张进伟报告智能仪器仪表设计基础

1、智能仪器仪表设计基础课程设计报告单 位： 自动化学院 学生姓名： 张进伟 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 0821102 学 号： 2011212907 指导老师： 徐洋 成 绩： 设计时间：2014 年 5月重庆邮电大学自动化学院制一、设计题目和要求（指导教师提供）二、设计报告正文1、分析设计对象、提出需要解决/设计的问题。2、在分析的基础上，给出拟采取的解决方案、方法（可在智能仪器仪表涉及的信号检测、处理、显示等部分中，以一、两个环节为重点进行具体设计）。3、具体设计。包括理论推导、计算分析过程和结果等，需要对设计路线和方法进行详细的说明，且给出相关的图表。4、设计总结（给出具体的、与设计密切相关的总结，以及存在的主客观问题和不足）。三、附件（程序、电路图等）格式要求：第一页报告封面。第二页指导老师提供的设计题目和要求。第三页设计内容，含摘要、引言、正文、结论等部分。注意：1、报告用A4纸打印装订。2、报告中的一级标题用三号宋体、二级标题用四号宋体，正文用小四宋体。3、报告中的图、表、公式等需要分别编号。题目：直流电机自动控制仪一、技术要求：设计直流电机自动控制仪，要求如下：1

2、、 学习电机测速的基本原理；2、 学习直流电机调速的基本原理；3、 通过曲线拟合的方法绘制直流电机的电压转速曲线；4、 使用单片机或虚拟仪器构造直流电机的自动控制仪；5、 控制仪能显示当前电机转速，能通过键盘输入设定电机转速（步进达到50转/分）。6、 选择合适测控设备，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图，讨论减少误差的方法。7、 测量数据能通过网络传输到服务器及其他电脑上。二、给定条件：1、NI公司ELVIS试验平台，LabVIEW软件；2、光电开关，电阻、电容、三极管若干；3、单片机开发系统1套，直流电机1个；三、设计：1.确定总体方案2.选择正确的电路搭建转速测量电路以及电机驱动电路；3.使用虚拟仪器ELVIS平台或单片机系统搭建自动控制仪；4.绘制直流电机电压转速曲线图，完成报告；四、具体设计过程，实验结果等五、设计的心得体会附：主要参考书目：测控电路基于LabVIEW的虚拟仪器设计自动控制原理自动测试系统数字信号处理摘要虚拟仪器技术是计算机测量与控制技术的一个新的发展方向。虚拟仪器是虚拟仪器技术的一个重要组成部分，其中最具有代表性的是图形化编程开发平台Labview，

3、它是一个功能强大而又灵活的仪器与分析软件应用的开发工具。在现代工业领域中，电机是工业应用及电能生产的基本装备，同时也是速度调节控制系统的核心部件之一，应用范围极为广泛，特别是拖动系统。因此弄清和熟悉电机的特性，研究速度控制方法尤为重要。本次课程设计以NI ELVIS实验开发平台为基础，PID经典控制方法理论的指导下，使用虚拟仪器软件NI Labview控制直流电机转速。实验过程中，利用经验法对直流电机PID控制参数进行调节，并且运用拟合方法求出直流电机转速与电压关系曲线。关键词：虚拟仪器；Labview；直流电机；PID；DAQAbstractVirtual instrument technology is a new development direction of the computer measure and control technology. Virtual instrument is an important component of virtual instrument technology, Labview is the most representive grap

4、hic programming development platform, it is an powerful and flexible instrument and analysis software application development tool.In the modern industry domain, the DC motor is basic equipment of industry application and electric energy producing, at the same time also one of core components of speed regulator control system, especially in drag system. Therefore,to know and master DC motors feature is particularly important for researching speed control methods. This course project is basic of

5、NI ELVIS experimental development platform, PID the theory of classical control method as a guidance, use virtual instruments software NI Labview to control the speed of DC motor. Experience method regulate the PID parameters, and make a relationship curve about the velocity of DC motor and voltage by fitting method.Key words: Virtual instrument; Labview; DC motor; PID; DAQ第一章 引言1.1 课题研究的背景和意义直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然应用不如交流电机广泛，但是由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有被可控整流电源取代的趋势

