中南大学本科论文-一阶弹簧阻尼特性研究及可视化表现.pdf

本科生毕业论文（设计）题 目一阶弹簧阻尼系统特性研究及可 视化表现 中南大学本科毕业论文目录目录目录.I摘要.III中文摘要.IIIAbstract.IV第1章绪论.11.1 虚拟仪器概述.11.2 关于本课题研究的背景，目的及意义.4本章小 结.6第2章LabView程序设计技术.72.1 LabVIEW软件介绍.72.2 LabVIEW应用程序的构成.72.3 LABVIEW的基本模块.92.4 LabVIEW中的数据流.102.5程序调试技术.11本章小结.13第3章 系统数学模型及在典型输入下的响应分析.143.1系统的数学模型.143.2.系统的运动微分方程.143.3系统的时间响应.153.3.1 一阶系统的单位脉冲响应.153.3.2 一阶系统的单位阶跃响应.163.3.3 一阶系统的正弦响应.173.4 频率特性.183.5 实现不失真测试的条件.21本章小结.24第4章 虚拟实验平台的程序设计.254.1系统动态模型的建立和可视化的实现.254.2系统的时间响应分析.284.2.1 使用公式节点直接求解.284.2.2 使用微分方程求解.304.3系统的频率特性分析.334.3.1 采用公式节点来做.334.3.2 在给定频率下采集频率响应数据，采集多组数据后自动画出频率特性曲线.35I中南大学本科毕业论文目录4.3.3 采用labview提供的控制和仿真工具包来进行设计.404.3.4 工具包（完善流程图）.47本章小结.51第5章结论和总结.52参考文献.54附录.55附录一：程序设计流程图.55附录二：英语翻译原文.58附录三:翻译中文.68附录四：实验指导书.77II中南大学本科毕业论文摘要摘要中文摘要：虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术 的发展方向。而labview是世界上最优秀的虚拟仪器软件开发平台。在机械专业 本科自动控制原理课程的教学中，采用虚拟仪器来进行实验相对传统的实验来说 可以减少投入，且有一定的优势。它提供了儿乎所有经典的信号处理函数和大量 的现代的高级信号分析工具。具备易操作，误差小，实验过程直观生动，改动方 便等特点。本设计在自动控制，计算机控制课程的理论基础上使用labview设计 了一阶机电系统的时间响应和频率特性分析虚拟实验。能有效的模拟实际的系统,实现了界面的可视化，能直观的观察实验过程。采用了三种方案来进行设计，方 案一的思想是采用ODE Runge Kutta 4th Order求解系统的微分方程来进行时域分 析。方案二的思想是采用可实现采集频率响应的数据的方法来进行设计。方案三 是采用NI公司提供的控制与仿真工具包来进行该虚拟实验平台的设计。关键词：虚拟仪器，labview,时间响应，频率特性，可视化。ill中南大学本科毕业论文摘要Abstract:Virtual Instrument is the current Hot Technology In Measurement andControl Field,It represents the future instrument technology development direction.And labview Is the worlds best Virtual Instrument S oftware Development Platform.Majors in mechanical control theory courses teaching,Virtual machines used for experiments relatively traditional experimental run can be reduced input,and there are certain advantages.It provides almost all of the classic signal processing fiinction and a large number of modern,high-signal analysis tools.With easy to operate,accurate and vivid visual,the changes convenient features.The design based on the theory in automatic control,computer control programs and use the labview fbr designing stage electromechanical system time and frequency response characteristics Analysis of virtual experiments.The design can effectively simulate the actual system,implementation of the visual inter face,and can directly observate the prosess of the experimeng.Three programs used fbr this design.The idea with the first program is using ODE 4th Order Runge Kutta solution to the equation system for time-domain analysis.The ideas with the second program can be realized is the collection frequency response data.The ideas fbr the 3rd Program is using the control and simulation tool kits what provided by NI company to realize the design fbr the virtual experimental platform.KEYWORDS:Virtual Instrument，LabView,Time Response,FrequencyCharacteristics,Visualization.IV中南大学本科毕业论文第1章绪论第1章绪论本章主要介绍了虚拟仪器的一些基本知识，包括它的主要特点，发展趋势,以及其应用软件开发平台。