基于labview的自动控制原理虚拟实验29930.docx

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1、基于LabVIIEW的自动动控制原理虚虚拟实验系统设计院 系 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 负责教师 摘 要根据“自动控制制原理”课程实验教教学在高校实实验实践中遇遇到的困难和和实验教学改改革的需要，本本文提出了建建立基于Laabvieww的自动控制制虚拟实验系系统方案。文文中分析了目目前常见的虚虚拟实验系统统，相应的应应用Labvview编程程语言实现了了包含“自动控制原原理”课程常见实实验的虚拟实实验系统。最最后，利用MMatlabb语言编程进进行对比分析析，进行正确确性验证。关键词：虚拟仪仪器；Labbview；自动控制实实验；MattlabAbstracctOn the b

2、asiss of pprobleems enncounttered in acctual experrimentt teacching of Auutomattic Coontroll Theoory inn univversitties aand neeed off expeerimennt teaachingg revoolutioon,a nnew kiind off autoomaticc conttrol ttheoryy virttual eexperiiment systeem bassed onn Labvview iis advvancedd.Stroong-point aa

3、nd weeadnesss of commoon virrtual experrimentt systtems aat preesent are aanalyzzed annd a vvirtuaal expperimeent syystem incluuding commoon expperimeents iin Auttomatiic Conntrol Theorry is complleleteed succcessffully usingg Labvview eequivaalentlly.In addittion,ppropossal foor harrdwaree expeerim

4、ennt exppansioon is put fforwannd.At last,Matlaab proogrammming iis useed forr compparisoon andd accuuracy certiificattion.Keywordds: virtuual innstrumment;LLabvieew;auttomatiic conntrol experrimentt;Matllab目 录第1章 绪论11.1背景111.2课题的目目的与意义21.3 Labbview的的介绍2第2章 设计原原理42.1一阶系统统典型环节虚虚拟实验系统统设计原理42.1.1数学学模型的

5、建立立42.1.2单位位阶跃响应42.2二阶系统统瞬态响应虚虚拟实验系统统设计原理52.2.1数学学模型的建立立52.2.2单位位阶跃响应52.2.3动态态性能指标计计算72.3系统校正正虚拟实验系系统设计原理理72.3.1未校校正系统的性性能指标计算算72.3.2校正正系统的确定定82.4采样系统统虚拟实验系系统设计原理理82.4.1“采采样保持器”组件82.4.2数学学模型的建立立92.5采样系统统校正虚拟实实验系统设计计原理92.6频率特性性虚拟实验系系统设计原理理102.7系统稳定定性分析虚拟拟实验系统设设计原理112.7.1用特特征方程的根根判定系统稳稳定性112.7.2绘制制系统的

6、单位位阶跃响应曲曲线验证系统统的稳定性112.8非线性系系统虚拟实验验系统设计原原理122.8.1继电电型非线性三三阶系统原理理方框图122.8.2振幅幅与角频率的的计算12第3章 程序方方案设计133.1总体设计计133.2基于Laabvieww的虚拟实验验系统设计133.3用户管理理程序设计14第4章 基于LLabvieew的虚拟实实验系统设计计164.1一阶系统统典型环节虚虚拟实验系统统164.1.1功能能描述164.1.2设计计步骤164.1.3 实实验子系统MMatlabb的仿真和正正确性验证184.2二阶系统统瞬态响应虚虚拟实验系统统184.2.1功能能描述184.2.2设计计步骤

7、184.2.3实验验子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证214.3系统校正正虚拟实验系系统234.3.1功能能描述234.3.2设计计步骤234.3.3实验验子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证254.4采样系统统虚拟实验系系统264.4.1功能能描述264.4.2设计计步骤264.4.3实验验子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证284.5采样系统统校正虚拟实实验系统294.5.1功能能描述294.5.2设计计步骤294.5.3实验验子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证314.6频率特性性虚拟实验系系统324.6.1功能能描述324.6.2设计计步骤324.6.3实验验

8、子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证344.7系统稳定定性分析虚拟拟实验系统354.7.1功能能描述354.7.2设计计步骤354.7.3实验验子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证374.8非线性系系统虚拟实验验系统374.8.1功能能描述374.8.2设计计步骤384.8.3在MMatlabb中绘制系统统的-1/NN与G（jw）轨迹40第5章 用户管管理程序的设设计415.1 登陆系系统的设计415.2 主程序序的设计425.3 输出报报表的设计43结论45社会经济效益分分析46参考文献477致谢48附录 系统前前面板图49附录 系统程程序框图59第1章 绪论随着教育规模的的不断

