《虚拟仪器基础实验》指导书Word格式.docx

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2、熟悉数字滤波器的使用方法；

3、熟悉谐波失真分析VI的使用方法。

二、实验原理：

1、信号的频谱分析是指用独立的频率分量来表示信号；

将时域信号变换到频域，以显示在时域无法观察到的信号特征，主要是信号的频率成分以及各频率成分幅值和相位的大小，LabVIEW中的信号都是数字信号，对其进行频谱分析主要使用快速傅立叶变换（FFT）算法：

·

“FFTSpectrum（Mag-Phase）.vi”主要用于分析波形信号的幅频特性和相频特性，其输出为单边幅频图和相频图。

“FFT.vi”以一维数组的形式返回时间信号的快速傅里叶运算结果，其输出为双边频谱图，在使用时注意设置FFTSize为2的幂。

“AmplitudeandPhaseSpectrum.vi”也输出单边频谱，主要用于对一维数组进行频谱分析，需要注意的是，需要设置其dt（输入信号的采样周期）端口的数据。

2、数字滤波器的作用是对信号进行滤波，只允许特定频率成份的信号通过。

滤波器的主要类型分为低通、高通、带通、带阻等，在使用LabVIEW中的数字滤波器时，需要正确设置滤波器的截止频率（注意区分模拟频率和数字频率）和阶数。

3、“HarmonicDistortionAnalyzer.vi”用于分析输入的波形数据的谐波失真度（THD），该vi还可分析出被测波形的基波频率和各阶次谐波的电平值。

三、实验内容：

（1）时域信号的频谱分析

设计一个VI，使用4个SineWaveform.vi（正弦波形）生成频率分别为10Hz、30Hz、50Hz、100Hz，幅值分别为1V、2V、3V、4V的4个正弦信号（采样频率都设置为1KHz，采样点数都设置为1000点），将这4个正弦信号相加并观察其时域波形，然后使用FFTSpectrum（Mag-Phase）.vi对这4个正弦信号相加得出的信号进行FFT频谱分析，观察其幅频和相频图，并截图保存。

（2）数字滤波器VI的使用

对步骤

（1）中由4个正弦波形相加得出的时域波形，再叠加上一个幅值为5V的白噪声波形（采样频率都设置为1KHz，采样点数都设置为1000点），使用FFTSpectrum（Mag-Phase）.vi观察其频谱，然后使用一个巴特沃斯带通滤波器滤除其中的10Hz、30Hz和100Hz的频率成份，观察滤波之后的时域波形，并分析其频谱，截图保存。

（3）谐波失真分析

假设波形x（t）为使用1个SineWaveform.vi（正弦波形）生成的频率为10Hz，幅值为1V的正弦波形，使用HarmonicDistortionAnalyzer.vi对波形y（t）=x（t）+0.1x2（t）+0.2x3（t）进行谐波失真分析，观察基波频率、谐波失真度THD和各阶次谐波电平（最高3次谐波），截图保存。

（4）曲线拟合

在对量程为10MPa的压力传感器进行标定时，传感器输出电压值与压力值之间的关系如题下表所示，请使用曲线拟合VI（Linearfit.vi，在“数学”模板中）求出电压与压力之间的最小二乘关系式，并给出均方误差。

测量次数I

1

2

3

4

5

压力xi（MPa）

8

10

电压yi（V）

10.046

20.090

30.155

40.125

50.074

四、实验报告

1、提交电子文档和打印稿，将本次实验的实验目的、实验步骤记录于该文档中。

2、将本次实验的VI程序的前面板运行结果和程序框图粘贴在文档中。

3、回答以下问题：

①在实验步骤

（2）-②中，能否使用带通滤波器完全滤除白噪声信号？

请简述原因；

②滤波器的阶数对滤波效果有何影响？

该如何设置滤波器的阶数？

硬件实验部分（设计性实验）

实验二基于PCI-6221数据采集卡的虚拟仪器系统组建

一、实验目的：

1、了解PCI-6221数据采集卡的功能。

2、掌握如何在MAX中设置DAQ通道，以及览阅PCI-6221的设备属性、与附件的连线方式等。

3、学习使用VI程序控制PCI－6221卡进行数据采集。

二、实验环境：

三、软件：

中文Windows2000xp，LabVIEW8.2.1或以上版本，NIMAX7.4或以上版本。

四、硬件：

微型计算机、数据采集卡PCI-6221（68Pin）、连接器CB-68LP、电流-电压转换器。

五、实验原理：

1、PCI－6221卡将作为本次实验的数据采集卡，本实验主要使用其AI和AO通道，VI程序通过它来实现虚拟仪器的模拟信号采集和输出功能，下面就对它的功能予以介绍。

