虚拟仪器导论实验一.doc
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《虚拟仪器导论》实验报告
学号：
12051124
班级：
自动化1班
姓名：
张青
信息与控制工程学院自动化系
实验一熟悉LabVIEW开发环境
一、实验目的
（1）熟悉LabVIEW的初步操作。
（2）掌握LabVIEW的编程方法。
二、实验内容
1、建立虚拟温度计的VI。
2、将所设计的虚拟温度计VI设计成子VI，供其他程序调用。
三、实验原理
（1）LabVIEW的操作模板
在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。
这些模板集中反映了该软件的功能与特征。
下面我们来大致浏览一下。
工具模板（ToolsPalette）
该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。
当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。
当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（SubVI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。
图1-1工具模板图1-2控件选板图1-3函数选板
下面的两个模板是多层的，其中每一个子模板下还包括多个对象。
控件模板（ControlPalette）
注意：
只有打开前面板时才能调用该模板。
该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。
每个图标代表一类子模板。
如果控件模板不显示，可以用“窗口”菜单的“显示控件选板”功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控件模板。
函数模板（FunctionsPalette）
函数模板是创建流程图程序的工具。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
若函数模板不出现，则可以用“窗口”菜单的“显示函数选板”功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出函数模板。
注：
只有打开了流程图程序窗口，才能出现函数模板。
（2）关于连线
连线是程序设计中较为复杂的问题。
流程图上的每一个对象都带有自己的连线端子，连线将构成对象之间的数据通道。
因为这不是几何意义上的连线，因此并非任意两个端子间都可连线，连线类似于普通程序中的变量。
数据单向流动，从源端口向一个或多个目的端口流动。
不同的线型代表不同的数据类型。
当需要连接两个端点时，在第一个端点上点击连线工具（从工具模板栏调用），然后移动到另一个端点，再点击第二个端点。
端点的先后次序不影响数据流动的方向。
当把连线工具放在端点上时，该端点区域将会闪烁，表示连线将会接通该端点。
当把连线工具从一个端口接到另一个端口时，不需要按住鼠标键。
当需要连线转弯时，点击一次鼠标键，即可以正交垂直方向地弯曲连线，按空格键可以改变转角的方向。
接线头是为了帮助正确连接端口的连线。
当把连线工具放到端口上，接线头就会弹出。
接线头还有一个黄色小标识框，显示该端口的名字。
线型为波折号的连线表示坏线。
出现坏线的原因有很多，例如：
连接了两个控制对象；源端子和终点端子的数据类型不匹配（例如一个是数字型，而另一个是布尔型）。
可以通过使用定位工具点击坏线再按下来删除它。
选择“编辑->删除断线”菜单命令或者按下可以一次删除流程图中的所有坏线。
当VI无法运行，或者显示“信号丢失终端”的错误信息时，这是一个快捷的调试方法。
（3）程序调试技术
1．找出语法错误
如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。
这时该按钮被称作错误列表。
点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用“查找”功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。
2．设置执行程序高亮
在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮上。
点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。
这样，你就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。
3．断点与单步执行
为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。
使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。
使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。
断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。
当VI程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。
按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。
你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。
4．探针
可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。
从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。
这时显示器上会出现一个探针显示窗口。
该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。
在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。
四、实验过程
（1）启动LabVIEW，创建一个VI。
（2）在前面板中放置一个温度计控件，并修改控件标签名为温度计℃和设置最大值为100。
该控件从“控件—经典—经典数值”子选项板中获得。
（3）按同样的方法在前面板中放置一个仪表控件，并修改仪表控件的标签名为电压（mV），标尺刻度范围为0～1000。
