自动控制原理虚拟实验系统.docx
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自动控制原理虚拟实验系统
《自动控制原理》虚拟实验系统开发
Thedevelopmentofvirtuallabsystemforautomaticcontroltheory
摘要
根据《自动控制原理》课程实验教学在高校实验实践中遇到的困难和实验教学改革的需要，本文提出了建立基于LabVIEW的自动控制虚拟实验系统方案。
运用虚拟仪器代替传统仪器，既节约实验室建设成本，又可以得到良好的实验效果。
另外，该系统可以调动学生积极性，培养创新精神，加强实践动手能力的培养
本文首先分析了虚拟仪器的构成、分类与应用，选择图形化软件LabVIEW作为开发环境；其次，提出基于LabVIEW的自动控制原理实验系统的方案，包括系统结构、功能和性能特性以及设计流程和方法，并逐一实现各子实验系统。
最后，利用Matlab语言编程进行对比分析，进行正确性验证。
关键词：
自动控制系统，虚拟仪器，MATLAB
ABSTRACT
OnthebasisofproblemsencounteredinactualexperimentteachingofAutomaticControlTheoryinuniversitiesandneedofexperimentteachingrevolution,anewkindofautomaticcontroltheoryvirtualexperimentsystembasedonLabVIEWisadvanced.Usingthevirtualinstrumenttoinsteadofthetraditionalinstruments,namely,savingthelaboratoryconstructioncosts,butalsocanbeagoodexperiment.Inparticular,thepracticalabilitytoengagestudentsandcultivateaspiritofinnovationcanbestrengthen.
Firstly,theVirtualInstrumentisbrieflyintroducedinthepaper,includingtheform,classificationandtheapplication.ThenthegraphicsmodesoftwareLabVIEWisselectedasdevelopmentenvironment.Secondly,theprojectofexperimentsystemofautomaticcontroltheorybasedontheLabVIEWisgiven;includingsystemstructure,functionandperformancecharacteristicsaswellasthedesignprocessandmethods,thentheexperimentalsubsystemisdesignedonebyone.Finally,MATLABprogrammingisusedforcomparisonandaccuracycertification
Keywords:
automaticcontrolsystem,virtualinstrument,MATLAB
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2课题研究的目的与意义1
2系统总体方案论证2
2.1本课题的设计任务2
2.2方案论证2
3设计原理4
3.1一阶系统惯性环节虚拟实验系统设计原理4
3.1.1一阶惯性环节数学模型的建立4
3.1.2MATLAB仿真4
3.2二阶系统的时域特性研究5
3.2.1二阶系统数学模型的建立5
3.2.2MATLAB仿真6
3.4系统校正6
3.4.1串联超前校正7
3.4.2串联滞后校正8
3.4.3串联滞后-超前校正8
3.5PID控制系统10
3.5.1PID控制原理10
3.5.2水箱模型分析11
4程序方案设计12
4.1总体设计12
4.2基于LabVIEW的虚拟实验系统设计12
4.3用户管理程序设计13
5《自动控制原理》虚拟实验系统开发15
5.1一阶系统惯性环节虚拟实验系统15
5.1.1功能描述15
5.1.2设计步骤15
5.2二阶系统的时域特性研究16
5.1.1功能描述17
5.1.2设计步骤17
5.3二阶系统稳定性判定19
5.3.1功能描述19
