西安交大自控實(shí)驗(yàn)平臺與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1、NI ELVIS多功能虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺NI ELVIS多功能虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺是一個多功能的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)平臺如圖2-1所示，它的核心是一個集成了8路差分輸入（或16路單端輸入）模擬數(shù)據(jù)采集通道（最高采樣率1.25MS/s）、2路模擬信號輸出、24路數(shù)字I/O通道、兩路計(jì)數(shù)器通道的USB接口多功能數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)又集成了+/-15V和5V固定電源以及12種常用的虛擬儀器，包括示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、可變電源、波特圖分析儀、任意波形發(fā)生器、動態(tài)信號分析儀等。ELVIS通過面包板的方式將數(shù)據(jù)采集卡和各種儀器的接口引出，方便接線，并且為綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)留有足夠的開發(fā)空間。ELVIS通過

2、USB接口連接PC機(jī)，連接簡單且便于調(diào)試，圖2-2標(biāo)示出NI ELVIS實(shí)驗(yàn)板上通道接口的布局。圖2-1 NI ELVIS多功能虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)字 I/OAI示波器PFI計(jì)數(shù)器 LED電源、波形發(fā)生器、自定義I/O、AO、 DMM圖2-2 NI ELVIS實(shí)驗(yàn)板的通道接口的布局1常用的幾種虛擬儀器圖2-3 NI ELVIS12種虛擬儀器軟面板的啟動選擇界面圖2-3是NI ELVIS12種虛擬儀器軟面板的啟動選擇界面，在自動控制原理實(shí)驗(yàn)中，主要用到的虛擬儀器包括函數(shù)發(fā)生器FGEN、可變電源VPS、示波器Scope、伯德圖分析儀Bode等。（1）函數(shù)發(fā)生器FGEN通過ELVIS Instru

3、ments Launcher的FGEN按鈕可以打開自帶的函數(shù)發(fā)生器軟面板，進(jìn)而可以通過ELVIS底座上的FGEN BNC接口或者ELVIS自帶實(shí)驗(yàn)板上的FGEN端口輸出正弦波、方波或三角波。如圖2-4所示，通過軟面板上對應(yīng)的圖標(biāo)可以選擇產(chǎn)生相應(yīng)的波形，同時(shí)可對頻率、幅度（峰峰值）、直流偏置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對于方波信號，還可以選擇占空比。此外還可選擇AM或FM調(diào)制信號。利用函數(shù)發(fā)生器軟面板也可以產(chǎn)生掃頻信號，可以設(shè)置掃頻的起始頻率、最終頻率、每一步的頻率增量及時(shí)間。在使用函數(shù)發(fā)生器時(shí)，需要注意的是，由于輸出信號有兩種可能的路由方式（通過ELVIS底座上的FGEN BNC接口或者ELVIS自帶面包

4、板上的FGEN端口），在使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際的接線方式對軟面板的Signal Route下拉菜單進(jìn)行正確的設(shè)置。 圖2-4 函數(shù)發(fā)生器軟面板與 ELVIS上的函數(shù)發(fā)生器手動調(diào)節(jié)旋鈕在函數(shù)發(fā)生器軟面板的左下方還有一個Manual Mode選項(xiàng)框，如果勾選此選項(xiàng)，則軟面板上的幅度和頻率設(shè)置將失效，取而代之的是ELVIS底座右方的Amplitude和Frequency旋鈕，此時(shí)可通過手動旋轉(zhuǎn)這兩個旋鈕的方式來調(diào)整產(chǎn)生波形的幅度和頻率，同時(shí)ELVIS底座右方FUNCTION GENERATOR部分的Manual Mode指示燈會點(diǎn)亮。ELVIS自帶的函數(shù)發(fā)生器與模擬信號輸出（AO）功能在硬件上是各自獨(dú)立的

5、，因此可以同時(shí)使用。使用函數(shù)發(fā)生器時(shí)，在接線時(shí)要注意共地的問題。如果信號路由選擇原型板（Prototyping Board）上的FGEN接口，其參考端是GROUND。（2）可變電源VPS通過ELVIS Instruments Launcher的VPS按鈕可以打開自帶的可變電源軟面板如圖2-5所示，通過ELVIS實(shí)驗(yàn)板上左下方Variable Power Supply部分的Supply+和Supply-端口分別提供正電源和負(fù)電源。兩路直流電源的幅度范圍分別為0至12V以及0至-12V，正負(fù)兩路輸出電壓可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，其可提供的最大驅(qū)動電流為500mA，因此可以直接驅(qū)動一些小型的直流馬達(dá)。 圖2-

