摘 要：二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)域測(cè)試儀是在時(shí)域中測(cè)試控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性并輸出其時(shí)域指標(biāo)的一種實(shí)驗(yàn)儀器，本文介紹了基于虛擬技術(shù)的二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)域測(cè)試儀硬件平臺(tái)的構(gòu)建及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論述了該儀器的測(cè)試原理以及基于虛擬技術(shù)的優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞：測(cè)試 虛擬技術(shù) 動(dòng)態(tài)特性 1 引言 　　虛擬儀器的概念由美國(guó)NI 公司于1986年提出，它主要應(yīng)用于各種測(cè)控領(lǐng)域，如設(shè)計(jì)性能驗(yàn)證、制造業(yè)中的功能測(cè)試以及數(shù)據(jù)采集和控制。虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化的通用模塊硬件結(jié)合起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就象操作原傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器用軟件取代了傳統(tǒng)儀器中的大部分硬件，所以美國(guó)NI 公司提出了“軟件即儀器”的口號(hào)。虛擬儀器概念的提出是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向。 　　系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)的時(shí)域測(cè)試實(shí)驗(yàn)是控制工程課程的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的時(shí)域測(cè)試通常是指在系統(tǒng)上人為的輸入一單位階躍信號(hào)，測(cè)定系統(tǒng)的輸出響應(yīng)信號(hào)，然后分析系統(tǒng)輸出信號(hào)曲線(xiàn)的一些參數(shù)，包括系統(tǒng)輸出信號(hào)曲線(xiàn)偏離輸入的階躍曲線(xiàn)的最大值，我們稱(chēng)之為超調(diào)量（用δ表示），階躍響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間（稱(chēng)之為延遲時(shí)間td）,從零到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間（稱(chēng)之為上升時(shí)間tr）,響應(yīng)曲線(xiàn)到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間（稱(chēng)之為峰值時(shí)間tp），響應(yīng)曲線(xiàn)衰減到穩(wěn)態(tài)值的95%所需的時(shí)間（稱(chēng)之為調(diào)節(jié)時(shí)間ts）。二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試儀主要獲取二階系統(tǒng)對(duì)單位階躍響應(yīng)的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)，從中提取以上5個(gè)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行分析?；谔摂M技術(shù)的二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試儀主要由以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理與分析等軟件組成。 2 硬件平臺(tái)的構(gòu)建 　　系統(tǒng)硬件主要由計(jì)算機(jī)、ACLD-9118端子板、PCI9114數(shù)據(jù)采集卡和單位階躍信號(hào)發(fā)生器組成。如圖1所示。單位階躍信號(hào)加在被測(cè)系統(tǒng)上，系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)的輸出響應(yīng)通過(guò)ACLD-9118和PCI9114送入計(jì)算機(jī)中，由軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分析處理和輸出。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)[/align] 　　計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)中主要完成以下一些工作，用LabVIEW語(yǔ)言編制儀器輸入輸出和控制的虛擬面板，完成測(cè)試的輸入輸出和控制工作;與接線(xiàn)端子板ACLD-9118和數(shù)據(jù)采集卡PCI9114相互配合完成數(shù)據(jù)采集工作，以獲得系統(tǒng)對(duì)單位階躍響應(yīng)的輸出響應(yīng)曲線(xiàn);分析系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)以提取所需的5個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù); 　　PCI9114是一個(gè)基于32位PCI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集卡，它有32個(gè)單端模擬輸入或16個(gè)差動(dòng)模擬輸入通道，16位高分辨率A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換，有1、10、100、1000四種放大倍數(shù)。