5.3.2设计步骤19
5.3.3MATLAB仿真21
5.4奈氏曲线的绘制及稳定性判断21
5.4.1功能描述21
5.4.2设计步骤21
5.5系统根轨迹图绘制23
5.5.1功能描述23
5.5.2设计步骤23
5.6增益裕量与相位裕量分析25
5.6.1功能描述25
5.6.2设计步骤25
5.7超前校正与滞后校正26
5.7.1功能描述26
5.7.2设计步骤27
5.8采样系统校正虚拟实验系统29
5.8.1功能描述29
5.8.2设计步骤29
5.8.3MATLAB仿真31
5.9基于PID算法的水位控制系统32
5.9.1功能描述32
5.9.2设计步骤32
5.10综合性实验33
5.10.1功能描述33
5.10.2设计步骤33
6登录系统设计36
6.1功能描述36
6.2设计步骤36
结论37
参考文献39
致谢38
1绪论
21世纪自动控制技术得到了广泛的应用，《自动控制原理》作为自动化、电子、信息及相关专业的重要专业基础课，对学生专业知识体系的建立和后续学习研究理论基础的奠定有着无法替代的重要作用【1】。
一直以来，针对该课程的教学改革都是自控控制及相关专业教学研究的重点。
本课题针对该课程特点，对NI公司的LabVIEW软件以及MATLAB软件在该课程的辅助教学中的应用与意义进行了研究，希望对该课程建设有所帮助。
采用LabVIEW编程语言，结合MATLAB，开发出基于LabVIEW和MATLAB混合编程的虚拟实验系统，既可以在课堂上进行模拟实验，又能结合学校原有的硬件电路设备进行硬件实验。
由此构建的综合实验系统，可以显著提高教学效果和实验效果。
而虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点，通过课堂上的模拟实验，可以更好的帮助学生理解、消化、吸收所学内容，重点解决教学及实验过程中的一些难点问题【2】。
1.1课题研究的背景
《自动控制原理》这门课程涉及到控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。
特点是概念抽象,数学含量大,计算繁杂,以致学生难于理解。
而实验课则是学生较好地掌握《自动控制原理》理论课的重要组成部分，是更好地实现理论和实际有机结合的桥梁。
搞好实验教学，不仅可以使学生对所学理论知识有更深刻的理解和把握，有效地提高教学质量，同时可以提高学生的动手能力和设计水平，更好地满足社会对人才的要求。
传统的《自动控制原理》实验一般采用自控实验箱，在实验箱面板上连接相应的典型环节，通过示波器观察系统的响应曲线及各项指标。
虽然这种方式可以在一定程度地提高学生的动手能力，加深对课堂所学内容的理解，但观察效果并不理想。
而且学生仅根据实验模拟电路图接线，缺少主动性和积极性【3】。
1.2课题研究的目的与意义
虚拟仪器具有仿真的用户面板，学生通过操作虚拟面板就可学习和掌握仪器原理、功能与操作。
虚拟仪器采集的是现场真实的物理数据，可通过与其它仪器、电路的相互配合，完成实际实验过程，达到与用实际仪器教学相同的实验目的。
在很大程度上，虚拟仪器可以代替真实仪器进行实验教学。
学生在进行实验时不必担心弄坏仪器，可以极大地提高学生的学习兴趣、激发学生自主学习的主动性和积极性。
2系统总体方案论证
2.1本课题的设计任务
LabVIEW软件平台，用户界面丰富灵活，可与多种编程语言（MATLAB，C等）嵌套，并有一个功能强大的函数库。
但LabVIEW在控制算法实现方面较薄弱，限制了应用程序的快速开发。
而MATLAB提供了强大的矩阵运算功能和丰富的工程计算领域工具箱，编程效率高。
但MATLAB的界面开发能力较差，并且数据输人、硬件控制等方面都比较繁琐。
鉴于LabVIEW和MATLAB的特点和《自动控制原理》实验的教学现状，采用LabVIEW和MATLAB相嵌套的方法来实现《自动控制原理》虚拟实验系统的设计【4】。
要求：
（1）内容与理论课程紧密结合，实现理论课程的逻辑运算和推导、结果演示和分析、主动型实验验证等，有利于加深学生知识的理解的功能，做到“实用”。
（2）软件设计做到层次清晰、界面简洁、操作人性化，设计中需要善用指导性和辅助性语言，注意结果的细致分析，做到简明易用。
（3）软件中注意交互性内容的设置，能够使软件给学生的感觉更生动亲切，提高学生学习兴趣。
（4）实验性教学辅助软件的应用既应该有助于加深学生对抽象知识的理解，更需要具有启发性和思考深度。
在设计中注意适时提出相应思考问题或较简单的动手题目，将更有助于学生独立思维、动手和创新能力的养成。
2.2方案论证