PCI-6221卡是基于PCI总线的高性能、多功能的数据采集卡。

它有16个单端输入或8个差分输入，1个16位的逐次逼近式ADC，2个以电压输出的16位DAC。

PCI-6221的I/O分布如下图所示：

所有I/O连接板引脚由五组引脚组成：

模拟输入信号引脚、模拟输出信号引脚、数字I/O信号引脚、定时I/O信号引脚和电源信号引脚。

在本实验中只用到了Aix（x为0~15）模拟输入和AO0模拟输出通道，下面对其进行介绍。

（1）模拟输入信号AIx的连接。

模拟输入信号与PC-6221卡的连接方式取决于PCI-6221卡的模拟输入电路的配置方式和输入信号源的类型。

在本实验中，计算机与模拟输入信号源（****实验装置的下水箱液位传感器输出的经电流-电压转换后的1~5V电压信号）与PCI-6221卡具有1个公共的参考点（AISENSE），但该参考点并非为地电压，所以采用无参考地的单端测量接线方式（使用NRSE方式）。

输入信号连接在PCI-6221卡AIx通道上，而信号的参考点应连接在PCI-6221卡的AISENSE引脚上。

可使用NIMAX观察模拟输入信号与CB-68LP和PCI-6221的AIx（x为各实验小组组长学号的最后1位）通道的连接方式，，方法如下：

①在MAX中创建NIDAQmx任务，任务属性为“模拟AIx通道电压输入”、“NRSE接线方式”：

.

②点击NIDAQmx任务属性界面中的“连线图”，即可观察到连线方式（以AI0通道的连线方式为例），如下图所示：

（2）模拟输出信号的连接。

I/O连接板的22号引脚为模拟输出信号AO0的正端，54和55号引脚作为输出通道的地参考。

DA输出信号范围：

双极性为±

5V，单极性为0－10V。

3、LabVIEW8.2.1中涉及到模拟输入和模拟输出的操作函数在函数模板中的“测量I/O”>

>

“DAQmx-数据采集“子模板中。

本次实验中，需要使用以下几种函数对PCI-6221卡进行操作：

（1）对单通道模拟输入的操作：

DAQmxCreatVirtualChannel.VI：

用于创建一个或一批虚拟通道，在其“物理通道”端口选择PCI-6221所对应的设备号，并设置好通道、输入上下限、接线方式等参数；

DAQmxTiming.VI：

用于设置通道的采样频率、采样时钟源、采样模式等参数；

DAQmxStart.VI：

用于启动一个输入/输出任务，当启动后PCI-6221即可按设定的方式将数据采集/输出发送到计算机的缓存中；

DAQmxRead.VI：

用于从缓存中读出所采集到的数据；

DAQmxStop.VI：

停止数据采集任务；

DAQmxClear.VI：

用于清除DAQmx任务并释放缓存。

（2）对模拟输出的操作：

·

DAQmxWrite.VI：

用于向缓存中写入需要输出的数据；

当写入缓存后，使用DAQmxStart.VI启动任务，PCI-6221即可按设定的方式将数据从缓存中发送到计算机的AO通道；

DAQmxWaitUntilDone.VI：

该VI用于确保在任务结束前输入或输出数据的操作已完成，通常用于有限采样（FinitaSamples）的输入或输出操作。

六、实验内容：

1、利用NIMAX配置PCI-6221数据采集卡，以A3000实验装置的下水箱液位传感器输出的1~5V电压信号为模拟输入信号，在MAX中观察模拟输入信号与CB-68LP和PCI-6221的AIx（x为各实验小组组长学号的最后1位）通道的连接图（采用NRSE/RSE连线方式）。

2、根据观察到的连线方式，完成模式输入信号与CB-68LP的连线。

3、手动控制A3000实验装置的电磁阀，将控制信号设置为最大（20mA），使流量最大（则下水箱液位将不断上升直到最大值），从PCI-6221卡的通道AIx中对下水箱液位数据进行采集（在While循环中进行有限采样，循环间隔为100ms，采样速率设置为10kHz，每次采集100个点，然后对这100个点取平均值，将平均值的范围强制在1~5V（即平均值低于1V就设置为1V，平均值高于5V就设置为5V），并转换为对应的液位值（0~100，即1V对应液位0，5V对应液位100，以此类推）后，使用波形图表将液位值曲线显示出来，观察曲线与实际的下水箱液位之间的关系。