9、增长和和高等教育课课程教学内容容的更新，许许多院校实验验室的仪器设设备由于数量量不够、功能能落后，无法法满足开放性性和设计性实实验教学的需需要，作为未未来仪器发展展的一个重要要方向，虚拟拟仪器技术克克服了传统仪仪器功能单一一、无法灵活活配置的缺点点。本文设计计的虚拟实验验系统具有实实验界面简单单，参数改变变方便等特点点。1.1背景“自动控制原理理”是工业自动动化专业一门门重要的专业业基础课，要要求学生掌握握自动控制系系统的分析及及设计方法，为为设计和调试试工业自动控控制系统打下下基础。自动动控制课程中中，实验是一一种重要的教教学手段，学学生通过做实实验，可以加加深对所学知知识的理解，提提高动手

10、能力力，锻炼发现现问题、分析析问题和解决决问题的能力力。但是目前前自动控制实实验教学存在在一系列问题题，例如实验验设备和实验验场地数量有有限，实验设设备老化严重重以及严重缺缺乏实验指导导教师等，因因此各种虚拟拟实验方法相相继提出。首先提出了基于于Matlaab的虚拟实实验系统，用用软件模拟了了实际硬件的的全部功能。解解决了目前自自动控制实验验中的一些问问题，并在一一定程度上提提高了目前“自动控制原原理”教学效果。但但是，由于MMatlabb的局限性，这这些虚拟实验验系统仅限于于软件模拟，这这样不能锻炼炼学生的动手手能力和硬件件调试能力，并并且软件模拟拟实验给学生生的印象并不不如硬件实验验那样深

11、刻。另另外，由于MMatlabb软件模拟往往往需要学生生对其有一定定的熟悉和了了解，这对低低年级的学生生来说比较困困难。所以，试试验效果并不不很理想。随着虚拟仪器技技术的出现和和计算机技术术的发展，采采用NI公司司的Labvview编程程语言，开发发出基于Laabvieww虚拟实验系系统，结合第第三方公司提提供的数据采采集卡，对虚虚拟实验系统统稍加改动就就能够实现既既可以在课堂堂上进行模拟拟实验，又能能结合学校原原有的硬件电电路设备进行行硬件实验的的综合实验系系统，可以显显著提高教学学效果和实验验效果。虚拟实验系统具具有交互式人人机接口和界界面友好的特特点。通过课课堂上的模拟拟实验，可以以更好

12、的帮助助学生理解、消消化、吸收所所学内容，重重点解决教学学及实验过程程中的一些难难点问题。1.2课题的目目的与意义Labvieww像C或C+开发环境境一样，也是是一种程序语语言开发环境境，但与现有有的计算机高高级语言不同同的是，Laabvieww采用图形化化编程语言G语言，产产生块状的程程序。Labbview是是一种通用编编程系统，具具有各种各样样、功能强大大的函数库，包包括数据采集集、GPIBB、串行仪器器控制、数据据分析、数据据显示及数据据存储，甚至至还有目前十十分热门的网网络功能。LLabvieew也有完善善的仿真、调调试工具，如如设置断电、单单步等。Laabvieww的动态连续续跟踪方

13、式，可可以连续、动动态地观测程程序中数据及及其变化情况况，比起其它它语言的开发发环境更方便便、更有效。Labview程序又称虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但Labview程序容易改变设置和功能。因此Labview特别适用于实验室、多种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。但是，对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应用，Labview显得有些力不从心。而Matlabb是MathhWorkss公司开发的的“演算纸”式式的程序设计计语言，它提供了强强大的矩阵运运算和图形处处理功能，编编程效率高，几几乎在所有的的工程计算领领域都提