單通道采集速率可達(dá)到100KHZ，有兩種AD（模擬數(shù)字）觸發(fā)模式，分別為軟件觸發(fā)和定時(shí)器觸發(fā)，板上有1K字的FIFO（先入先出）存儲(chǔ)，可自動(dòng)掃描通道，16位隔離數(shù)字輸入通道，16位隔離具有高驅(qū)動(dòng)能力的數(shù)字輸出通道。是測(cè)量、過(guò)程控制中理想的數(shù)據(jù)采集卡，動(dòng)態(tài)特性測(cè)試儀使用其中的通道2，其它通道由另外一些測(cè)量?jī)x器占用，該產(chǎn)品提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和與LabVIEW語(yǔ)言連接的軟件包，它們與計(jì)算機(jī)一起組成虛擬測(cè)控平臺(tái)，所以基于虛擬技術(shù)的二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試儀的研制工作大部分在算法的設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)上，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的“軟件即儀器”的宗旨。 3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　　為使該軟件系統(tǒng)符合虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)，我們使用美國(guó)NI公司的LabVIEW編程語(yǔ)言，LabVIEW是一種面向科學(xué)家和工程師的編程語(yǔ)言，也是一種圖形化、結(jié)構(gòu)化的編程語(yǔ)言。它的應(yīng)用程序由三部分組成：前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。前面板是由輸入控件和輸出指示器構(gòu)成，控件是用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)到程序的部件，指示器是顯示程序執(zhí)行結(jié)果的部件，LabVIEW提供了多種控件和指示器，使編程人員可以編制出非常直觀類(lèi)似于傳統(tǒng)儀器面板的虛擬儀器控制面板。程序框圖由節(jié)點(diǎn)、端口和連線(xiàn)組成，節(jié)點(diǎn)是程序執(zhí)行的元素，類(lèi)似于文本語(yǔ)言的語(yǔ)句、函數(shù)和子程序，端口是數(shù)據(jù)在前面板和框圖程序之間以及框圖程序的節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)慕涌?，連線(xiàn)是端口間的數(shù)據(jù)通道。LabVIEW的編程關(guān)鍵理解和使用VI的分層屬性，即將低層程序放入一個(gè)圖表中，并將其圖標(biāo)化，然后為該圖標(biāo)創(chuàng)建連接器，從而可以被高層程序調(diào)用，數(shù)據(jù)通過(guò)該連接器與上層VI交換。利用VI的分層屬性我們?cè)诒鞠到y(tǒng)中共設(shè)計(jì)了9個(gè)層次。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該圖為L(zhǎng)abVIEW根據(jù)用戶(hù)編制的應(yīng)用程序自動(dòng)生成的層次結(jié)構(gòu)圖，圖中的每一個(gè)圖標(biāo)代表著一個(gè)子VI（即傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的子程序），處于上下層的屬于調(diào)用關(guān)系，處于同層的屬于平級(jí)子VI，同時(shí)被它的上一層所調(diào)用。 　　處于層次結(jié)構(gòu)中最高層的是儀器控制面板子VI，它完成測(cè)試控制和輸入輸出工作。層次結(jié)構(gòu)圖中的第二層為完成控制算法子VI。層次結(jié)構(gòu)圖中的第三層分別為數(shù)據(jù)采集濾波、信號(hào)分析以及生成測(cè)試報(bào)告子VI。第四、五、六、七層分別為編制測(cè)試報(bào)告時(shí)用到的一些函數(shù)節(jié)點(diǎn)和提取系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的5個(gè)指標(biāo)子VI。第八、九層為檢測(cè)軟件差錯(cuò)子VI。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖[/align] 4.虛擬儀器儀器控制面板及測(cè)試原理 [align=center] 圖3 儀器控制面板[/align] 　　虛擬儀器控制面板是儀器的輸入輸出及測(cè)試控制的人機(jī)接口。