基于NI ELVIS 的自动控制基础实验教程

绪论 …………………………………………………………………………………………… 001

**篇　LabVIEW 基础

第1 章　 LabVIEW 概述 ………………………………………………………………… 007

　 1. 1　 什么是 LabVIEW ……………………………………………………………………… 007

　 1. 2　 LabVIEW 的应用 ……………………………………………………………………… 007

　 　 1. 2. 1　 测试测量 ………………………………………………………………………… 008

　 　 1. 2. 2　 控制 ……………………………………………………………………………… 008

　 　 1. 2. 3　 仿真 ……………………………………………………………………………… 008

　 　 1. 2. 4　 高校教学与实验 ………………………………………………………………… 008

　 　 1. 2. 5　 跨平台 …………………………………………………………………………… 008

　 　 1. 2. 6　 丰富的学习资源 ………………………………………………………………… 008

　 1. 3　 LabVIEW 的界面 ……………………………………………………………………… 008

第2 章　 LabVIEW 开发环境 …………………………………………………………… 010

　 2. 1　 创建一个 VI …………………………………………………………………………… 010

　 2. 2　 LabVIEW 的操作模板 ………………………………………………………………… 012

　 　 2. 2. 1　 “工具” 选板 …………………………………………………………………… 012

　 　 2. 2. 2　 “控件” 选板 …………………………………………………………………… 013

　 　 2. 2. 3　 “函数” 选板 …………………………………………………………………… 020

　 2. 3　 LabVIEW 的数据类型 ………………………………………………………………… 021

　 2. 4　 LabVIEW 的初步操作及编程 ………………………………………………………… 022

　 　 2. 4. 1　 前面板编辑 ……………………………………………………………………… 022

　 　 2. 4. 2　 程序框图 ………………………………………………………………………… 026

　 　 2. 4. 3　 程序调试 ………………………………………………………………………… 028

　 　 2. 4. 4　 VI 程序 …………………………………………………………………………… 029

第3 章　 LabVIEW 中的程序结构……………………………………………………… 032

　 3. 1　 程序结构概述 ………………………………………………………………………… 032

　 3. 2　 For 循环………………………………………………………………………………… 033

　 3. 3　 While 循环 …………………………………………………………………………… 034

　 3. 4　 移位寄存器、 反馈节点和变量 ……………………………………………………… 037

　 　 3. 4. 1　 移位寄存器 ……………………………………………………………………… 037

　 　 3. 4. 2　 反馈节点 ………………………………………………………………………… 038

　 　 3. 4. 3　 创建局部变量和全局变量 ……………………………………………………… 039

　 3. 5　 条件结构 ……………………………………………………………………………… 041

　 3. 6　 顺序结构 ……………………………………………………………………………… 042

　 3. 7　 事件结构 ……………………………………………………………………………… 044

　 　 3. 7. 1　 事件 ……………………………………………………………………………… 044

　 　 3. 7. 2　 事件结构 ………………………………………………………………………… 045

　 3. 8　 公式节点 ……………………………………………………………………………… 047

第4 章　 数组、 矩阵与簇 ………………………………………………………………… 048

　 4. 1　 数组 …………………………………………………………………………………… 048

　 　 4. 1. 1　 数组的定义 ……………………………………………………………………… 048

　 　 4. 1. 2　 数组的建立 ……………………………………………………………………… 048

　 　 4. 1. 3　 数组函数 ………………………………………………………………………… 050

　 4. 2　 簇 ……………………………………………………………………………………… 052

　 　 4. 2. 1　 簇的组成 ………………………………………………………………………… 052

　 　 4. 2. 2　 创建簇 …………………………………………………………………………… 053

　 　 4. 2. 3　 簇函数 …………………………………………………………………………… 055

　 4. 3　 矩　 　 阵 ……………………………………………………………………………… 058

　 　 4. 3. 1　 创建矩阵 ………………………………………………………………………… 058

　 　 4. 3. 2　 矩阵函数 ………………………………………………………………………… 058

　 　 4. 3. 3　 线性代数函数 …………………………………………………………………… 060

第5 章　 图形显示 ………………………………………………………………………… 061

　 5. 1　 波形图表和波形图 …………………………………………………………………… 061

　 　 5. 1. 1　 波形图 …………………………………………………………………………… 061

　 　 5. 1. 2　 波形图表 ………………………………………………………………………… 062

　 　 5. 1. 3　 XY 图……………………………………………………………………………… 063

　 　 5. 1. 4　 设置图形显示控件的属性 ……………………………………………………… 064

　 5. 2　 强度图和强度图表 …………………………………………………………………… 068

　 　 5. 2. 1　 强度图 …………………………………………………………………………… 068

　 　 5. 2. 2　 强度图表 ………………………………………………………………………… 068

