信號(hào)與系統(tǒng)課設(shè) 連續(xù)時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)階躍激勵(lì)

1、No19沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專(zhuān)用紙 1 引言 21世紀(jì)是信息化時(shí)代，伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有越來(lái)越多的虛擬環(huán)境出現(xiàn)，為工業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中，一種代碼直觀，層次清晰，簡(jiǎn)單易用卻不失功能強(qiáng)大的軟件環(huán)境Labview逐漸進(jìn)入了人們的眼球。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。由于它用圖標(biāo)和框圖產(chǎn)生塊狀程序，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣容易，因此labview得到了廣泛的

2、應(yīng)用。 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)處理連續(xù)時(shí)間信號(hào)，通常用微分方程來(lái)描述這類(lèi)系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)的輸入與輸出之間通過(guò)它們時(shí)間函數(shù)及其對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)的線性組合聯(lián)系起來(lái)。如果輸入與輸出只用一個(gè)高階的微分方程聯(lián)系，而且不研究系統(tǒng)內(nèi)部其他信號(hào)的變化，這種描述系統(tǒng)的方式稱(chēng)為輸入輸出法。系統(tǒng)分析的任務(wù)是對(duì)給定的系統(tǒng)模型和輸入信號(hào)求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。 系統(tǒng)時(shí)域分析法包含兩方面內(nèi)容，一是微分方程的求解，另一是已知系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)，將沖激響應(yīng)與輸入激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行卷積積分，求出系統(tǒng)輸出響應(yīng)。同時(shí)作為近代系統(tǒng)時(shí)域分析方法，將建立零狀態(tài)響應(yīng)，運(yùn)算過(guò)程方便，往往成為系統(tǒng)分析的基本方法。 2 虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件Labview入門(mén)2.1 La

3、bview介紹 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(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定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(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶(hù)界面。用戶(hù)界面在 LabVIEW中被稱(chēng)為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱(chēng)

4、G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類(lèi)似于流程圖，因此又被稱(chēng)作程序框圖代碼。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿(mǎn)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TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)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

5、使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為 “G” 語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)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(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶(hù)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(shí)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(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)。用戶(hù)可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲(chǔ)的自

6、動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。它被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過(guò)程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。LabVIEW不僅可以用來(lái)快速搭建小型自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，還可以被用來(lái)開(kāi)發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。2.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)1. 寫(xiě)一個(gè)類(lèi)似于左圖的正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào)。 圖21習(xí)題1前面板圖 圖22習(xí)題1程序面板圖2、 任意放置幾個(gè)控件在前面板，改變它們的位置、名稱(chēng)、大小、顏色等等。在VI前面板和后面板之間進(jìn)行切換，并排排列前面板和后面板窗口。 圖23習(xí)題2前面板圖 圖24 習(xí)題2程序面板圖 3、編寫(xiě)一個(gè)VI求三個(gè)數(shù)的平均值。要求對(duì)三個(gè)輸入控件等間隔并右

7、對(duì)齊，對(duì)應(yīng)的程序框圖控件對(duì)象也要求如此對(duì)齊；添加注釋分別用普通方式和高亮方式運(yùn)行程序，體會(huì)數(shù)據(jù)流向；單步執(zhí)行一遍 圖25 習(xí)題3前面板圖 圖26 習(xí)題3程序面板圖4、 寫(xiě)一個(gè)VI判斷兩個(gè)數(shù)的大小，如右圖所示：當(dāng)A>B時(shí)，指示燈亮。 圖27 習(xí)題4前面板圖 圖28 習(xí)題4程序面板圖5、 寫(xiě)一個(gè)VI獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其轉(zhuǎn)換為字符串和浮點(diǎn)數(shù)。這在實(shí)際編程中會(huì)經(jīng)常遇到。 圖29 習(xí)題5前面板圖 圖210 習(xí)題5程序面板圖6、 寫(xiě)一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器，如右圖所示，當(dāng)溫度超過(guò)報(bào)警上限，而且開(kāi)啟報(bào)警時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮。溫度值可以由隨即數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。 圖211 習(xí)題6前面板圖 圖212 習(xí)題6程序面板圖 7、

