利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)-階躍激勵(lì)的設(shè)計(jì)匯總

No引言連續(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(xiàn)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。

本課程設(shè)計(jì)就是利用LabVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析—求零狀態(tài)響應(yīng)（階躍激勵(lì)）的過(guò)程，LabVIEW是常用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。所謂虛擬儀器，就是在計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶(hù)設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制功能，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果；利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集,測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)，鍵盤(pán)操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專(zhuān)用的測(cè)量?jī)x器一樣。因此測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn)，使測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了。虛擬儀器的虛擬兩字主要包含以下兩方面含義：（1）虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)面板上的器件完成的功能是相同的；由各種開(kāi)關(guān)，按鈕，顯示器等圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器的通，斷；被測(cè)信號(hào)的輸入通道，放大倍數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，及測(cè)量結(jié)果的數(shù)值顯示，波形顯示等。（2）虛擬儀器測(cè)量功能是通過(guò)對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。3.編寫(xiě)一個(gè)VI求三個(gè)數(shù)的平均值：（1）要求對(duì)三個(gè)輸入控件等間隔并右對(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?zhuān)?）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。（3）單步執(zhí)行一遍圖2—5習(xí)題3前面板圖圖2—6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2—7習(xí)題4前面板圖圖2—8習(xí)題4程序面板圖寫(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2—9習(xí)題5前面板圖圖2—10習(xí)題5程序面板圖寫(xiě)一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器，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。溫度值可以由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。圖2—11習(xí)題6前面板圖圖2—12習(xí)題6程序面板圖7.給定任意x,求如下表達(dá)式的值，圖2—13習(xí)題7前面板圖圖2—14習(xí)題7程序面板圖利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tickcountVI，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2—15習(xí)題8前面板圖圖2—16習(xí)題8程序面板圖為第四章習(xí)題3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2—17習(xí)題9前面板圖圖2—18習(xí)題9程序面板圖計(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，80～89為B，70～79為C，60～69為D，60分以下為E。圖2—19習(xí)題10前面板圖圖2—20習(xí)題10程序面板圖為第5章的習(xí)題2連續(xù)溫度采集監(jiān)測(cè)添加報(bào)警信息，如下圖所示，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2—21習(xí)題11前面板圖圖2—22習(xí)題11程序面板圖將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)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)與串口儀器進(jìn)行通信。圖2—23習(xí)題12前面板圖2—24習(xí)題12程序面板圖用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2—25習(xí)題13程序面板圖圖2—26習(xí)題13程序面板圖利用簇模擬汽車(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。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2—27習(xí)題14前面板圖圖2—28習(xí)題14程序面板圖利用隨機(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(xiàn)實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果。圖2—29習(xí)題15前面板圖圖2—30習(xí)題15程序面板圖在第七章習(xí)題1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2—31習(xí)題16前面板圖圖2—32習(xí)題16程序面板圖利用隨機(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WaveformGraph上。圖2—33習(xí)題17前面板圖圖2—34習(xí)題17程序面板圖在第七章習(xí)題3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)WaveformGraph中。圖2—35習(xí)題18前面板圖圖2—36習(xí)題18程序面板圖3利用Labview實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的時(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)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)—階躍激勵(lì)的基本原理零狀態(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r

zs(t)。它滿(mǎn)足方程

：及起始狀態(tài)r(k)

(0-)(k=0,1,n-1)，其形式為

其中e（t）為激勵(lì)信號(hào)，有時(shí)稱(chēng)輸入信號(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(xiàn)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。本課設(shè)利用的是經(jīng)典解法—微分方程求解。對(duì)于一階系統(tǒng)：先求齊次線(xiàn)性方程的通解，再利用所謂常數(shù)變易法來(lái)求非齊次線(xiàn)性方程的特解。通過(guò)計(jì)算可知，一階連續(xù)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)方程的通解等于對(duì)應(yīng)的齊次方程的通解與非齊次方程的一個(gè)特解之和。對(duì)于二階方程：求齊次線(xiàn)性方程通解和非齊次方程的一個(gè)特解。其中求通解得步驟如下：第一步寫(xiě)出微分方程的特征方程，如。第二步求出特征方程的兩個(gè)根，。第三步根據(jù)特征方程的兩個(gè)根的不同情形，按照下面的表寫(xiě)出微分方程的通解：特征方程的兩個(gè)根，微分方程的通解兩個(gè)不相等的實(shí)根，兩個(gè)相等的實(shí)根一對(duì)共軛復(fù)根第四步用待定系數(shù)法求方程特解，本課設(shè)激勵(lì)是階躍函數(shù)，即滿(mǎn)足的形式，其中?？汕蟮?3.2連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析求零狀態(tài)響應(yīng)—階躍激勵(lì)的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)3.2.1一階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)圖3—1一階連續(xù)系統(tǒng)的前面板圖圖3—2一階連續(xù)系統(tǒng)的程序面板圖3.2.2二階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)圖3—3二階連續(xù)系統(tǒng)的前面板圖圖3—4二階連續(xù)系統(tǒng)的程序面板圖3.3運(yùn)行結(jié)果及分析3.3.1一階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析圖3－5一階系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖3.3.2二階連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果及分析圖3－6二階不相等實(shí)根運(yùn)行結(jié)果圖圖3－7二階重根運(yùn)行結(jié)果圖圖3－8二階共軛復(fù)根運(yùn)行結(jié)果圖4總結(jié)課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，它是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程．”千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義．我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，做任何事都必須耐心，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，有幾次因?yàn)椴恍⌒奈矣?jì)算出錯(cuò)，只能毫不情意地重來(lái)．想過(guò)放棄，想過(guò)抄襲，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，熟悉并可以靈活將其運(yùn)用，而且對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域分析也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)零狀態(tài)的認(rèn)識(shí)更客觀(guān)。

其中對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)時(shí)域分析我有以下幾點(diǎn)的認(rèn)識(shí)：1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)分析的方法很多，其中時(shí)域分析法不通過(guò)任何變換，直接求解系統(tǒng)的微分、積分方程，系統(tǒng)的分析與計(jì)算全部在時(shí)間變換領(lǐng)域進(jìn)行，這種方法直觀(guān)，物理概念清楚，是學(xué)習(xí)各種變換域分析方法的基礎(chǔ)。2系統(tǒng)時(shí)域分析法包括兩方面內(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)性卷積積分，求系統(tǒng)輸出響應(yīng)。3卷積積分也是時(shí)間與變換域分析線(xiàn)性系統(tǒng)的一條紐帶，通過(guò)它把變換域分賦以清晰的物理概念。最后，我要感謝老師的耐心指導(dǎo)，是您的教誨啟發(fā)了我，是您的期望鼓勵(lì)了我，讓我感受到了動(dòng)力，堅(jiān)持不懈