14、供了了准确、高效效的工具箱。 鉴于Labviiew和Matlaab的优点，在在Labviiew中调用用和操作Maatlab可可实现Labvview和Matlaab的混合编编程，充分发发挥两者的优优势。本设计计正是采用了了Labviiew和Matlaab混合编程程思想，通过在在Labviiew中调用和操作作Matlaab来设计自自动控制原理理中常见实验验的虚拟实验验系统。利用一套数据采采集硬件设备备，通过不同同的软件编程程，就可以实实现多个仪器器的功能。采采用虚拟仪器器技术，不仅仅大大节约经经费，还可以以有效提高实实验室建设水水平，为大学学实验仪器建建设提供了一一条新可行的的途径。虚拟拟仪器具有

15、仿仿真的用户面面板，学生通通过操作虚拟拟面板就可学学习和掌握仪仪器原理、功功能与操作。虚虚拟仪器采集集的是现场真真实的物理数数据，可通过过与其它仪器器、电路的相相互配合，完完成实际实验验过程，达到到与用实际仪仪器教学相同同的实验目的的。在很大程程度上，虚拟拟仪器可以代代替真实仪器器进行实验教教学。学生在在进行实验时时不必担心弄弄坏仪器，可可以极大地提提高学生的学学习兴趣、激激发学生自主主学习的积极极性。1.3 Labbview的的介绍Labvieww是一种基于于图形的集成成化程序开发发环境，实现现了虚拟仪器器的概念，它它是一套专为为数据采集与与仪器控制、数数据分析和数数据表达而设设计的图形化化

16、编程软件，强强调了用户在在标准的计算算机上配以高高效经济的硬硬件设备来构构建自己的仪仪器系统的能能力。Labbview是是一种结构化化解释型开发发平台。结构构化是指Laabvieww的程序完全全支持顺序结结构、循环结结构和条件结结构3种标准准结构。同时时又是由模块块化的形式组组成的，它的的每一个子程程序都称为一一个VI，子子程序之间可可以互相调用用。所谓解释释型是指用LLabvieew开发的软软件无法在WWindodds操作系统统下直接运行行，所以软件件必须在Laabvieww的平台支持持下运行，也也就是说Laabvieww不能生成真真正的可执行行文件。虚拟仪器技术从从本质上说是是一个集成的的

17、软硬件概念念。随着产品品在功能上不不断地趋于复复杂，工程师师们通常需要要集成多个测测量设备来满满足完整的测测试需求，但但是这些不同同设备之间的的连接和集成成总需耗费大大量时间，并并不是轻易可可以完成的。虚虚拟仪器软件件平台为大部部分I/0设备提供供了标准的接接口，例如数数据采集、视视觉、分布式式I/O等等，帮帮助用户轻松松地将多个测测量设备集成成到单个系统统，减少了任任务的复杂性性。虚拟仪器的硬、软软件具有开放放性、模块化化、可重复使使用及互换性性等特点。为为提高测试系系统的性能，可可以方便地加加入一个通用用仪器模块或或更换一个仪仪器模块，而而不必购买一一个全新的系系统，大大有有利于测试系系统

18、的功能扩扩展。虚拟仪仪器改变了传传统仪器由厂厂家定义、用用户无法改变变的模式。系系统的功能、规规模等可以根根据用户的需需要，通过软软件的修改、增增减，方便地地同外设、网网络及其它应应用连接，为为虚拟仪器加加入新的测量量功能，故虚虚拟仪器可作作为许多仪器器设备来使用用。在驱动和应用两两个层面上，优优秀虚拟仪器器开发平台已已经将其高效效的软件构架架与计算机、仪仪器仪表和通通讯方面的最最新技术结合合在一起，给给用户提供最最方便的、最最灵活的操作作以及强大的的功能，让用用户轻松地配配置、创建、部部署和维护高高性能、低成成本的测量和和控制解决方方案。另外，由由于充分利用用了计算机技技术，将信号号的分析、

19、显显示、存储、打打印和其它管管理集中交由由计算机来处处理，完善了了数据的传输输、交换等性性能使得组建建系统变得更更加灵活和简简单，增强了了数据处理能能力。虚拟仪器作为现现代仪器仪表表发展方向，已已迅速成为一一种新的产业业，尤其在发发达国家中发发展更快，其其设计、生产产和使用已经经十分普及，虚虚拟仪器将会会逐步取代传传统的测试仪仪器而成为测测试仪器的主主流。第2章 设计原原理本章介绍了“自自动控制原理理”中常见的虚虚拟实验子系系统的原理，包包括实验有：一阶系统、二二阶系统、校校正系统、采采样系统、采采样系统校正正、频率特性性、系统稳定定性、非线性性系统。2.1一阶系统统典型环节虚虚拟实验系统统设