同时介绍了本课题的设计背景，目的，方法和意义。1.1虚拟仪器概述虚拟仪器技术11986年美国国家仪器公司NI(National Instmunents)首先提出了虚拟仪器的概 念。所谓虚拟仪器(VI,Virtual Instrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化 模块结合起来，用户可以利用计算机强大的数据处理、存储、图形环境和在线帮 助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存 储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低 仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能.虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合 是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算 机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大 以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系 统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为 依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。被测刈豫图1.1:虚拟仪器的基本组成虚拟仪器的主要特点有：1与传统仪器相比，虚拟仪器打破了传统仪器的“万能”功能概念，充分利用 计算机技术，强调“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程度上可以完成传统 仪器不可能实现的硬件测试功能:仪器或系统的功能、规模可以由用户自己定义，1中南大学本科毕业论文第1章绪论虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使得组建系统变得更加灵活、简单。虚 拟仪器是建立在当今世界最新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新很快。虚拟仪器具有以下性能优点：1软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软 件来实现的，所以美国国家仪器公司就曾提出一个著名的口号:软件就是仪器。2虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效 的测量，而且，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器 在改变测量对象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的 硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪 器更经济。3虚拟仪器的出现，缩短了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户 能够根据自己的需要定义仪器的功能，利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试 系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC机能提供远胜于仪器内部的处理能 力，因此，借助于一台通用数据采集系统（或板卡），用户就可以通过软件构造几 乎任意功能的仪器。4虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测控操作是通过计算机屏 幕上的、与传统仪器面板相似的友好图形界面来实现的。5虚拟仪器具有和其它设备互联的能力。如和总线或现场总线等的接口能力，此外，还可以将虚拟仪器接入网络，以实现对现场生产的监控和管理。6虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化，可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。当然，虚拟仪器的特点还不止这些，作为新型仪器，还有许多传统仪器无法比拟 的地方。这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究 中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天 等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器化的计算机化成为可能，甚 至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推 出了 LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和Lab VIEW长期、系统、有效的研究 开发使得该公司成为业界公认的权威。普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统 性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标 准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又 采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式 在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了 一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用2中南大学本科毕业论文第1章绪论较多的是IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器技术经过十几年的发展，标准化、模块化、软件化、网络化的开放 式体系结构将成为未来虚拟仪器重要发展方向。