幅度地改變閥門位置，這將對安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果，故目前計算機(jī)控制的 PID 算式常作如下變化：第 K-1 次采樣有：兩式相減得到兩次采樣時輸出量之差：其中式中，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用恒定的采樣周期 T，當(dāng)確定了 Kp，Ki，Kd時，根據(jù)前后 3 次測量值偏差即可求出控制增量。二、LabVIEW8.5軟件LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼

19、，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。1、簡介與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分LabVIEW標(biāo)志析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本

20、編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW 程序2、特點盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計算機(jī)的能力，有強(qiáng)

21、大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。未來虛擬儀器研究的另一個問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計算機(jī)的連接。目前使用較多的是IEEE488 或GPIB協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TC

22、P/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位/

23、64位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系統(tǒng)，國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)（支持32位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展的），不斷完善中(大家可以搜索 CPUVIEW 會有更詳細(xì)信息；）3、虛擬儀器虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其

24、典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器2的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機(jī)語言是美國NI 公司的 LabVIEW。虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時計算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級的計算機(jī)化成為可能，甚至在 Micr

25、osoft公司的 Windows 誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計算機(jī)上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。對虛擬儀器和 LabVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2011，LabVIEW 2009 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time 工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。普通的 PC

26、有一些不可避免的弱點。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計算機(jī)測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機(jī)化儀器的一個重要發(fā)展方向是制定了VXI 標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的 VXI 機(jī)箱，再與計算機(jī)相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。VXI 儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標(biāo)準(zhǔn)儀器。4、應(yīng)用領(lǐng)域LABVIEW有很多優(yōu)點，尤其是在某些特殊領(lǐng)域其特點尤其突出。測試測量：LABVIEW最初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應(yīng)用

27、領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應(yīng)用程序?？刂疲嚎刂婆c測試是兩個相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測試領(lǐng)域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊-LabVIEWDS

28、C。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的LabVIEW驅(qū)動程序。使用LabVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型設(shè)計等工作。在設(shè)計機(jī)電設(shè)備之前，可以現(xiàn)在計算機(jī)上用LabVIEW搭建仿真原型，驗證設(shè)計的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領(lǐng)域，有時如果使用LabVIEW進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實踐的機(jī)會。兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，同時圖形比文本更容易被兒童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年兒童的歡迎。對于沒有任何計算機(jī)知識的兒童而言，可以把

29、LabVIEW理解成是一種特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂高積木”使用的就是LabVIEW編程語言。兒童經(jīng)過短暫的指導(dǎo)就可以利用樂高積木提供的積木搭建成各種車輛模型、機(jī)器人等，再使用LabVIEW編寫控制其運(yùn)動和行為的程序。除了應(yīng)用于玩具，LabVIEW還有專門用于中小學(xué)生教學(xué)使用的版本?？焖匍_發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的LabVIEW程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右。所以，如果項目開發(fā)時間緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開發(fā)時間?？缙脚_：如果同一個程序需要

30、運(yùn)行于多個硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見的三大臺式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。三、前期練習(xí)題目與內(nèi)容1. 創(chuàng)建一個VI 程序，該程序可以產(chǎn)生一個六行四列的二維數(shù)組（數(shù)組元素為0 到10 的隨機(jī)整數(shù)），并把二維數(shù)組的前三行、前三列單獨(dú)提出來，作為一個新的數(shù)組。2. 用0-100 的隨機(jī)數(shù)代替攝氏溫度，將每500ms 采集的溫度

31、的變化波形表示出來，并設(shè)定上下限，溫度高于上限或者低于下限分別點亮對應(yīng)的指示燈。并將其上下限也一并在波形中表示出來。3. 創(chuàng)建一個程序，產(chǎn)生正弦波、三角波、矩形波、鋸齒波，并顯示出來。波形的頻率和幅度可以改變。用一個旋鈕式開關(guān)來選擇產(chǎn)生哪種波形。4. （1）創(chuàng)建一個VI 子程序，該子程序的功能是用公式節(jié)點來產(chǎn)生一個模擬壓力，其計算公式是P=80+18.253V+1.244V*V。V 是1 到5 的隨機(jī)數(shù)。 （2）調(diào)用（1）的子程序，每0.5 秒測量一次壓力，共測量20 次，將當(dāng)前的壓力值在波形中表示出來，并求出壓力的最大值、最小值和平均值。5. 利用順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)寫一個跑馬燈，如下圖所示，

32、5個燈從左到右不停的輪流點亮，閃爍間隔由滑動條調(diào)節(jié)。6. 設(shè)計一個VI 來測量溫度（溫度是用一個20 到40 的隨機(jī)整數(shù)來代替），每隔0.25 秒測一次，共測定5 秒。在數(shù)據(jù)采集過程中，VI 將在波形Chart 上實時地顯示測量結(jié)果。采集過程結(jié)束后，在Graph 上畫出溫度數(shù)據(jù)曲線,并且把測量的溫度值以文件的形式存盤。存盤格式為：點數(shù) 時間(S) 溫度值(度)1 0.25 782 0.50 85四、 設(shè)計內(nèi)容與要求1、設(shè)計內(nèi)容課程設(shè)計的課題為基于labview8.5軟件，運(yùn)用PID自動控制原理，來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向以及電機(jī)轉(zhuǎn)動的位置。2、設(shè)計要求運(yùn)用labview8.5軟件產(chǎn)生給定的

33、數(shù)據(jù)波形，通過電腦輸入到轉(zhuǎn)換裝置，將生成的波形數(shù)據(jù)即數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，模擬信號通過固定電路使電機(jī)按照波形信號來轉(zhuǎn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和方向與給定波形基本一致。但由于從波形產(chǎn)生到電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中受到許多因素的影響，電機(jī)并不完全嚴(yán)格按照波形信號來運(yùn)行，這當(dāng)中會產(chǎn)生一個微小的偏差，是電機(jī)在實際中達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，要運(yùn)用PID自動控制原理，將中間產(chǎn)生的偏差盡可能的消除。五、設(shè)計方案1、設(shè)計思路(1)首先運(yùn)用條件結(jié)構(gòu)以及逐點等方法做出具有下拉菜單功能的波形信號產(chǎn)生模塊，如下圖：前面板設(shè)計及運(yùn)行情況如下圖：（2）然后依據(jù)PID自動控制原理，利用公式節(jié)點結(jié)構(gòu)做出一個對運(yùn)行產(chǎn)生的偏差進(jìn)行反饋的模塊。（

34、3）再將波形信號生成模塊和反饋PID控制模塊相結(jié)合，如下圖 （前面板設(shè)計及運(yùn)行情況如下圖：）2、程序框圖設(shè)計 在前面設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗給定的總體外圍結(jié)構(gòu)框圖，兩者正確的結(jié)合在一起，再對部分程序加以修改和整體調(diào)整，便完成了電機(jī)PID自動控制的程序框圖設(shè)計。程序框圖如下：3、控制面板設(shè)計六、最終設(shè)計結(jié)果及運(yùn)行情況1、程序框圖2、控制面板 面板上產(chǎn)生的不同波形和對應(yīng)波形下的PID自動控制所得實際波形圖如下：（1） 【正弦波】（2） 【三角波】（3） 【鋸齒波】（4） 【方波】七、課程設(shè)計心得為期兩個星期的課程設(shè)計結(jié)束了，在這兩個星期里面學(xué)到許多東西，讓我受益匪淺。第一天老師大概地介紹了一下LABVIEW和涉及到這次課程設(shè)計的一些硬件。然后給我們分組，以兩人為一組，每三個組分