8、給定任意x, 求如下表達(dá)式的值 圖213 習(xí)題7前面板圖 圖214 習(xí)題7程序面板圖 8、 利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tick count VI，計(jì)算for循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為20000點(diǎn)的隨機(jī)波形所需的時(shí)間。 圖215 習(xí)題8前面板圖 圖216 習(xí)題8程序面板圖 9、 為第6題添加一個(gè)While循環(huán)和定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的溫度采集監(jiān)測(cè)。 圖217 習(xí)題9前面板圖 圖218 習(xí)題9程序面板圖10、計(jì)算學(xué)生三門(mén)課（語(yǔ)文，數(shù)學(xué)，英語(yǔ)）的平均分，并根據(jù)平均分劃分成績(jī)等級(jí)。要求輸出等級(jí)A,B,C,D,E。90分以上為A，8089為B，7079為C，6069為D，60分以下為E。 圖219 習(xí)題10前

9、面板圖 圖220 習(xí)題10程序面板圖11、 為第9題連續(xù)溫度采集監(jiān)測(cè)添加報(bào)警信息，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)輸出報(bào)警信息，例如“溫度超限！當(dāng)前溫度78.23”，正常情況下輸出空字符串。 圖221 習(xí)題11前面板圖 圖222 習(xí)題11程序面板圖 12、 將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成新的輸出字符串，輸出的字符串是一個(gè)GPIB命令字符串，它可以用來(lái)和串口儀器進(jìn)行通信。 圖223 習(xí)題12前面板圖 圖224 習(xí)題12程序面板圖 13、 用for循環(huán)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，并用圖形顯示輸出的數(shù)組。 圖225 習(xí)題13前面板圖 圖226 習(xí)題13程序面板圖14、利用簇模擬汽車(chē)控制，如右圖所示，控制面板可以對(duì)顯示面板中的參量進(jìn)行控制。

10、油門(mén)控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速油門(mén)*100，檔位控制時(shí)速,時(shí)速檔位*40，油量隨VI運(yùn)行時(shí)間減少。 圖227 習(xí)題14前面板圖 圖228 習(xí)題14程序面板圖15、 利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，利用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果。 圖229 習(xí)題15前面板圖 圖230 習(xí)題15程序面板圖16、在題15的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V。 圖231 習(xí)題16前面板圖 圖232 習(xí)題16程序面板圖17、利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，共采集50個(gè)點(diǎn)，采集完后一次性顯示在Waveform Graph上。 圖2-33

11、習(xí)題17的前面板圖 圖2-34 習(xí)題17的程序面板圖18、 在題17的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個(gè)點(diǎn)。采樣完成后，將兩路采樣信號(hào)顯示在同一個(gè)Waveform Graph中。 圖2-35 習(xí)題18的前面板圖 圖36 習(xí)題18的程序面板圖 3利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng) -階躍激勵(lì)的設(shè)計(jì) 3.1連續(xù)時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)指數(shù)激勵(lì)的基本原理 零狀態(tài)響應(yīng)：零狀態(tài)響應(yīng)是不考慮起始系統(tǒng)儲(chǔ)能的作用（設(shè)起始狀態(tài)等于零），由系統(tǒng)的外加激勵(lì)信號(hào)所產(chǎn)生的響應(yīng)，記為,它滿(mǎn)足方程: 及起始狀態(tài)其形式為: 其中e（t）為激勵(lì)信號(hào)，有時(shí)稱(chēng)輸入

12、信號(hào)。r（t）為響應(yīng)信號(hào)。n為微分方程的階次，或系統(tǒng)的階次。由于系統(tǒng)是線性是不變的，所以上述微分方程的系數(shù)均取自然數(shù)，B（t）為方程的特接?？梢?jiàn)零狀態(tài)響應(yīng)在激勵(lì)信號(hào)作用下，它的響應(yīng)有自由響應(yīng)部分及強(qiáng)迫響應(yīng)部分B(t)兩部分構(gòu)成。3.1連續(xù)時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)指數(shù)激勵(lì)的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)3.1.1一階零狀態(tài)響應(yīng)一階零狀態(tài)響應(yīng)的前面板圖如下所示: 圖3-1 一階零狀態(tài)響應(yīng)的前面板圖 一階零狀態(tài)響應(yīng)的程序面板圖如下所示： 圖3-2一階零狀態(tài)響應(yīng)的程序面板圖 結(jié)果分析： 賦值是a=7，b=8，c=5，d=9時(shí)，零狀態(tài)方程如下圖3-3所示： 圖3-3 零狀態(tài)方程對(duì)應(yīng)圖3-3的波形圖如圖3-4所示： 圖3-4