20、计原理2.1.1数学学模型的建立立可以用一阶微分分方程描述的的系统称为一一阶系统，一一阶系统的运运动方程具有有如下的一般般形式：(2.1)式中，T为惯性性环节的时间间常数，代表表系统的惯性性；c（t）和和r（t）分分别是系统的的输出信号和和输入信号。对式2.1进行行拉氏变换得得一阶系统惯惯性环节的传传递函数为：(2.2)一阶系统惯性环环节的方框图图如图2.11所示。Ui（S）Uo（S）图2.1 一阶阶系统惯性环环节方框图2.1.2单位位阶跃响应当输入信号r（tt）=1（tt）时，系统统的响应c（tt）称作其单单位阶跃响应应。拉氏变换为：(2.3)两端取拉氏反变变换，求的其其单位阶跃响响应为：(

21、2.4)2.2二阶系统统瞬态响应虚虚拟实验系统统设计原理2.2.1数学学模型的建立立运动方程为二阶阶微分方程的的控制系统称称为二阶系统统，二阶系统统的运动方程程具有如下的的一般形式：(2.5)式中二阶系统统的时间常数数，单位为秒秒； 二阶系统的的阻尼比，无无量纲。对式2.5进行行拉氏变换得得二阶系统的的传递函数为为:(2.6)引入参数，称作作二阶系统的的自然频率，单单位为radd/s。则：(2.7)二阶系统的方框框图如图2.2所示。R（S）+E（S）C（S）图2.2方框图图2.2.2单位位阶跃响应单位阶跃函数作作用下，二阶阶系统的响应应称其为单位位阶跃响应。由由式2.7，其其输出的拉氏氏变换为

22、：(2.8)对分母多项式作作因式分解，得得到：(2.9)式中，是系统的的两个闭环特特征根。对上式两端取拉拉氏反变换，可可以求出系统统的单位阶跃跃响应表达式式。阻尼比在在不同的范围围内取值时，二二阶系统的特特征根在S平平面上的位置置不同，二阶阶系统的时间间响应对应有有不同的运动动规律。下面面分别加以讨讨论：a. 欠阻尼响应阻尼比时，系统统的响应称为为欠阻尼响应应。时间响应为：(2.10)式中，；。 b. 临界阻尼响应阻尼比时，系统统的响应称为为临界阻尼响响应。时间响应为：(2.11)c. 过阻尼尼响应阻尼比时，系统统的响应称为为过阻尼响应应。时间响应为：(2.12)式中，；。2.2.3动态态性能

23、指标计计算系统只有在欠阻阻尼条件下能能计算性能指指标中的超调调量Mp、峰峰值时间tpp和调节时间间ts。根据据系统动态性性能指标的定定义和系统欠欠阻尼单位阶阶跃响应的表表达式，可以以导出系统性性能指标通过过其特征参数数和表达的计算算式。a. 峰值时间间tp峰值时间tp是是从阶跃输入入作用于系统统开始，到其其响应达到其其第一个峰值值的时间。峰值时间为：(2.13)b. 超调量MMp超调量Mp指阶阶跃响应的最最大峰值超出出其稳态值的的部分，用百百分比表示为为：(2.14)超调量为：(2.15)c. 调节时间间ts工程上，当时，通通常用下列二二式近似计算算调节时间： (2.16) (2.17)2.3

24、系统校正正虚拟实验系系统设计原理理2.3.1未校校正系统的性性能指标计算算 原系统的原理理方框图如图图2.3所示示。 +C(S)_R(S) 图2.3 未校校正系统的方方框图由闭环传函 2.3.2校正正系统的确定定要求设计串联校校正装置，使使系统满足下下述性能指标标：由理论推导得，校校正网络的传传递函数为：(2.18)所以校正后系统统的原理方框框图如图2.4所示。+_R(S)C(S) 图2.4校正后后系统的方框框图2.4采样系统统虚拟实验系系统设计原理理采样系统是将采采样器位于系系统中，将连连续系统离散散化。离散系系统与连续系系统相比，虽虽然在本质上上有所不同，但但对于线性系系统，分析研研究方法