4、将液位值曲线及其对应的采样时间保存在一个文本文件中。

5、将PCI-6221卡的AO0通道与A3000实验装置的电磁阀控制通道相连接；

因为电磁阀控制信号为4~20mA的电流信号，而PCI-6221只能输出电压信号，因此必须将电压信号通过转换电阻转换为电流信号。

6、用PCI-6221卡的AO0输出一个范围为1.0~5.0V，步长为0.1V的电压值，观察电磁阀的开度与输出电压的关系。

七、实验报告：

1、提交电子文档和打印稿，将本次实验的实验目的、实验步骤记录于该文档中。

2、将本次实验的VI程序的前面板运行结果和程序框图粘贴在文档中。

3、回答以下问题：

①在实验步骤3中，为何将每次采集100个点取平均后作为液位测量值，而不是每次采集1个点直接作为液位的测量值？

②采集100个点的时间比采集1个点的时间要长，这对测量结果的影响是否很大？

为什么？

实验三基于LabVIEW和PCI-6221的单容水箱液位控制系统

学习如何利用LabVIEW开发平台设计一个单回路的单容水箱液位控制系统，使用PID控制算法使液位保持在值上。

二、实验环境：

软件：

硬件：

A3000高级过程控制系统、微型计算机、数据采集卡PCI-6221（68Pin）、连接器CB-68LP、电流-电压转换器。

三、实验系统的系统流程图

四、实验原理

1、基本原理

本实验采用PC+LabVIEW软件作为液位控制器（LC），将液位控制在设定高度上。

将液位传感器（LT）输出的4~20mA电流信号转换为1~5V电压信号后，使用PCI-6221数据采集卡的AIx通道进行采集并上传到计算机（具体的连线方法和采样设置请参照实验二进行），然后在LabVIEW程序中编写PID控制程序，根据P、I、D参数进行PID运算，将PID运算结果（即控制信号u）经PCI-6221的AO0通道输出到电磁阀，控制电磁阀调节水箱的进水流量，从而达到使液位值稳定在设定值上的目的。

2、位置/增量式PID控制算法

本实验的对象属于慢速的过程控制，因而采用位置式PID控制算法，其计算公式为：

式中，△u（k）为PID调节器增量输出值；

Kp为PID调节器的比例系数；

KI为PID调节器的积分系数；

KD为PID调节器的微分系数；

k为采样序号（k=0,1,2,…）；

e（k）为第k次采样时的偏差值；

e（k-1）为第k-1次采样时的偏差值；

u（k）为本次PID运算输出的控制信号，u0为上次PID运算输出的控制信号。

提示：

对于电机转速等运动控制，适合采样增量式PID控制算法，其计算公式为：

KC为PID调节器的比例系数；

e（k-2）为第k-2次采样时的偏差值；

液位控制系统结构框图如下图所示：

五、实验步骤

1、参照实验二的方式将液位传感器信号通过CB-68LP与PCI-6221的AIx（x为各实验小组组长学号的最后1位）进行连接；

将PCI-6221的AO0通道与A3000高级过程控制装置的电磁阀控制端口相连接。

2、在LabVIEW中编写PID控制程序：

①前面板设计

前面板要求能够显示当前的采样电压值及其对应液位值（液位值用图形方式进行显示），能够通过输入控件设置液位设定值和KC、KI、KD这三个参数值和，还能将当前液位值、设定值和PID控制信号u的曲线在同一个波形图表中进行显示。

②程序框图设计

程序框图使用While循环，按照实验二的设置对当前液位值进行采样，并计算出偏差值e（k）；

根据e（k），按照增量PID控制算法计算出控制信号u（k），按照实验二的设置将u（k）通过PCI-6221的AO0通道输出到电磁阀的控制端口以对进水流量进行控制。

③注意事项

当停止程序时，设计一个VI，将电压“0”输出到PCI-6221的AO0通道，以防止AO0通道长期保持高电压状态。

4、运行程序，在纯比例控制下（KI=0、KD=0），给液位设定值加入阶跃信号（注意：

只有当系统稳定后才能加入新的阶跃信号），观察并记录在不同的KC值下系统的响应曲线，记录下最佳响应曲线对应的KC值。

5、加入积分作用，在PI状态下整定系统，观察并记录在不同的KI值下系统的响应曲线，与纯比例控制的效果进行对比。

六、实验报告：

2、将本次实验的VI程序的前面板和程序框图粘贴在文档中。

3、将纯比例控制时，不同的KC值（至少3个）下系统的响应曲线粘贴在文档中。

4、将PI控制时，不同的KI值下系统的响应曲线粘贴在文档中。

5、回答以下问题：

①增量PID运算需要使用到上2次的偏差值即e（k-1）和e（k-2），在程序中该如何实现？

②你在程序中对液位进行采样的间隔取多少？

请说明理由。

③你所编写的PID控制程序是否取得了较好的控制效果？

如果不能，请分析下原因。