为了更方便用户使用，各仪器制 造商和各仪器标准化组织，都不断致力于对硬件和软件的标准化。VXI技术的开 放式体系结构和模块化的自动测试技术，使之成为未来虚拟仪器理想硬件。以PC 机，特别以工控PC为中心的体系结构，以其板卡的高性价比和丰富的软件而将 被广泛应用于US B,由于其简单、快速、价格便宣，将在末来的虚拟仪器中得到广 泛应用。VXI即插即用系统联盟为实现接口独立，将VIS A标准定为编程接口。可互换虚拟仪器基金会(Intercitangerable Virtual Instrument Fundation)提出 了一种 新的虚拟仪器驱动技术，即IVI规范，比VPP(VXI Plug&Play)规范又迈进了一步，使测试界工程师能够建立与测试系统无关的高性能硬件设备，使仪器驱动程序成 为仪器测试系统中的标准部件随着软件技术的发展，新的虚拟仪器软件开发工具 不断涌现，并朝着可视化编程方向发展，软件在虚拟仪器系统中的地位和作用越 来越大。ActiveX,COM,DCOM,C/S模型、Internet等组件技术和网络技术的应用，使用户能够通过Internet实现远距离控制，将信息和多维空间相连，使远距离监 测和控制变得更加容易，虚拟仪器正朝向网络化方向发展。虚拟仪器的软件平台虚拟仪器软件开发平台直接决定了虚拟仪器可实现的功能，开发方式，易用 性和可扩充性.虚拟仪器的开发软件通常可以分为通用软件和专用软件。通用软件 就是我们常见的高级汇编语言，比如Visual C十+,VB,Delphi,Java等。使用通 用软件进行开发具有较高的自由度可以定义出具有独特个性的虚拟仪器，但是开 发周期往往比较长，开发难度比较大。而专用软件一般是指专业的图形化编程软 件，比如NI公司的Lab VIEW.LabWindows/CVI或者HP公司的VEE等。它们都 向开发者提供了友好图形化开发界面，并且提供了大量的控件和仪器驱动程序可 使用开发者甚至可以并不了解某种具体的开发语言就可以开发出一些简单的虚拟 仪器。相对而言，使用专用软件开发虚拟仪器系统编程容易，开发周期短，本设 计选用的 Lab VIE W(Laboratory Virtual Instrument Engineering.Work Bench)被称为“科学家与工程师的语言”，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合，是构建 虚拟仪器的理想工具。LabVIEW不仅为测试、测量以及过程控制领域提供了大 量仪器面板对象，而且用户还可以方便地将现有的控制对象改成适合自己工作领 域的控制对象。LabVIEW基于数据流编译型图形编程环境，解决了其它按解释 方式工作的图形编程环境速度慢的问题。Lab VIE W提供了功能强大的函数库，从低层的U0接口控制子程序，到大量的仪器驱动程序，从基本的数学函数、字 符串处理函数到高级的分析库，均可供用户直接调用。此外，LabVIE W还支持 Windows95/98/NT,Macintosh,HP等操作系统平台，在不同平台上开发的应用程序 可直接进行移植:提供了 DLL接口和CIN接口，使用户在Lab VIEW平台上能调3中南大学本科毕业论文第1章绪论用其他软件平台编译的模块;提供对OLE的支持。正是由于LabVIEW的众多优点,使得它已经成为在数据采集、检测、数据分析等方面领先的开发平台，在世界范 围内得到广泛应用。1.2关于本课题研究的背景，目的及意义在工科院校中，实验是一种重要的教学手段。学生通过做实验，可以加深对 所学知识的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分 析问题和解决问题的能力。大部分工科院校中的机械设计基础实验，所用的实验 仪器、设备数量少，不能满足学生需要，且设备比较陈旧，更新慢。传统实验仪 器下的实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要.目前国内高等院校机 械类各专业普遍开设了机械工程控制基础，机械工程测试技术课程，由于课程丰 富的实践性，它的一个重要教学环节就是实验。而使用传统仪器进行实验教学主 要存在以下问题：(1)仪器功能是固定的，每台仪器只能进行某些特定项目的实验，新开发实验 项目需要重新购置仪器。(2)仪器的功能是单一的，比较复杂的实验需要多台仪器组成才能完成，降低 了实验教学效率。(3)仪器的功能是封闭的。学生难以透彻地了解仪器的功能实现的方法以及所 涉及到的抽象的理论知识，影响了学生实验的兴趣。(4)学生只能按教师事先设计好的实验方案被动地进行操作，没有体现出学生 在实验教学中主体地位。而在Lab View这个高效的虚拟仪器开发平台上，学生自己用图形语言开发出 各种仪器，综合应用所学过的各学科知识，在普通的计算机上构建一个个人实验 室，完成实验。这样教师和学生摆脱了功能单一，固定的现成仪器的束缚，可以 充分发挥自己的积极性和创造性，有利于培养学生的创造性思维和工程实践能力。这样做还可以充分利用现有技术资源，降低实验成本，有利于实验设备的更新。而且现在为了更好地满足来自各类院校中不同院系或是整个学校范围师生学者的 需求，NI近日宣布扩展其在院校领域广泛使用的院校单位使用权(Academic S ite License)o新增加部分包括电路设计和仿真选项，以及学生安装选项，让学生们可 以在自己的个人电脑上安装并使用授权的软件。这样学校和学生可以更加方便的 来采用虚拟实验平台。所以有必要研制一种新的实验台来替代原来的实验台。随着微电子技术、计 算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器仪表中的应用，仪器仪表 结构将冲破传统思维模式，发生质的变化。电子测量仪器的发展在经历了模拟仪 器，数字化仪器。智能仪器后，虚拟仪器(Vl)Virtual Instruments)成为测量仪器发 展的最新阶段。虚拟仪器可视化的编程技术为人与试验台的交互开启了方便之门。把虚拟仪器技术用于测试实验系统，我们所需要的只是一些必要的硬件加上通用 计算机，利用软件就可以大大突破传统仪器在数据处理、显不、传送和存储等方 4中南大学本科毕业论文第1章绪论面的限制，达到传统仪器无法比拟的使用效果，提高系统的自动化程度。我们还 可以随心所欲地根据自己的要求设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。本课题选用机械工程基础课程教学中的“一阶弹簧阻尼系统”作为研究对象 来构建一个虚拟实验平台。