25、存有有很大程度上上的相似性。只只要在系统中中采用“采样保持器”组件，即可可实现离散信信号到连续信信号的转换，便便把问题转换换到前面研究究过的连续信信号问题上。2.4.1“采采样保持器”组件本系统中采用“采样保持器”组件，它具具有将连续信信号离散再恢恢复为连续信信号输出的功功能，其原理理方框图如图图2.5所示示。 X（S）Xh（S）T图2.5 “采采样保持器”原理方框图图2.4.2数学学模型的建立立闭环采样控制系系统原理方框框图如图2.6所示。X（S）+ 图2.6 闭环环采样控制系系统原理方框框图图2.6所示闭闭环采样系统统的开环脉冲冲传递函数为为：(2.19)开环脉冲传递函函数为：(2.20)

26、离散系统中的ZZ变换即为连连续系统中的的拉氏变换，确确定T值即便便确定了传函函。2.5采样系统统校正虚拟实实验系统设计计原理设校正前闭环采采样系统的原原理方框图如如图2.7所所示。R（S）+C（S）图2.7 校正正前采样系统统的原理方框框图期望性能指标如如下：静态误差系数：(2.21)超调量：(2.22)采用断续校正网网络：(2.23)校正后采样系统统的原理方框框图如图2.8所示。R（S）C（S）+图2.8 校正正后采样系统统的原理方框框图2.6频率特性性虚拟实验系系统设计原理理被测系统的原理理方框图如图图2.9所示示。R（S）+H（S）E（S）G2（S）G1（S）C（S）图2.9 被测测系统

27、的原理理方框图 系统的频率特性性G（jw）是是一个复变量量，可以表示示成以角频率率w为参数的的幅值和相角角：(2.24)图2.9所示系系统的开环频频率特性为：(2.25)采用对数幅频特特性和相频特特性表示为： (2.26)(2.27)根据式2.266和式2.227分别计算算出各个频率率下的开环对对数幅值和相相位，再根据据计算出的数数值分别画出出幅频特性和和相频特性曲曲线。2.7系统稳定定性分析虚拟拟实验系统设设计原理2.7.1用特特征方程的根根判定系统稳稳定性线性定常系统闭闭环特征方程程的全部根，不不论是实根还还是复根，若若其实部均为为负值，则闭闭环系统就是是稳定的。由由此可知，求求解控制系统

28、统闭环特征方方程的根并进进而判断所有有根的实部是是否小于零就就可以判定系系统的稳定性性，这种方法法是控制系统统稳定性判别别的最基本方方法，这就是是所谓代数稳稳定判据。系统稳定的充分分必要条件是是系统特征方方程的全部根根，或者系统统闭环传递函函数的全部极极点都位于SS左半平面。若系统闭环特征征方程所有根根的实部都小小于零，则系系统闭环是稳稳定的，只要要有一个根的的实部不小于于零，则系统统闭环就是不不稳定的；只只要有一个根根的实部为零零，则控制系系统临界稳定定，工程上实实际将临界稳稳定当作是不不稳定的。2.7.2绘制制系统的单位位阶跃响应曲曲线验证系统统的稳定性绘制系统的单位位阶跃响应曲曲线可以直

29、观观而又方便的的判断系统的的稳定性，判判断方法如下下：若输出曲线是发发散的，则系系统不稳定；若输出曲线是等等幅振荡的，则则系统临界稳稳定；若输出曲线是衰衰减振荡的，则则系统稳定。2.8非线性系系统虚拟实验验系统设计原原理2.8.1继电电型非线性三三阶系统原理理方框图方框图如图2.10所示。E（S）R（S）+M=1C（S） 图2.10 继继电型非线性性三阶系统的的原理方框图图2.8.2振幅幅与角频率的的计算若系统的非线性性元件-1/N及线性部部分的G（jjw）的轨迹迹已知，则：利用交点的虚部部为零，求交交点的角频率率w，即：(2.28)利用交点在横坐坐标上，求自自振的振幅XX，即：(2.29)这