　 5. 3　 三维图形 ……………………………………………………………………………… 069

　 　 5. 3. 1　 三维曲面图 ……………………………………………………………………… 070

　 　 5. 3. 2　 三维参数图 ……………………………………………………………………… 073

　 　 5. 3. 3　 三维曲线图 ……………………………………………………………………… 076

　 　 5. 3. 5　 极坐标图显示控件 ……………………………………………………………… 077

第6 章　 信号分析与处理 ………………………………………………………………… 079

　 6. 1　 信号分析处理函数 …………………………………………………………………… 079

　 　 6. 1. 1　 Express VI ……………………………………………………………………… 079

　 　 6. 1. 2　 波形 VI …………………………………………………………………………… 081

　 6. 2　 测试信号产生 ………………………………………………………………………… 086

　 　 6. 2. 1　 仿真信号产生函数 ……………………………………………………………… 086

　 　 6. 2. 2　 仿真信号 ………………………………………………………………………… 087

　 　 6. 2. 3　 公式波形 VI ……………………………………………………………………… 089

　 　 6. 2. 4　 其他波形生成 VI ………………………………………………………………… 090

　 6. 3　 信号的频率分析 ……………………………………………………………………… 093

　 　 6. 3. 1　 “频谱测量” Express VI ………………………………………………………… 093

　 　 6. 3. 2　 窗相关 VI ………………………………………………………………………… 095

　 　 6. 3. 3　 FFT 频谱 (幅度—相位) ……………………………………………………… 097

　 　 6. 3. 4　 谐波分析及其 LabVIEW 实现———失真测量 Express VI ……………………… 098

　 6. 4　 数字滤波在 LabVIEW 中的应用及软件实现………………………………………… 101

　 　 6. 4. 1　 “滤波器” Express VI …………………………………………………………… 101

　 　 6. 4. 2　 数字 FIR 滤波器 VI ……………………………………………………………… 103

　 　 6. 4. 3　 滤波器相关 VI …………………………………………………………………… 104

第二篇　NI ELVIS 平台

第7 章　 DAQ (数据采集) 系统及 NI ELVIS 概述 ……………………………… 109

　 7. 1　 DAQ 系统 ……………………………………………………………………………… 109

　 　 7. 1. 1　 DAQ 硬件 ………………………………………………………………………… 109

　 　 7. 1. 2　 虚拟仪器 ………………………………………………………………………… 109

　 7. 2　 什么是 NI ELVIS? …………………………………………………………………… 110

　 7. 3　 NI ELVIS 的硬件和软件 ……………………………………………………………… 110

　 　 7. 3. 1　 NI ELVIS II 的硬件构成 ………………………………………………………… 110

　 　 7. 3. 2　 NI ELVIS 软件 …………………………………………………………………… 110

　 7. 4　 NI ELVIS 的安装与配置 ……………………………………………………………… 113

　 　 7. 4. 1　 运行 NI ELVIS 所需要的配置…………………………………………………… 113

　 　 7. 4. 2　 NI ELVIS 设备使用注意事项 …………………………………………………… 113

　 　 7. 4. 3　 NI ELVIS 设备的安装 …………………………………………………………… 113

　 　 7. 4. 4　 NI ELVIS 设备的测试 …………………………………………………………… 113

第8 章　 NI ELVIS 教学实验套件硬件概述 ………………………………………… 117

　 8. 1　 NI ELVIS II+平台工作站 …………………………………………………………… 117

　 8. 2　 NI ELVIS II +平台工作站的指示灯、 控件及接口 ………………………………… 118

　 　 8. 2. 1　 原型实验板状态指示灯 ………………………………………………………… 118

　 　 8. 2. 2　 控制器件 ………………………………………………………………………… 119

　 　 8. 2. 3　 接线端口 ………………………………………………………………………… 119

　 8. 3　 NI ELVIS II+原型实验板 …………………………………………………………… 119

　 　 8. 3. 1　 原型实验板电源 ………………………………………………………………… 119

　 　 8. 3. 2　 信号描述 ………………………………………………………………………… 119

　 8. 4　 连接信号 ……………………………………………………………………………… 122

　 　 8. 4. 1　 模拟输出 ………………………………………………………………………… 122

　 　 8. 4. 2　 数字万用表 (DMM) …………………………………………………………… 123

　 　 8. 4. 3　 示波器 …………………………………………………………………………… 123

　 　 8. 4. 4　 模拟输出 ………………………………………………………………………… 123

　 　 8. 4. 5　 函数发生器 ……………………………………………………………………… 124

　 　 8. 4. 6　 电源 ……………………………………………………………………………… 124

　 　 8. 4. 7　 数字输入/输出…………………………………………………………………… 124

　 　 8. 4. 8　 可编程函数界面 (PFI) ……………………………………………………… 125

　 　 8. 4. 9　 用户自定义 I/ O ………………………………………………………………… 125

　 　 8. 4. 10　 波特分析仪……………………………………………………………………… 125