该系统虽然比较简单，可是该系统直观，对于它的研 究分析也比较实用。本次设计分以下几个方面来进行。1:选定典型的机械系统，对其进行分析，简化其动态模型，建立其运动微分方程。2：使用labview来进行编程和可视化表现。3；进行时间响应分析和频率特性分析。本课题主要设计的知识有：自动控制原理，计算机控制技术，labview.通过该虚拟实验平台学生在自己动手操作实验的过程中可以加深对一阶系统的时间响 应和频率特性的理解，可以更加深刻的掌握机械工程控制基础课程的理论知识。5中南大学本科毕业论文第1章绪论本章小结通过对虚拟仪器的介绍让我们了解了什么是虚拟仪器，它和传统实验仪器相 比有哪些优越性，通过对课题设计的背景，目的和在工科学校机械专业教学采用 虚拟实验平台的意义和优势，使我们对该课题设计有了一个大概的了解.6中南大学本科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术第2章LabView程序设计技术本章主要介绍了在虚拟仪器方面应用比较普遍的软件LAB VIEW应用程序的 构成，主要模块，编程思想，和它独特的数据流等。2.1 LabVIEW软件介绍C+是面向对象的编程语言，广泛适用于和计算机相关的计算、软件管理和 硬件控制；Matlab是演算纸式的编程语言，适用于科学计算、推导和数据表达。fO Lab VIE W(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪 器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬 件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件 标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的 虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是 流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念,因此，Lab VIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和 工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行 原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW,可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2位编译器。像许多重要的软 件一样，Lab VIEW 提供了 Windows、UNIX Linux Macintosh 的多种版本。2.2 LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI),它包括前面板(fixMitpanel)、流程图(block diagram)以及图标/连结器(icon/connector)三部分。前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入 和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和 显示对象(indicator)o图1所示是一个随机信号发生和显示的简单VI是它的前 面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有 一个控制对象一一开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的 流程图。7中南大学木科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术图2.1随机信号发生器的前面板流程图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义 在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有 一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图12 是与图1 1对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随 机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机 数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设 置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。8中南大学木科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术图2.2随机信号发生器的流程图如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准 仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪 器相差无几。图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程 序，这里称为子VI(subVI),被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形 化的参数，详细情况稍后介绍。C12.3 LABVIEW的基本模块像许多Windows应用程序一样，当进入LabVIEW编程环境后，首先出现 在屏幕上的是两个无标题(untitled)窗口，一个是前面板窗口，用于编辑和显示 虚拟仪器的前面板对象，另一个是框图程序窗口，用于编辑和显示流程图。同时 在屏幕上方显示工具按钮，由于两个窗口除框图程序窗口增加了 4个用于程序调 试的工具按钮外工具条是一样的，但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)9中南大学木科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术图2.3:工具模板，控制模板和函数功能模板示意图。