30、里，继电型非非线性元件 第3章 程序方方案设计3.1总体设计计本毕业设计的主主要内容是：应用Labbview编编程语言实现现包含“自动控制原原理”课程常见实实验的虚拟实实验系统。考虑到涉及的程程序较多不好好管理，因此此，添加了登登陆系统和主主程序。在正正确的登陆以以后，进入到到主程序，在在主程序中包包含了所有的的“自动控制原原理”课程常见实实验，可以对对它们进行有有选择性的操操作。为了方方便观察实验验的输入输出出数据，最后后添加了输出出报表部分。总体设计的流程程图如图3.1所示。结束主程序登陆系统开始输出报表各子实验 图3.1 总体体设计流程图图3.2基于Laabvieww的虚拟实验验系统设计

31、“自动控制原理理”中常见的虚虚拟实验子系系统如下：实验一：基于LLabvieew的一阶系系统典型环节节虚拟实验系系统实验二：基于LLabvieew的二阶系系统瞬态响应应虚拟实验系系统实验三：基于LLabvieew的系统校校正虚拟实验验系统实验四：基于LLabvieew的采样系系统虚拟实验验系统实验五：基于LLabvieew的采样系系统校正虚拟拟实验系统实验六：基于LLabvieew的频率特特性虚拟实验验系统实验七：基于LLabvieew的系统稳稳定性分析虚虚拟实验系统统实验八：基于LLabvieew的非线性性系统虚拟实实验系统这些实验有着不不同的实验原原理，但是，有有着相同的设设计步骤，其其设

32、计的流程程图如图3.2所示。开始参数设置调用MATLAB程序结果显示结束 图3.2 虚拟拟实验设计流流程图3.3用户管理理程序设计本毕业设计涉及及的用户管理理程序如3.1节所指：登陆系统、主主程序和输出出报表。主程序是一个包包含所有虚拟拟实验的程序序，其程序框框图如图3.3所示。登陆系统是登陆陆了正确的用用户名和校验验码后可以进进入主程序，其其流程图如图图3.4所示示。输出报表的程序序流程图如图图3.5所示示。一阶系统二阶系统校正系统采样系统采样系统校正频率特性稳定性非线性系统进入系统 图3.3 主程程序设计程序序框图正确不正确开始输入用户名输入校验码是否正确进入主程序界面初始化 图3.4 登

33、陆陆系统设计流流程图 建立报表属性设置输出报表 图3.5 输出报报表设计的流流程图第4章 基于LLabvieew的虚拟实实验系统设计计4.1一阶系统统典型环节虚虚拟实验系统统4.1.1功能能描述本系统为自动控控制原理中一一阶系统惯性性环节的虚拟拟实验系统，当当给一阶系统统惯性环节的的两个特征参参数K和T分分别输入不同同值时，可以以确定不同的的传递函数，据据此可以画出出一阶系统惯惯性环节的单单位阶跃响应应曲线。自动动控制原理中中一阶系统的的比例环节、积积分环节、比比例积分环节节、比例微分分环节和比例例积分微分环环节的单位阶阶跃响应画法法与该系统一一样。4.1.2设计计步骤 1. 面板设计计启动L

34、abviiew，进入入仪器编辑环环境，建立仪仪器的面板，如如图4.1所所示，面板主主要控件如下下。2个Numerric 控件件，功能是分分别输入一阶阶系统惯性环环节的时间常常数T和放大大倍数K的值值；一个XYY Grapph 控件，功功能是显示一一阶系统惯性性环节的单位位阶跃响应曲曲线；一个OOK Buttton 控控件，功能是是可以退出该该实验。图4.1 一阶阶系统惯性环环节仪器面板板2. 程序框图图设计a. 执行FuncttionsAAll FuunctioonsAnnalyzeeMathhematiicsFoormulaaMATLLAB Sccript操操作，然后添添加如下的输输入、输出

35、变变量。输入变量 类型型 T Reaal K Reaal 输出变量 类型型 T 2-DD Arraay of Real Y 2-DD Arraay of Real然后，将下面的的MATLAAB文件写入入节点内。num=K;den=T 1;sys=tf(num,dden);t=0:0.001:1.22;y=step(sys,tt);b执行FunnctionnsAlll FuncctionssArraayResshape Arrayy操作，功能能是将输出变变量t和 y 的的维数统一。 c. 连线，完完成后如图44.2所示。图4.2 一阶阶系统惯性环环节程序框图图3. 保存，运运行 运行结果如图44