　 　 8. 4. 11　 双线伏安分析仪………………………………………………………………… 125

　 　 8. 4. 12　 三线伏安分析仪………………………………………………………………… 125

　 　 8. 4. 13　 计时器/计数器 ………………………………………………………………… 125

第9 章　 NI ELVIS 平台的编程 ………………………………………………………… 126

　 9. 1　 NI ELVIS 编程概述 …………………………………………………………………… 126

　 9. 2　 使用 NI - DAQmx 对 NI ELVIS 进行编程 …………………………………………… 126

　 　 9. 2. 1　 NI - DAQmx ……………………………………………………………………… 126

　 　 9. 2. 2　 NI - MAX ………………………………………………………………………… 127

　 　 9. 2. 3　 用驱动程序 NI - DAQmx 配置测量通道和任务 ……………………………… 127

　 　 9. 2. 4　 DAQmx VI———数据采集函数简介……………………………………………… 131

　 　 9. 2. 5　 DAQmx (数据采集) 的属性节点 ……………………………………………… 133

　 　 9. 2. 6　 DAQmx (数据采集) 的任务状态 (逻辑) …………………………………… 134

　 9. 3　 使用 API 对 NI ELVIS 进行编程……………………………………………………… 134

　 　 9. 3. 1　 可调电源 (VPS) ……………………………………………………………… 134

　 　 9. 3. 2　 函数发生器 (FGEN) ………………………………………………………… 135

　 　 9. 3. 3　 数字万用表 (DMM) …………………………………………………………… 136

　 　 9. 3. 4　 数字输入/输出 (DIO) ………………………………………………………… 136

第10 章　 NI ELVIS 基础实验 ………………………………………………………… 138

　 10. 1　 实验一　 软前置板 (SFP) 的使用 ………………………………………………… 138

　 　 10. 1. 1　 背景知识………………………………………………………………………… 138

　 　 10. 1. 2　 实验步骤………………………………………………………………………… 139

　 10. 2　 实验二　 元件参数的测量…………………………………………………………… 140

　 　 10. 2. 1　 电阻的测量……………………………………………………………………… 140

　 　 10. 2. 2　 二极管的测量…………………………………………………………………… 141

　 　 10. 2. 3　 通断测量………………………………………………………………………… 142

　 　 10. 2. 4　 电容的测量……………………………………………………………………… 143

　 　 10. 2. 5　 电感测量………………………………………………………………………… 144

　 10. 3　 实验三　 信号分析及输出…………………………………………………………… 144

　 　 10. 3. 1　 函数信号发生器以及示波器的使用…………………………………………… 145

　 　 10. 3. 2　 任意波形发生器的使用………………………………………………………… 148

　 　 10. 3. 3　 数字写入器的使用……………………………………………………………… 153

　 　 10. 3. 4　 数字读取器的使用……………………………………………………………… 156

　 　 10. 3. 5　 动态信号分析仪和倍频分析仪的使用………………………………………… 157

　 10. 4　 实验四　 基本运算放大器电路的频率响应………………………………………… 160

　 　 10. 4. 1　 原理……………………………………………………………………………… 160

　 　 10. 4. 2　 实验步骤………………………………………………………………………… 161

　 10. 5　 实验五　 NI ELVIS II+的编程 ……………………………………………………… 165

　 　 10. 5. 1　 原理……………………………………………………………………………… 165

　 　 10. 5. 2　 在 LabVIEW 中建造一个物理量测量电路 …………………………………… 165

第三篇　基于NI ELVIS 平台的实验与实践

第11 章　 自动控制基础实验 …………………………………………………………… 171

　 11. 1　 典型环节的特性……………………………………………………………………… 171

　 　 11. 1. 1　 典型基本环节…………………………………………………………………… 171

　 　 11. 1. 2　 时域特性………………………………………………………………………… 173

　 　 11. 1. 3　 频域特性………………………………………………………………………… 180

　 　 11. 1. 4　 实验六　 典型环节的时域特性………………………………………………… 188

　 　 11. 1. 5　 实验七　 典型基本环节的频域特性…………………………………………… 189

　 11. 2　 线性系统的稳定性…………………………………………………………………… 190

　 　 11. 2. 1　 线性系统的稳定性……………………………………………………………… 190

　 　 11. 2. 2　 线性系统的稳态误差…………………………………………………………… 194

　 　 11. 2. 3　 实验八　 线性系统的稳定性分析……………………………………………… 196

　 　 11. 2. 4　 实验九　 线性系统的稳态误差分析…………………………………………… 197

　 11. 3　 系统校正……………………………………………………………………………… 199

第12 章　 设计型实验……………………………………………………………………… 206

　 12. 1　 实验十三　 实时 PID 控制实验……………………………………………………… 206

　 12. 2　 实验十四　 数字温度计实验………………………………………………………… 209

　 12. 3　 实验十五　 自由空间光通信实验…………………………………………………… 212

　 12. 4　 实验十六　 直流电机转速的测量及闭环控制……………………………………… 216

参考文献 ……………………………………………………………………………………… 220