2.4 LabVIEW中的数据流使用输入控制和输出显示来构成前面板。控制是用户输入数据到程序的接口。而显示是输出程序产生的数据接口。控制和显示有许多种类，可以从控制模板的 各个子模板中选取。两种最常用的前面板对象是数字控制和数字显示。若想要在 数字控制中输入或修改数值，你只需要操作工具（见工具模板）点击控制部件和 增减按钮，或者用操作工具和标签工具双击数值栏进行输入数值修改即可。流程图程序主要由节点、端点、图框和连线四种元素构成。节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW有二种节点类型-函数节点和子VI节点。两者的区别在于：函数节点是LabVIEW供用户使用编 译好的机器代码，而子VI节点是供用户使用的图形语言。用户可以访问和修改 任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。图154所示的框图程序 有两个功能函数节点，一个函数使两个数值相加，另一个函数使两数相减。端点是只有一路输入/输出，且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点-前面板 对象端点、全局与局部变量端点和常量端点。前面板对象端点是数据在框图程序 部分和前面板之间传输的接口。一般来说，一个VI的前面板上的对象（控制或 显示）都在框图中有一个对象端点与之一一对应。当在前面板创建或删除面板对 象时，可以自动创建或删除相应的对象端点。控制对象对应的端点在框图中是用 粗框框住的，如例子中的A和B端点。它们只能在VI程序框图中作为数据流 源点。显示对象对应的端点在框图中是用细框框住的。如例子中的A+B和A-B端 点。它们只能在VI程序框图中作为数据流终点。常量端点永远只能在VI程序框10中南大学本科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术图中作为数据流源点。图2.4 Lab VIEW中的数据流图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。如循环控制、条件分 支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。代码接 口节点（CIN）是框图程序与用户提供的C语言文本程序的接口。连线是端口间的数据通道。它们类似于普通程序中的变量。数据是单向流动的，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。在彩显 上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。当需要连接两个端点时，只需在第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，再点击第二个端点即可。点击出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。2.5程序调试技术1.找出语法错误Labview程序的调试与其他计算机语言的编写调试类似，都需要找出语法错 误，但Labview的图形化编程方式就相对简单的多，大大提高了编程的效率。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将会变成一个折断 的箭头，表示程序不能被执行。这时这个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Find功能,则出错的对象或端口就会变成高亮。错误的种类有多种类型，最常见的有：（1）节点之间未连线；（2）有一个或多个节点在程序中没有发挥作用（既没有输入，也没有输出）；11中南大学本科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术(3)程序中两节点之间的数据类型不同，导致数据不能传递；(4)在程序中有一个或几个节点在设计时，并不能按照其原有的功能运行。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。点击这个按钮可使该按钮图标变成高亮形式，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，你就可以在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，你也许希望框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程序运行到断点处时，程 序将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.探针你可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。在框图 程序中增加探针有两种方法。首先，从工具模板选择探针工具，再用鼠标左键点 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框图窗口的上面。也可以在框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。编程风格是一种主观性很强的个人意识的表达，没有绝对的正确与错误的区 分。但在编写程序时，一个好的开发习惯会使工作方便的多，所以，在编程过程 中，要时时保持一个良好的编程习惯，并且要注意以下几点。a.对待程序总体设计的基本行为：先总体设计，待有了一个总体的框架后再考虑了节点的选取。并增加较为详细的 注释，使读程序时一目了然，增强易读性。b.图标和连线端在定义VI的连线端时，最好起定义其连接属性，这样对于以后在编程中如何 使用有指导作用。c.数据连线数据连线时一个最容易被忽视的过程是对它的使用，这虽然基本上是一些技 巧，但会直接影响编程效率。最后，尽可能的使用控件或常量。在使用一个外部子程序时，对它的输入输 出往往不是很明确，这时可以在连线的端点处创建一个控件、常量或者显示控件，通过对它们进行简单的分析，就可以了解该子程序的功能。12中南大学本科毕业论文第2章LA B VIEW程序设计技术本章小结通过木章的介绍对LABVIEW应用有了一个比较清晰的了解，熟悉了它的主 要模块和功能函数，以及编程思想，为下面的程序设计打下了基础。