基于Labview的劳斯判据分析仪的设计.docx

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基于Labview的劳斯判据分析仪的设计

西安邮电学院

毕业设计（论文）

题目：

基于Labview的劳斯判据分析仪的设计

院（系）：

自动化学院

专业：

测控

班级：

学生姓名：

导师姓名：

职称：

工程师

起止时间：

2011年01月10日至2011年06月17日

毕业设计（论文）诚信声明书

本人声明：

本人所提交的毕业论文《基于Labview的劳斯判据分析仪的设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。

本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。

论文作者签名：

时间：

年月日

指导教师签名：

时间：

年月日

西安邮电学院

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

指导教师

职称

工程师

院（系）

自动化学院

专业

测控技术与仪器

题目

基于Labview的劳斯判据分析仪的设计

任务与要求

利用Labview软件，设计劳斯判据分析仪。

此分析仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性。

1.按照要求，查找文献并提交开题报告

2.熟悉基本知识，基本软件。

3.完成程序设计和仿真。

4.撰写论文

开始日期

2011年1月10日

完成日期

2011年6月17日

院长（签字）

2011

年

1

月

10

日

西安邮电学院

毕业设计（论文）工作计划

2011年1月10日

学生姓名_____指导教师_____职称__工程师_______

院（系）__自动化学院____专业_测控技术与仪器__________

题目___基于Labview的劳斯判据分析仪的设计

_______________________________________________________

工作进程

起止时间

工作内容

1月10日至3月28日按照要求，查找文献并撰写开题报告

3月29日至4月13日熟悉基本知识，基本软件使用

4月14日至5月15日程序设计、仿真及作品实现，准备论文

5月16日至5月31日对显示面板进行修改调试并美化

6月1日至6月7日完善并修改毕业论文

6月8日至6月17日准备答辩

主要参考书目（资料）

主要参考书目（资料）

[1]零点工作室,刘刚.labview8.20中文版编程及应用.北京：

电子工业出版社，2008-01

[2]张桐,陈国顺,王正林.精通labview程序设计.北京：

电子工业出版社，2008-12

[3]杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊.labview高级程序设计.北京：

清华大学出版社，2003-4

[4]胡寿松.自动控制原理第四版.北京：

科学出版社，2001-02

[5]XX文库.虚拟仪器论文

[6]赵勇,张英.自动控制原理实验指导书.西安：

西安邮电学院自动化实验室，2002-01

[7]袁浩,朱畅,陈志敏.基于labview的自动控制仿真系统设计.天津：

天津大学电气与自动化工程学院，2006-04

[8]美国NI公司.LabVIEW基础教程（，汪敏生）.北京：

电子工业出版社，2002-01

主要仪器设备及材料

计算机

论文（设计）过程中教师的指导安排

每周至少见面一次

对计划的说明

无

西安邮电学院

毕业设计（论文）开题报告

自动化学院（系）测控技术与仪器专业07级02班

课题名称：

基于Labview的劳斯判据分析仪的设计

学生姓名：

学号：

指导教师：

报告日期：

2011年3月28日

1．本课题所涉及的问题及应用现状综述

1.本课题所涉及的问题：

利用Labview软件，设计劳斯判据分析仪，这是一个虚拟仪器。

此分析仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性。

本课题主要是依托自动控制原理理论和Labview软件的配合使用，做出一个简洁的虚拟分析仪器。

2.应用现状：

虚拟仪器是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器技术密切结合的产物，是将来仪器发展的一个重要方向。

计算机和仪器的结合方式主要有两种。

一种是将计算机装入仪器，比较典型的例子是智能化仪器，随着计算机功能日益强大及体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，逐渐形成含嵌入式的仪器。

另一种方式是将仪器系统装入计算机，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，常说的虚拟仪器主要是这种方式，美国国家仪器（NT）公司开发的Labview软件是目前实现虚拟仪器最流行的设计工具软件之一。

其应用在工业界，学术界和研究室各个领域，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。

1）虚拟仪器的构成

传统仪器体积庞大,价格极高,缺乏相应的计算机接口,在数据采集及数据处理等方面十分不便。

利用虚拟仪器测量系统,可使我们从繁复的仪器堆中解放出来,而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。

这是因为:

虚拟仪器系统是将测量仪器的硬件搭载到笔记本电脑、台式计算机等平台上,再加上相应的应用软件而构成,通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体。

虚拟仪器集成了计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力,降低了仪器硬件的成本,缩小了仪器硬件的体积。