該面板子VI處于層次結(jié)構(gòu)中的最高層，是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，它的前面板為類(lèi)似于傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器面板如圖3所示，它的后端框圖程序?yàn)橄到y(tǒng)主程序，當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量按鈕時(shí)，它調(diào)用控制算法子VI發(fā)出一控制信號(hào)，通過(guò)PCI9114和ACLD-9118激勵(lì)單位階躍信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一階躍信號(hào)，該信號(hào)作用于系統(tǒng)上，系統(tǒng)輸出一響應(yīng)信號(hào)，該響應(yīng)信號(hào)通過(guò)ACLD-9118端子板送入PCI9114，同時(shí)面板程序調(diào)用數(shù)據(jù)采集濾波子VI對(duì)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)進(jìn)行采集和濾波，然后調(diào)用信號(hào)處理及提取動(dòng)態(tài)特性參數(shù)子VI進(jìn)行結(jié)果計(jì)算，最后再一次調(diào)用控制算法子VI，將結(jié)果分別以圖形及數(shù)據(jù)的形式在前面板上輸出，結(jié)果如圖3所示。 　　點(diǎn)擊生成報(bào)告按鈕，面板程序調(diào)用生成報(bào)告子VI，將所有測(cè)試結(jié)果通過(guò)程序中專(zhuān)門(mén)為之設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通道傳送給測(cè)試報(bào)告，通過(guò)調(diào)用一些系統(tǒng)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)生成所需風(fēng)格的測(cè)試報(bào)告，然后打印輸出，其圖形代碼如圖4所示。整個(gè)軟件系統(tǒng)的編程工作全部用如圖4所示的圖形代碼實(shí)現(xiàn)，這就是面向?qū)ο蟮膱D形化編程語(yǔ)言與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的區(qū)別。 [align=center] 圖4 虛擬儀器面板程序的圖形代碼[/align] 5 結(jié)論 　　虛擬二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性實(shí)域測(cè)試儀充分體現(xiàn)了“軟件即儀器”的概念，使測(cè)試工作大部分在軟件的控制下完成，虛擬儀器面板的設(shè)計(jì)使操作人員象操作傳統(tǒng)儀器一樣操作虛擬儀器，只是將過(guò)去用手旋轉(zhuǎn)旋鈕和操作開(kāi)關(guān)改成用鼠標(biāo)控制虛擬的旋鈕和開(kāi)關(guān)，但因用軟件取代了很多硬件，從而解決了電子器件因質(zhì)量和溫漂等因素造成的一些測(cè)量誤差，同時(shí)儀器的成本及維修費(fèi)用也大大的降低，從開(kāi)發(fā)角度講開(kāi)發(fā)的時(shí)間被縮短，又因虛擬儀器的軟硬件具有開(kāi)放性的平臺(tái)，可以方便的更改和添加儀器功能，目前我們已在其硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)出了虛擬頻率特性測(cè)試儀，圓度測(cè)量?jī)x等虛擬儀器。同時(shí)制作在顯示器上的虛擬儀器輸出面板使測(cè)量結(jié)果更方便更直觀的得到表達(dá)，虛擬儀器的眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為當(dāng)前測(cè)量測(cè)試儀器的發(fā)展方向。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) ： 　　1. 將虛擬技術(shù)應(yīng)用于二階系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)態(tài)測(cè)試; 　　2. 創(chuàng)建了開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 參 考 文 獻(xiàn) 　　[1] 楊叔子，楊克沖.《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》華中理工大學(xué)出版社，2000 　　[2] 周斌，倪榮慶.《自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》機(jī)械工業(yè)出版社，1986.. 　　[3] National Instruments上海分公司. 虛擬儀器─測(cè)試與測(cè)控儀器的最佳選擇.機(jī)電一體化，2000 （2）： 　　[4] 畢虎，律方成. LabVIEW中訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的幾種不同方法.微計(jì)算機(jī)信息，2006（1-1）：131～134 　　[5] 嚴(yán)克寬.虛擬儀器技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助教學(xué).中國(guó)儀器儀表，1998 （1）： 　　[6] Johnson G W.LabVINE POWER Programming.McGrawHillCompanies,Inc.,1999 　　[7] 黎水平.虛擬儀器技術(shù)在梯度材料制備實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000 （8）：