13中南大学本科毕业论文第3章系统数学模型及在典型输入下的响应第3章系统数学模型及在典型输入下的响应分析本章主要介绍了系统的数学模型的建立，理论分析在三种典型输入信号下的 时间响应和频率响应。3.1系统的数学模型系统的数学模型是该系统在信号传递过程中的动态特性的数学描述。它是舍 弃了各种系统具体特点而抽象出来的共同性质，从而成为研究系统的工具。建立 描述控制系统运动特性的数学模型，是控制理论的基础。传递函数是研究控制系统最常用的数学模型之一。它用来描述线性定常系统 的内在固有特性，即输入与输出间的动态关系。经典控制理论中，广泛应用的频 率法和根轨迹法便是以传递函数为基础建立起来的。在控制工程中，直接求解系统微分方程是研究分析系统的基本方法。系统方 程的解就是系统的输出响应，通过方程的表达式，可以分析系统的动态特性，可 以绘出输出响应曲线，直观地反映系统的动态过程。但是，由于求解过程较为繁 琐，计算复杂费时，而且难以直接从微分方程本身研究和判断系统的动态性能，因此，这种方法有很大的局限性。显然，仅用微分方程这一数学模型来进行系统 分析设计，显得十分不便。对于线性定常系统，传递函数是常用的一种数学模型，它是在拉氏变换的基 础上建立的。用传递函数描述系统可以免去求解微分方程的麻烦，间接地分析系 统结构及参数与系统性能的关系，并且可以根据传递函数在复平面上的形状直接 判断系统的动态性能，找出改善系统品质的方法。因此，传递函数是经典控制理 论的基础，是一个极其重要的基本概念3.2.系统的运动微分方程该弹簧阻尼系统的运动简图如下：14中南大学本科毕业论文第3章系统数学模型及在典型输入下的响应根据该图，设定x(t)为输入位移，y(t)为输出位移，k为弹簧刚度，c为阻尼系数。根据牛顿定律，有c+ky(t)=kx(t)at经过Laplace变换后,得：cs Y(s)+左丫(s)=kX(s)故传递函数为：G(s)=2=式中T=c/k为惯性环节的时间常数。本系统之X(s)Ts+1所以为惯性环节，是由于含有弹性储能元件k和阻尼耗能元件c.3.3系统的时间响应3.3.1 一阶系统的单位脉冲响应当系统的输入信号x(t)是理想得单位脉冲函数况。时，系统得输出y(t)称为单位脉冲响应函数，特别记为以因为 W(s)=Y(s尸G(s)X(s)而X(s尸 口=1所以 W(s)=G(s)于是，一阶系统在理想得单位脉冲函数作用下，其响应函数等于系统传递函数的Laplace逆变换，即 切=一勺 口=-口？】口所以以E)=7/。20)下图为一阶系统的单位脉冲响应。15中南大学本科毕业论文第3章系统数学模型及在典型输入下的响应图3.2 一阶系统的单位脉冲响应在实际应用中，理想的脉冲信号不可能得到，故常以具有一定的脉冲宽度的 有限幅度的脉冲来代替它。为了得到近似程度较高的脉冲响应函数，就要求脉冲信号的脉冲宽度h与系统的时间常数T相比足够小，一般要求h S trip Chart Mode(条状图)：它与纸带式图表记录仪类似。曲线从左到右 连续绘制，当新的数据点到达右部边界时，先前的数据点逐次左移。S cope Chart Mode(示波器模式)：它与示波器类似。曲线从左到右连续绘 制，当新的数据点到达右部边界时，清屏刷新，从左边开始新的绘制。它 的速度较快。S weep Chart Mode(扫描模式)：与示波器模式的不同在于当新的数据点 到达右部边界时，不清屏，而是在最左边出现一条垂直扫描线，以它为分 界线，将原有曲线逐点向右推，同时在左边画出新的数据点。如此循环下 去。这里把输入和输出两条曲线放在一起可以很直观的看出输入和输出的关系。方法如下：在一个Waveform Chart中显示多条曲线时，可以使用同一个曲线描绘 区，叫做层叠描绘Overlay Plots;或使用不同的曲线描绘区，叫做堆积描绘S tack Plots.这里我们使用Overlay Plotso具体是在Waveform Chart上点击右键，在出来 的菜单里选择Overlay Plots,然后选择properties的下拉菜单里进行设置，可以把 plots show设置为2,将两条线条的颜色设置成不同的颜色，方便区分。在设计的时候把一些参数放在一起可以使程序看起来更加紧凑，做法如下：在前面板里调出一个cluster然后把那些参数控件拖到里面去，在程序框图里，在 cluster后放一个Unbundle把里面的参数分离出来，最后把分离出来的参数和原来 的连线端连起来。以下是这部分的部分程序和前面板：29中南大学本科毕业论文第4章虚拟实验平台的程序设计图4.5公式节点时间响应部分程序号0=01克调整时间转角频率图4.6公式节点时间响应分析的刖面板这种方法简单，曲线和理论的比较接近，但是方程是直接给出来的，下面介 绍采用求解微分方程的方法。4.2.2使用微分方程求解这种方法使用了 ODE Runge Kutta 4th Order这种求解微分方程的经典方法。先介绍卜ODE Runge Kutta 4th Order的相关知识。其各个端点如下：X是微分方 程(状态方程)的状态变量，time start是求解过程的开始时间，系统默认的是0,time end是求解过程的结束时间，系统默认的为1.0。h是步长。默认是0.1。也就 说每步时间为0.1,一起有10步。X0是初始条件，一般为0o F(X,t)即系统的状 态方程，X Values是输出。采用这种方法得先求出系统的状态方程。系统的微分30中南大学本科毕业论文第4章虚拟实验平台的程序设计方程为：c也D+ky(t)=ku(t)。得出状态方程为：x(左+1)=-&(汹左)+(左)。其中 dt cu(k)为输入，x(k)为状态变量。下而介绍具体的编程方法：我们采用了移位寄存器来做这个程序。先介绍While循环和移位寄存器。While循环可以反复执行循环体内的程序，直至到达某个边界条件。它类似于普 通编程语言中的Do循环和Repeat-Until循环。While循环的框图是一个大小可 变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为FALS Eo该循环有如下特点：1.计数从0开始(i=0)。2.先执行循环体，而后i+1,如果循环只执行一次，那么循环输出值i=0。3.循环至少要运行一次图4.7 While循环示意图 移位寄存器(Shift Register)移位寄存器可以将数据从一个循环周期传递到另外一个周期。在程序设计中，经常要用到它.创建一个移位寄存器的方法是，用鼠标右键单击循环的左边或者 直边，在快捷菜单中选择Add Shift Register0移位寄存器在流程图上用在循环边 框上相应的一对端子来表示。右边的端子中存储了一个周期完