针对本课题，可以用两种方案实现。
首先提出了基于MATLAB的虚拟实验系统，用其附带的组件Simulink模拟实际硬件的全部功能。
虽然解决了目前实验中的一些问题，并在一定程度上提高了目前《自动控制原理》教学和学习效果。
但是，由于MATLAB的局限性，这种虚拟实验系统仅限于软件模拟，实验中各典型环节需要学生自己搭建，可操作性差。
另外，由于MATLAB软件模拟往往需要学生对其有一定的了解和熟悉，这对低年级的学生来说比较困难【5】。
所以，效果并不是很理想。
而LabVIEW采用图标构建程序代码，用连线表示数据流向，使用LabVIEW编程基本上不用编写程序代码，而是用图标连线构成程序框图，因而使用者不必花费过多的时间去了解编程语法等知识，即使是只有很少编程经验的人也能很快学会软件的使用。
于是提出了LabVIEW与MATLAB相结合混合编程的方案。
LabVIEW软件平台，用户界面丰富灵活，并有功能强大的函数库。
虽然在控制算法实现方面较薄弱，但LabVIEW中提供了MATLAB script节点。
这样我们不仅可以利用MATLAB提供的强大的矩阵运算功能和丰富的工程计算领域工具箱，提高了编程效率。
而且仅针对MATLAB script节点的学习大大减轻了学生负担，从而提高学生的积极性【6】。
鉴于此，本课题选用LabVIEW和MATLAB相嵌套的方法来实现《自动控制原理》虚拟实验系统的设计。
3设计原理
本章着重介绍《自动控制原理》中常见虚拟实验子系统的原理，包括的实验有：
一阶惯性环节模拟实验、二阶系统的时域特性研究、二阶系统的稳定性判定、奈氏曲线的绘制、根轨迹的绘制、增益裕量与相位裕量分析、超前校正与滞后校正、采样系统、基于PID算法的水位控制系统、综合性实验。
3.1一阶系统惯性环节虚拟实验系统设计原理
3.1.1一阶惯性环节数学模型的建立
惯性环节的结构图如图3-1。
其传递函数为：
=
，惯性环节的模拟电路如图3-2。
图3-1惯性环节结构图图3-2惯性环节模拟电路
惯性环节中
，
。
从输入端加入阶跃信号：
保持
不变，分别观察T不同时的输出波形，并作记录。
保持
秒不变，分别观察K为不同时的输出波形，并作记录。
3.1.2MATLAB仿真【7】
对于一阶系统惯性环节实验，我们可以利用MATLAB编程进行仿真，其仿真结果如图3-3、3-4。
图3-3K=1不变时，T为0.1和0.01的惯性环节仿真图
图3-4T=0.1不变时，K为0.5和2的惯性环节仿真图
3.2二阶系统的时域特性研究
3.2.1二阶系统数学模型的建立
二阶系统的方块结构图如图3-5。
其中T0=1秒，T1=0.1秒，K1根据电阻R1的改变而改变。
图3-5二阶系统结构图
开环传递函数为：
，其中
为开环增益。
闭环传递函数：
。
其中
其中二阶系统的模拟电路图如图3-6所示：
图3-6二阶系统的模拟电路图
3.2.2MATLAB仿真
利用MATLAB编程，其仿真结果（R1为10时）如图3-7。
图3-7二阶系统仿真图
3.4系统校正
3.4.1串联超前校正
某随动系统，结构图如图3-8,模拟电路为图3-9。
图3-8随动系统结构图
待校正的系统开环传递函数为
，稳定储备很差。
但加入串联超前校正后，则稳定储备大为改善。
串联超前校正装置的传递函数为：
秒；
秒
图3-9模拟电路
对于串联超前校正实验，利用MATLAB编程，其仿真结果如图3-10。
图3-10串联超前校正仿真图
3.4.2串联滞后校正
某随动系统，结构图如图3-11示,模拟电路为图3-12示。
图3-11随动系统结构图
图3-12模拟电路
待校正的系统开环传递数
利用伯德图和代数稳定判据，可分析稳定储备很差，加入串联滞后校正后，系统则成为稳定的系统。
对于串联之后校正实验，利用MATLAB编程，其仿真结果如图3-13。
图3-13串联滞后校正仿真图
3.4.3串联滞后-超前校正
某随动系统，结构图如图3-14,模拟电路如图3-15。
图3-14随动系统结构图
图3-15模拟电路
待校正的系统开环传递数
显然，利用德伯图或代数稳定判据，上述参数很难使系统稳定，但加入串联滞后—超前校正后，系统稳定储备大为改善，品质可以满足要求，滞后—超前校正装置的传递函数为：
对于串联滞后-超前校正实验，利用MATLAB编程，其仿真结果如图3-16：
图3-16滞后-超前校正仿真图
3.5PID控制系统
3.5.1PID控制原理【8】
目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。
先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用[8]。