（4）按同样的方法在前面板中放置一个数值显示控件，并修改控件标签名为数值显示：
℃，并为电压添加数值显示控件。
（5）从“经典布尔”里找出带标签椭圆形按钮，“Express”里添加两个指示灯。
（6）从“窗口”下拉菜单中选择“显示程序窗口”切换到程序框图窗口。
（7）在程序窗口中创建随机数字（0-1），添加两个乘法函数、两个比较函数并进行连线。
（8）切换至前面板，换成“操作值”点击椭圆形开关切换至“开”，点击运行按钮，运行VI程序。
（9）修改图标为T/V以表示该子VI当前温度和过温提示，并保存为vi.vi。
前面板：
程序框图：
修改后的图标及连线端：
五、实验问题及总结
问题：
1、接线时错将温度机接至0-1000的范围导致温度计爆表，所以下次接线时一定要认真仔细，并检查错误的原因。
2、布局时难看不齐，可以使用工具栏下方的“对齐对象按钮”，程序框图连线完毕时也可以点击整理所选部分，使图清晰美观。
实验二LabVIEW基本程序设计
一、实验目的
（1）熟悉LabVIEW8.5开发环境；
（2）掌握LabVIEW编程语言的程序结构和图形控件的使用方法；
（3）掌握LabVIEW编程环境的程序调试方法；
二、实验原理与内容
已知一阶系统状态空间表达式
编程时可采用4阶龙格-库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/T*（e（k）-2*e（k-1）+e（k-2））;
u（k）=u（k-1）+du;
本实验要求基于LabVIEW编程环境，针对上述一阶系统进行控制仿真。
通过控制系统仿真，分析一阶系统的特点和各个PID参数对控制系统性能的影响。
三、实验过程
1、通过实验讲义在“控件模版”中选取对应控件，拖去前面板中，并进行对齐等操作使其清晰美观。
2、
（1）进入程序框图，先选取while函数模版，并在其中建立两个公式节点模块。
（2）在第一个公式节点中添加输入：
Kp、Ti、Td、ek、u、ek_1、ek_2、X、T，以及在右侧添加输出：
du、u、ek、ek_1、X。
在第二个节点添加输入：
du、u、ek、ek_1、X、T，以及添加输出：
y、u、ek、ek_1、X。
第一个公式节点里的公式：
floatdu;
du=Kp*（ek-ek_1）+T/Ti*ek+Td/T*（ek-2*ek_1+ek_2）;
u=u+du;
第二个公式节点里的公式：
floatK1,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）将比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td、设定值、仿真步长控件拖入while循环。
在while循环里添加5个移位寄存器，并将5个数值常量与之连线，表示法设置为单精度。
拖入等待时间，数值常量500。
（4）捆绑u、y输出，整体进行连线，完毕后整理程序框图。
（5）设置好参数：
设定值2，比例系数0.5，积分时间0.5，微分时间0，仿真步长0.1，运行程序。
四、实验结果
五、实验分析及问题
一阶系统特点：
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳
态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性
PID参数对控制系统性能的影响：
1、比例参数Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。
Kp取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。
2、积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。
Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。
若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。
另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。
从相位的角度来看一个积分环节就有90°的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。
3、微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
但Td不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。
PID参数整定的方法：
a.确定比例增益P
确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。
输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。
比例增益P调试完成。
b.确定积分时间常数Ti
比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。
记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。
积分时间常数Ti调试完成。
c.确定微分时间常数Td
积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。
若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
编程过程中遇到的问题、解决办法：
1、在进行波形输出时，捆绑和按名称捆绑混淆导致连线失败。
2、在输入公式时注意大小写，否则出现未定义变量等错误。
3、数值常量连线呈蓝色时，是因为没有设置表示法为单精度。
4、波形刚开始为直线，是因为没有加入延时控件。
六、实验分析及问题
通过本次实验，我熟悉LabVIEW的初步操作，对工具模版、控件模版、函数模版都有了基本的了解，同时掌握LabVIEW的编程方法，在虚拟温度计的设计中加强我对LabView工具的熟练程度。
在实验二龙格-库塔仿真实验中，对LabView的程序结构while循环，公式节点的方法进行了操作，掌握了虚拟仪器的设计基础，明白了簇操作、移位寄存器等课上马马虎虎的知识，并对一阶系统，PID控制器等知识有复习的作用。
总的来说，这次实验使我获益匪浅
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