13、 零狀態(tài)響應(yīng)的波形圖3.1.2二階零狀態(tài)響應(yīng)二階零狀態(tài)響應(yīng)的前面板圖如圖3-5所示： 圖3-5二階零狀態(tài)響應(yīng)的前面板圖（前一部分） 圖3-5 二階零狀態(tài)響應(yīng)的前面板圖（后一部分）二階零狀態(tài)響應(yīng)的程序面板圖如圖3-6所示： 圖3-6 二階零狀態(tài)響應(yīng)的程序面板圖結(jié)果分析：情況一：當(dāng)給a，b，c，d賦值滿(mǎn)足時(shí)零狀態(tài)方程如圖3-7所示： 圖3-7 零狀態(tài)方程對(duì)應(yīng)的波形圖如圖3-8所示： 圖3-8 零狀態(tài)方程的波形圖情況二：當(dāng)給賦值滿(mǎn)足時(shí)零狀態(tài)方程如圖3-9所示: 圖3-9 零狀態(tài)方程對(duì)應(yīng)的波形圖如3-10所示： 圖3-10 零狀態(tài)方程的波形圖 情況三：當(dāng)給賦值滿(mǎn)足時(shí)零狀態(tài)方程如圖3-11所示: 圖3-

14、11 零狀態(tài)方程對(duì)應(yīng)的波形圖如3-12所示： 圖3-12 零狀態(tài)方程的波形圖在以上三種情況中的前兩種情況還需做其它討論。對(duì)于第一種情況，解齊次方程時(shí)如果a等于齊次方程的單根，則特解形式是，其中，；如果a不等于齊次方程的單根，則特解形式為。對(duì)于第二種情況，解齊次方程時(shí)，如果a等于齊次方程的重根，則特解形式是，其中，；如果a不等于齊次方程的重根，則特解形式為。4.總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)給我最大的收獲是，我初步學(xué)會(huì)了使用Labview軟件，并鞏固了信號(hào)與系統(tǒng)的知識(shí)，更深一步的了解了零狀態(tài)響應(yīng)的內(nèi)涵。但在做課設(shè)的同時(shí)也遇到了許多問(wèn)題。例如，剛拿到題目不知道該如何下手，從何做起，后來(lái)經(jīng)過(guò)3天的努力弄懂了老師給

15、的范例，并結(jié)合自己的知識(shí)提取范例的精華用自己的方法仿真出來(lái)了，在這過(guò)程中，我想用一個(gè)字符串顯示窗口和一個(gè)波形圖來(lái)顯示零狀態(tài)方程，但始終都找不到方法，最后在同學(xué)的幫助下，通過(guò)對(duì)一個(gè)顯示窗口創(chuàng)建局部變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外在時(shí)域求零狀態(tài)方程還可以用卷積的方法，其中，是沖激函數(shù)，是激勵(lì)。但是由于將傳輸算子轉(zhuǎn)換成沖激函數(shù)無(wú)法在程序面板實(shí)現(xiàn)。最后，還是使用了解微分方程的方法。除此之外，還可以將指數(shù)激勵(lì)換成其他形式的激勵(lì)用同樣的方式也可以求零狀態(tài)響應(yīng)，這是該方法的擴(kuò)充功能。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，干任何事都必須耐心，細(xì)致課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂。有一次因?yàn)椴恍⌒奈矣?jì)算出錯(cuò)，只能毫不情意地重來(lái)，但凡事要有始有終，相信努力必有回報(bào)，信念讓我堅(jiān)持，再加上老師耐心的知道和幫助，終于算是順利的完成了本次設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)，讓我覺(jué)得受益匪淺，認(rèn)識(shí)了Labview軟件，熟悉并結(jié)合信號(hào)與系統(tǒng)可以靈活將其運(yùn)用，而且