现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的计算机系统等。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
y（t）
+
+
r（t）
比例P
积分I
微分D
被控对象
图3-17PID控制基本原理图
PID控制器是一种线性负反馈控制器，给定值r（t）与实际值y（t）构成控制偏差：
（3-1）
PID控制规律为：
（3-2）
或以传递函数形式表示：
（3-3）
其中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
PID控制器各控制规律的作用如下：
（1）比例控制（P）：
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，能较快克服扰动，使系统稳定下来。
但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）积分控制（I）：
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。
（3）微分控制（D）：
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。
3.5.2水箱模型分析
h
泵
阀1
Q1
Q2
阀2
图3-18液位被控简明过程
系统中水箱液位变化过程是一个具有自衡能力的单容过程【9】。
如图3-18示，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。
液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。
液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。
若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q2之间的数学表达式。
根据动态物料平衡：
Q1-Q2=A（dh/dt）；（3-4）
△Q1-△Q2=A（d△h/dt）；（3-5）
在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。
由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。
但为了简便起见，做线性化处理得Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为
W0（s）=H（s）/Q1（s）=R2/（R2Cs+1）=K/（Ts+1）（3-6）
由此可以建立相应的一阶惯性环节模型。
4程序方案设计
4.1总体设计
本毕业设计的主要内容是：
应用LabVIEW和MATLAB编程语言实现包含《自动控制原理》课程中常见实验的虚拟实验系统。
考虑到涉及的程序较多不好管理，因此，添加了登陆系统和主程序。
在正确的登陆以后，进入到主程序，在主程序中包含了《自动控制原理》课程所有的常见实验，可以对它们进行有选择性的操作。
为了方便观察实验的实验结果，最后添加了保存图片和输出报表部分【10】。
总体设计的流程图如图4-1。
结束
主程序
填写信息
开始
保存数据
实验选择
图4-1总体设计流程图
4.2基于LabVIEW的虚拟实验系统设计
《自动控制原理》中常见的虚拟实验子系统如下：
一阶系统、二阶系统、根轨迹绘制、校正系统、采样系统、采样系统校正、频率特性、系统稳定性、非线性系统等【11】。
这些实验有着不同的实验原理，但是，有着相同的设计步骤，其设计的流程图如图4-2。
图4-2虚拟实验设计流程图
4.3用户管理程序设计【12】
本系统涉及的用户管理程序有：
登陆系统、主程序。
主程序是一个包含所有虚拟实验的程序，其程序框图如图4-3。
登陆系统是登陆了正确的用户名和校验码后可以进入主程序，其流程图如图4-4。
……
图4-3主程序设计程序框图
开始
进入系统
填写登录信息
选择实验
退出
图4-4登陆系统设计流程图
5《自动控制原理》虚拟实验系统开发
5.1一阶系统惯性环节虚拟实验系统
5.1.1功能描述
本实验是研究一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线。
当给一阶系统惯性环节的两个特征参数K和T分别输入不同值时，可以确定不同的传递函数，并据此画出一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线【13】。