6、5 可變電源軟面板與ELVIS上的可變電源手動調(diào)節(jié)旋鈕利用ELVIS的可變電源軟面板還可以對正電源或負(fù)電源單獨(dú)進(jìn)行掃描式的電壓輸出，可以設(shè)置掃描的起始電壓、終止電壓、每一步的電壓步進(jìn)值以及持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。在可變電源軟面板上，正負(fù)兩路可變電源電壓設(shè)置的上方都有一個Manual Mode選項(xiàng)框，如果勾選此選項(xiàng)，則軟面板上的輸出電壓設(shè)置將失效，取而代之的是ELVIS底座右方的兩個Voltage旋鈕，此時(shí)可通過手動旋轉(zhuǎn)這兩個旋鈕的方式來調(diào)節(jié)正負(fù)兩路可變電源的輸出電壓，同時(shí)ELVIS底座右方VARIABLE POWER SUPPLY部分的Manual Mode指示燈會點(diǎn)亮，如圖2-5所示。使用可變電源時(shí)

7、，同樣應(yīng)注意接線的共地問題。對于原型板的Supply+和Supply-端口，其參考端都是GROUND。除了可變電源外，ELVIS還提供了一些固定電源可供使用，包括+15V、-15V以及+5V的固定電源。其中+15V和-15V與可變電源的驅(qū)動能力相同，都是500mA，而+5V固定電源的電流輸出驅(qū)動能力為2A。（3）示波器Scope通過ELVIS Instruments Launcher的Scope按鈕可以打開自帶的示波器軟面板如圖2-6所示，允許同時(shí)對兩路信號進(jìn)行同步測量，測量信號既可以來自于ELVIS的兩個示波器通道Scope CH 0和Scope CH1，也可以來自于其他8路差分模擬信號輸入

8、（AI）通道，通過Source下拉菜單可以選擇具體的通道。對于型號ELVIS II+，示波器通道的最高采樣速率可達(dá)100MS/s，8路差分模擬信號輸入通道的最高采樣速率為1.25MS/s。ELVIS的示波器通道和模擬輸入通道（AI）在內(nèi)部硬件中占用各自獨(dú)立的資源，因此可以同時(shí)使用。圖2-6 示波器軟面板示波器軟面板上的各種輸入與傳統(tǒng)示波器類似，用戶可以在Basic Sttings頁面中設(shè)置X和Y軸每格代表的電壓或時(shí)間，也可以對觸發(fā)方式進(jìn)行設(shè)置。在Advanced Settings頁面，用戶還可以進(jìn)一步設(shè)置兩路信號的偏移量，以及是否啟用20MHz濾波器?；贜I ELVIS的自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

9、基于NI ELVIS的自行開發(fā)的自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含了六部分：系統(tǒng)時(shí)域特性分析，系統(tǒng)頻域分析，系統(tǒng)時(shí)域穩(wěn)定性分析，頻率響應(yīng)測試，系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)與直流電機(jī)的建模與控制。通過點(diǎn)擊主界面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇進(jìn)入相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面如圖2-13所示。圖2-13 基于NI ELVIS的自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1系統(tǒng)時(shí)域特性分析：利用運(yùn)算放大器、電阻、電容、導(dǎo)線在ELVIS面包板上搭建一階、二階、三階等模擬系統(tǒng)，利用模擬量輸出端口AO發(fā)出階躍信號，通過模擬量輸入端口采樣系統(tǒng)的輸入端與輸出響應(yīng)，獲取系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，測量系統(tǒng)的時(shí)域特性指標(biāo)，分析時(shí)域性能。系統(tǒng)時(shí)域特性曲線與測量如圖2-14所示。圖2-14 系統(tǒng)

10、時(shí)域特性分析2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：觀察與分析系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)與時(shí)間常數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，如圖2-15所示。圖2-15 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析3頻率特性分析: 利用運(yùn)算放大器、電阻、電容、導(dǎo)線在ELVIS面包板上搭建一階、二階、三階等模擬系統(tǒng)，通過模擬量輸出端口AO發(fā)出頻率變化的正弦信號，通過模擬量輸入端口采樣系統(tǒng)的輸入端與輸出響應(yīng)，經(jīng)運(yùn)算繪制出系統(tǒng)的幅頻與相頻特性曲線，給出系統(tǒng)的頻域特性指標(biāo)。系統(tǒng)頻域特性分析如圖2-16所示。圖2-16 系統(tǒng)頻域特性分析4系統(tǒng)頻率特性測試：利用運(yùn)算放大器、電阻、電容、導(dǎo)線在ELVIS面包板上搭建一階、二階模擬系統(tǒng)，應(yīng)用ELVIS的函數(shù)發(fā)生器手動調(diào)節(jié)輸出正弦信號，通過模擬量輸入端口側(cè)量系統(tǒng)的輸入端與輸出響應(yīng)，繪制出X-Y測量圖；使用李薩育圖形測量法，計(jì)算出系統(tǒng)的的幅值與相位，繪制出系統(tǒng)的幅頻與相頻特性曲線，如圖2-17所示。圖2-17 頻率特性測試5系統(tǒng)串聯(lián)校正：根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，可以繪制出校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)線，給出頻域性能指標(biāo)，根據(jù)期望的相位裕度可設(shè)計(jì)出超前校正網(wǎng)絡(luò)，繪制出校正后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)線，且給出頻域性能指標(biāo)，如圖2-18所示。圖2-18 系統(tǒng)串聯(lián)校正6直流電