通过应用软件实现对数据的显示、存储、分析及处理。

可谓方便之极。

2）　虚拟仪器的特点

虚拟仪器具有功能多样、测量准确、界面友好、操作简易、易于扩展、价格低廉等特点。

（1）虚拟仪器的功能及分析方法完全由用户自己定义,用户自己编程控制相应硬件,它操作灵活,完全图形化界面,符合传统设备的使用习惯,用户可轻松掌握操作规程。

（2）虚拟仪器可方便地与网络外设进行连接,与其它设备集成方便灵活。

如可以和高速数据采集设备构成自动测量系统,和控制设备构成自动控制系统等。

（3）虚拟仪器具有高质量的编辑、存储、打印功

能,具有无限的数据记录能力。

（4）系统中的数据库与系统间的通讯非常容易,

可自动生成测试报告。

（5）可以扩展的功能很多,具有多种显示方式可供选择。

（6）价格低廉。

一套完整的传统实验测量设备少则几万元,多则几十万元,在同等的性能条件下,相应的虚拟仪器价格是传统仪器价格的1/5～1/10,虚拟仪器系统基于软件体系结构,可大大节省开发维护费用,可做到个人可拥有一个实验室。

参考文献：

[1]孙少军,等.电子测量技术基础.西安电子科技大学出版社.

[2]龙脉工作室，岂兴明，周建兴，矫津毅.Labview8.2中文版.北京：

人民邮电出版社，2010

[3]胡寿松.自动控制原理.北京：

科学出版社，2000

2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析

（1）自动控制原理理论

关键问题：

a）熟悉劳斯判据理论，系统传递函数，各参数与稳定性之间的关系和极点的判断方法。

b）建立起与Labview之间的桥梁。

解决思路：

将劳斯判据，传递函数和各个参数之间的关系，还有稳定性和极点的满足条件用简短的逻辑关系列出，再与Labview联系使用，从而达到二者合二为一。

可行性分析：

自动控制原理课为必修课，我们已经学过，Labview是一门很好的开发虚拟仪的器软件，二者可以很好的结合，从而使劳斯判据分析过程更加快捷和方便，省时，不耗材，还简单实用，所以非常可行.最终目标是要用labview软件编写一个可视化的软件，其功能可以实现对劳斯判据数据进行分析，此分析仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性，这个软件对数据的分析将非常简单，只要输入相关参数，运行后就可以判断结果并输出相关数据和波形图，其显示结果以观察处理，这就减少了以前分析数据的很多步骤，对数据分析提供了很大方便。

（2）让界面简洁明了，利用效率高。

关键问题：

a）怎样将labview的功能发挥到最好

b）此次设计的软件要具有很好的利用价值

解决思路：

充分利用Labview各项功能，尽量使程序精简，版面美观简洁，让人一目了然，操作简单可行。

在设计的过程中，使其算法尽量适合各种数据范围，从而达到以不变应万变。

可行性分析：

Labview是一个很好的虚拟仪器开发软件，面板简单而且易操作，完全可以实现本次研究的要求。

此次设计的软件既具有传统方法的分析作用，又有优于传统方法的特点。

首先，其开发环境简单，只需要一台电脑和相关软件就可以，这给开发带来了很大方便；

其次，成本低，低廉的成本将使其有很大的利用市场；

再次，开发周期短，可以让其很快投入应用，则可以最大限度的实现其使用价值；

最后，操作简单，效率高，适用范围广，这将大大扩大了市场的需求量。

从以上分析可预测此款软件的设计很有必要，所以此设计方案非常可行。

3．完成本课题的工作方案

1月10日至3月28日按照要求，查找文献并撰写开题报告

3月29日至4月13日熟悉基本知识，基本软件使用

4月14日至5月15日程序设计、仿真及作品实现，准备论文

5月16日至5月31日对显示面板进行修改调试并美化

6月1日至6月7日完善并修改毕业论文

6月8日至6月17日准备答辩

4．指导教师审阅意见

指导教师（签字）：

　　　　　　2011年4月1日

说明：

本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计）正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。

西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表

学生姓名

性别

学号

专业班级

课题名称

基于Labview的劳斯判据分析仪的设计

课题

类型

教学实践

难度

一般

毕业设计（论文）时间

2011年　1月10日～　6月17日

指导教师

（职称：

工程师）

课题任务

完成情况

论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；

其它（含附件）：

指导教师意见

分项得分：

开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分

指导教师审阅成绩：

　　　　指导教师（签字）：

　　　　　　　　2011　年　月　日

评

阅

教

师

意见

分项得分：

选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；外文翻译分

评阅成绩：

　　　　评阅教师（签字）：

　　　　　　　　2011年　月　日

验收小组意见

分项得分：

准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分

验收成绩：

　　　验收教师（组长）（签字）：

　　　　　　　　2011　年　月　日

答

辩

小组

意

见

分项得分：

准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分

答辩成绩：

答辩小组组长（签字）：

　2011年月日

成绩计算方法

（填写本院系实用比例）

指导教师成绩20（％）评阅成绩30（％）验收成绩30（％）答辩成绩20（％）

学生实得成绩（百分制）

指导教师成绩评阅成绩验收成绩

答辩成绩总评

答辩委员会意见

毕业论文（设计）总评成绩（等级）：

院（系）答辩委员会主任（签字）：

院（系）（签章）

2011年月日

备

注

西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）

摘要

本文主要从虚拟仪器和劳斯判据为出发点进行相关论述，全面的介绍了虚拟仪器设计技术,并用软件仿真的方法设计了一台劳斯判据分析仪，这是一台虚拟仪器，它可以对劳斯判据进行验证和对传递函数进行稳定性分析。