36、.3所示。图4.3 一阶阶系统惯性环环节运行结果果4.1.3 实实验子系统MMatlabb的仿真和正正确性验证在设计虚拟实验验系统中，为为了对设计好好的实验子系系统进行验证证，采用Maatlab软软件进行仿真真。仿真结果果如图4.44所示。图4.4 一阶阶系统惯性环环节Matllab仿真4.2二阶系统统瞬态响应虚虚拟实验系统统4.2.1功能能描述本系统为自动控控制原理中二二阶系统瞬态态响应的虚拟拟实验系统，当当给二阶系统统的两个结构构参数和分别输入不不同值时，可可以求出该二二阶系统的动动态性能指标标：超调量MMp、峰值时时间tp和调调节时间tss，并且可以以输出该二阶阶系统的单位位阶跃响应曲曲

37、线。4.2.2设计计步骤1. 面板设计计启动Labviiew，进入入仪器编辑环环境，建立仪仪器的面板，如如图4.5所所示，面板主主要控件如下下。5个Numerric 控件件，功能是输输入二阶系统统结构参数和和的值，输出出性能指标超超调量、峰值值时间和调节节时间的值；1个XY Graphh 控件6，功功能是显示二二阶系统的单单位阶跃响应应曲线；2个个OK Buutton 控件，功能能是可以退出出该实验和输输出报表。图4.5 二阶阶系统仪器面面板2. 程序框图图设计a.执行FunnctionnsAlll FuncctionssAnallyzeMMathemmaticssFormmulaMMATLA

38、BB Scriipt操作，然然后添加如下下的输入、输输出变量。输入变量 类类型 zeta Reaalomegan Reall输出变量 类类型 Sigma ReealTp ReealTs ReealT ReealY Reeal然后，将下面的的MATLAAB文件写入入节点内。sigma=eexp(-zzeta*ppi/(1-zeta2)(11/2);tp=pi/(omegaan*sqrrt(1-zzeta22);ts=4/(zzeta*oomegann);num=ommegan2;den=1 2*zetta*omeegan oomegann2;sys=tf(num,dden);t=0:0.001:

39、5;y1=stepp(sys,t);b执行FunnctionnsAlll FuncctionssArraayResshape Arrayy操作，功能能是将输出变变量t和 y 的的维数统一。 c. 连线，完完成后如图44.6所示。 图4.6 二阶阶系统程序框框图3. 保存，运运行 欠阻尼、临界阻阻尼和过阻尼尼三种情况下下的运行结果果分别如图44.7、4.8和4.99所示。 图4.7 欠阻阻尼情况下运运行结果 图4.8 临界界阻尼情况下下运行结果图4.9 过阻阻尼情况下运运行结果4.2.3实验验子系统Maatlab的的仿真和正确确性验证在设计虚拟实验验系统中，为为了对设计好好的实验子系系统进行验证

40、证，采用Maatlab软软件进行仿真真。仿真结果果分别如图44.10、44.11和44.12所示示。图4.10 欠欠阻尼情况下下Matlaab仿真图4.11临界界阻尼情况下下Matlaab仿真图4.12过阻阻尼情况下仿仿Matlaab仿真4.3系统校正正虚拟实验系系统4.3.1功能能描述本系统为自动控控制原理中系系统校正的虚虚拟实验系统统，对于预先先给定的受控控对象，算出出其性能指标标，目的是和和系统要求满满足的性能指指标进行对比比；由理论推推导得出满足足要求的性能能指标的校正正网络后，绘绘制出系统校校正前后的阶阶跃响应曲线线。4.3.2设计计步骤1. 面板设计计启动Labviiew，进入入仪

41、器编辑环环境，建立仪仪器的面板，如如图4.133所示，面板板主要控件如如下。4个Numerric 控件件，功能是输输入未校正系系统的阻尼比比和角频率的的值，输出超超调量和调节节时间的值；1个XY Graphh 控件，功功能是输出未未校正系统的的调节时间；1个OK Buttoon 控件，功功能是可以退退出该实验。图4.13 校校正系统仪器器面板2. 程序框图图设计a.执行FunnctionnsAlll FuncctionssAnallyzeMMathemmaticssFormmulaMMATLABB Scriipt操作，然然后添加如下下的输入、输输出变量。输入变量 类类型zeta（） Reaalomegan（） Real输出变量 类类型 Sigma（MMp） Reall ts