5.1.2设计步骤
（1）前面板设计
启动LabVIEW，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图5-1。
前面板主要控件如下：
2个Numeric控件，功能是分别输入一阶系统惯性环节的时间常数T和放大倍数K的值；一个XYGraph控件，功能是显示一阶系统惯性环节的单位阶跃响应曲线；3个Button控件，功能是实现“实验说明”、“保存”和“退出”。
图5-1一阶系统惯性环节仪器前面板
（2）程序框图设计
①依次点击Functions→AllFunctions→Analyze→Mathematics→Formula→MATLABScript进行操作，并根据表5-1添加输入、输出变量。
表5-1一阶系统惯性环节输入和输出变量
输入变量
类型
输出变量
类型
T
Real
t
2-DArrayofReal
K
Real
y
2-DArrayofReal
输入输出变量设置完成后，将下面的程序文件写入MATLAB节点内。
num=[K];
den=[T1];
sys=tf（num,den）;
t=0:
0.01:
1.2;
y=step（sys,t）;
②依次点击Functions→AllFunctions→Array→ReshapeArray进行操作，功能是将输出变量t和y的维数统一。
③进入后面板，如图5-2完成连线。
图5-2一阶系统惯性环节程序框图
（3）程序运行演示
输入K=1，T=0.1，运行结果如图5-3。
点击“实验说明”按钮可以查看实验的具体内容，输入相应参数后点击“保存”可以将数据以图片格式保存。
图5-3K=1，T=0.1时一阶系统惯性环节运行结果
实际实验中可以保持K不变，改变T观察曲线变化情况，或者保持T不变，改变K观察曲线变化情况。
5.2二阶系统的时域特性研究
5.1.1功能描述
本实验是研究二阶系统的瞬态响应。
为了使二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的传递函数写标准形式【14】。
在已知传递函数的情况下，依次输入分子、分母系数后运行程序，可以直观的看到阶跃特性曲线、脉冲特性曲线和时间特性曲线并读出上升时间、峰值的主要参数。
5.1.2设计步骤
（1）前面板设计
创建“创建传递函数”，可以任意输入分子分母组合出不同的传递函数，如图5-4。
图5-4二阶系统的时域特性研究前面板（创建传递函数）
创建“创建二次传递函数”，可以通过输入
和
来定义不同的传递函数，如图5-5。
图5-5二阶系统的时域特性研究前面板（创建二次传递函数）
（2）程序框图设计
进入后面板，右键依次点击ControlDesignandSimulationModule、ControlDesign插入相应的控件，如图5-6。
图5.6二阶系统时域研究程序框图
（3）程序运行演示
点击“创建传递函数”，并以传递函数
为例。
分母输入10，分子输入1、2，运行结果如图5-7。
图5-7二阶系统时域研究运行结果
点击“创建二阶传递函数”，以传递函数
为例。
输入
=0.5，
=4，运行结果如图5-8。
图5-8
=0.5，
=4时二阶系统时域研究运行结果
5.3二阶系统稳定性判定
5.3.1功能描述
本系统为二阶系统稳定性判定，通过绘制系统的单位阶跃响应曲线就可以直观地判断系统的稳定性，具体的判断方法如下：
若输出曲线是发散的，则系统不稳定；若输出曲线是等幅振荡的，则系统临界稳定；若输出曲线是衰减振荡的，则系统稳定【15】。
5.3.2设计步骤
（1）前面板设计
启动LabVIEW，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板，如图5-9。
前面板主要控件如下:
1个Array控件，功能是显示输出闭环特征根的值；1个XYGraph控件，功能是显示单位阶跃响应曲线；3个Button控件，功能是实现“实验说明”、“保存”和“退出”。
图5-9二阶系统稳定性判定的仪器前面板
（2）程序框图设计
①依次点击Functions→AllFunctions→Analyze→Mathematics→Formula→MATLABScript进行操作，并根据表5-1添加输入、输出变量。
表5-2二阶系统稳定性判定输入和输出变量
输出变量
类型
t
2-DArrayo
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