这次设计主要利用现今最有代表性的图形化编辑软件——LabVIEW，用它设计了一个劳斯判据分析仪，此分析仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性；除此之外，它还可以显示出极点的值，并且加入了阶跃响应，利于更好的观察系统的稳定性。

为了充分体现其对劳斯判据的验证，本文对劳斯判据的一般情况和两个特殊情况都进行了运行验证，并和理论计算结果比较分析，从而得出其验证的准确性。

本文所介绍的劳斯判据分析仪是基于虚拟仪器的应用，其在对系统的稳定性判断时，非常方便，而且开发环境简单，投资少，修改方便，所以，在这方面的研究很有意义，这也为以后的学习研究打下了一定基础。

关键词虚拟仪器劳斯判据稳定性LabVIEW极点

Abstract

ThisarticlemainlyfromthevirtualinstrumentandRoycecriterionasthestartingpointforrelevantexpositions,comprehensivelyintroducedvirtualinstrumentdesigntechnology,andsoftwaresimulationmethodtodesignaRolls-Royce,whichisacriterionanalyzerofvirtualinstrument,itcanbevalidatedonRoycecriterionoftransferfunctionandstabilityisanalyzed.

Thedesignofthemainusenowadaysmostrepresentativeofgraphicaleditingsoftware-LabVIEW,usingittodesignaRoycecriterion,thisanalyzercanfromanalyzertransferfunctionofthedenominatorpolynomialcoefficientcandeterminethelocationofthediscriminantsystem,causinganindirectofstability;Besides,itcanalsoshowedthevalueofthepole,andjoinedtheordertobetterstepresponse,thestabilityoftheobservationsystem.InordertofullyreflecttheRoycecriterion,thispaperthevalidationofthegeneralconditionsRoycecriterionwithtwoparticularsituation,andtherunningresultandtheoreticalcalculationresultcomparisonanalysis,thusdrawstheaccuracyofthevalidation.

ThispaperintroducedtheRoycecriterionanalyzerisbasedonvirtualinstrumenttechnologyapplication,inthejudgementonsystemstability,veryconvenient,andthedevelopmentenvironment,lessinvestment,simpleandconvenient,somodifyintheresearchofthisaspectverymeaningful,thisalsoislaterstudylaidacertainfoundation.

KeyWords:

Virtualinstrument，Roycecriterion,stability，LabVIEW，pole

1引言

虚拟仪器是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器技术密切结合的产物，是将来仪器发展的一个重要方向。

计算机和仪器的结合方式主要有两种。

一种是将计算机装入仪器，比较典型的例子是智能化仪器，随着计算机功能日益强大及体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，逐渐形成含嵌入式的仪器。

另一种方式是将仪器系统装入计算机，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，常说的虚拟仪器主要是这种方式，美国国家仪器（NT）公司开发的Labview软件是目前实现虚拟仪器最流行的设计工具软件之一。

其应用在工业界，学术界和研究室各个领域，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。

本文所介绍的应用软件是基于labview的劳斯判据分析仪，此分析仪是在计算机上完成的控制系统仿真系统，其功能可以很方便的判断一个系统的稳定性，此分析仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性。

除此之外，这次的实践应用是一个比较有前景的应用，可以广泛应用于教学和实验室各种应用，其最大的优点就是应用环境简单，labview这款软件用起来也非常方便简明，完全可以自学自做。

本文所涉及到的知识包括自动控制原理，劳斯判据的原理和其判稳方法，还有labview软件的用法。

2虚拟仪器概述

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（virtualinstruments）主要是指这种方式,充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。

2.1仪器的发展

2.1.1仪器的发展历程

随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期:

1、第一代仪器：

模拟仪器。

如指针式万用表、晶体管电压表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。

2、第二代仪器：

数字化仪器

数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。

这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。

3、第三代仪器：

智能仪器

智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。

它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

4、第四代仪器：

虚拟仪器

虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。

从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。

此后，虚拟仪器产品飞速增加。

　　从仪器的发展历史可以看出，仪器领域已经历了两次技术革命。

第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代。

目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：

虚拟仪器时代。

2.1.2虚拟仪器发展历程

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，仪器级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LabVIEW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。

虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。

大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。

   第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。

由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。

随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。

这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。

   第二阶段，开放式的仪器构成。

仪器硬件上出现了两大技术进步：

一是插入式计算机数据处理卡（plug-inPC-DAQ）；二是VXI仪器总线标准的确立。

这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。

第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。

软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。

许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。

发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。

2.2虚拟仪器的分类

虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：

（1）PC总线——插卡型虚拟仪器

这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：

美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。

Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。

但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。

另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。

（2）并行口式虚拟仪器

最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。

仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。

美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。

由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。

（3）GBIB总线方式的虚拟仪器

GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。

它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统