6、，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍有一定的优势。在实验室开发系统上，由于直流电机价格便宜，结构简单，控制效果良好，因而得到众多研发人员的青睐。在此基础上，研究直流电机的基于虚拟仪器的速度控制将有极大的意义。LabVIEW作为虚拟仪器概念的首创者，自1986年问世以来，已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准，在研究、制造和开发的众多领域得到广泛应用。随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过20年的技术进步与发展，已成为21世纪测试技术发展的一个重要方向，并在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。采用虚拟仪器技术构建测试仪器，不仅测试精度、稳定性和可靠性高，而且开发效率高，可维护性强，有很高的性价比，节省投资，利于设备更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在生产过程控制中和产品性能测试，设备故障诊断都得到广泛的应用，其研究的意义非常重大。1.2 课题的国内外研究现状 电机控制是一个既成熟而又发展迅速的课题，电机控制具有种种优点，近年来一直是国内外很多公司、大学研究开发的热点。目前，国内外电机控制有关方面的研究工作正围绕电机控制理论、计算机辅助

7、技术、电机控制器、电力电子技术几个方面展开。电机控制理论方面。目前，在电机速度控制领域，由于PID控制算法简单，结构改变灵活，技术成熟，适应性强，可靠性高等特点，而得到广泛的应用。随着理论研究的发展，各种改进的控制算法层出不穷，近年来研究得很热门的自适应控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法、鲁棒控制理论等等。计算机辅助设计方面。由于计算机微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大。为系统的设计和方针提供的软件业越来越多。值得一提的MATLAB和LabVIEW。MATLAB程序设计语言是美国MathWorks公司在20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件，是国际、国内控制领域内最流行的计算和仿真软件,功能强大，工具箱丰富。LabVIEW是NI公司推出的一种基于G语言（图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。目前，现场可编程门阵列（FPGA）可以作为一种解决方案，一片FPGA可以实现非常复杂的逻辑，替代对快集成电路和分立元件组成的电路。现在市面上较通用的变频器大多都是采用单片机来控制，但单片机

8、的处理能力有限。近年来，各种集成化的数字信号处理器（DSP)的性能得到很大的改善，比起单片机，DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，越来越多的单片机使用者开始选用DSP器件来提高产品性能。新型电力电子技术中，实现弱电控制强电的关键所在是电力电子器件。目前，电力电子器件正向高频化、大功率、高电压、智能化方向发展。低压交流电动机的传动控制中， 使用广泛的功率器件有GBT、GTR 、GTO，此外还有智能功率模块IPMI1 2 。基于以上技术的研究，采用虚拟仪器对系统进行PID控制是一个新的组合方法，有较好的发展前景。但是，国内对虚拟仪器技术的使用研究，很多只是建立在仿真的基础上进行的，实际控制应用有待研究。1.3 课题内容及主要工作设计直流电机自动控制仪。依据所学知识以及查阅相关资料，硬件方面，选择光电开关、合适电阻、直流电机在ELVIS实验平台上正确搭建电路；软件方面，Labview软件进行控制，显示，并使用PID.vi 调节电压参量，控制电机转速，同时，利用拟合方法做出电机转速与电压之间的曲线图。1.4 小结本次课程设计主要有三个内容：（1）、利用

9、DAQ获取直流电机的转速；（2）、利用PID经典控制方法控制电机转速；（3）、拟合方法做出电机转速与电压之间的曲线图。第二章 直流电机2.1 直流电机工作原理本次课程设计采用普通的直流电机，直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。在直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。2.2 直流电机基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定、转子之间有一定的间隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和做电机的机械支撑，主要由主磁极（简称主极）、换向极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。转子的作用是产生感应电枢感应电势或电磁转矩，主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件组成的。如图2.1所示。图2.1 直流电机结构图1风扇；2机座；3电枢（铁心和绕组）；4主磁极铁心；5电刷装置；6换向器；7接线板；8接线盒；9换向极；10端盖；11转轴2.3 改变电枢电压调速改变电枢端电压调速的电枢电压控制法是常用的控制方法。持续改变电枢供电电压，可以实现无级调速（直流电机在很宽

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