基于LabVIEW的控制系统仿真.docx

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基于LabVIEW的控制系统仿真

基于LabVIEW的控制系统仿真

摘要

在控制理论教学和实验中，存在着设备短缺、教学手段单一等问题，采用虚拟控制系统实验方式可有效地解决这些问题。

本文对控制系统仿真的意义与研究现状作了介绍，提出并确定了基于LabVIEW的控制系统仿真的实施方案。

应用NI公司的LabV圧W2009、控制设计工具包作为软件开发工具，实现了控制系统的建模、分析与设计这一系列过程的计算机仿真。

经过编写程序和发布应用程序，最终开发出了一种交互式实验教学系统。

该系统包含信号发生器、典型环节、质点一弹赞一阻尼器系统和一级倒立摆系统四个子模块，用户可进行控制系统建模、性能分析、PID设计、LQR设计等方面的研究。

各个子模块运行良好，整个系统具有操作简单、界面友好和实时交互的特点；对于教学和实验的改革和创新具有一定的指导意义。

文中详细介绍了该实验教学系统的设计思路与设计过程。

主体部分是对系统各个子模块的理论分析、相应的算法分析和虚拟仪器程序的编写，此外还涉及程序的动态调用和发布应用程序等内容。

关键词：

控制系统；仿真；LabVIEW：

倒立摆；实时交互

SimulationofControlSystemBasedonLabVIEW

Abstract

Intheteachingandexpeiunentalprocessofcontroltheory,theieexistproblemssuchasequipmentshortages，monotonousteaclungmethodsandetc.WecanuseVntualInstnimenttosolvetheseproblemseffectively.Thispapermtroducesthesignificanceandlesearclistatusofthecontrolsystemsunulation,putsfonvaidanddetennmestheimplementschemeoftheContiolSystemSimulationBasedonLabVIEW.UseNPsproducts（LabVIEW2009,ContiolDesignToolkit）assoftwaredevelopmenttoolstorealizecomputersunulationofthecontrolsystemmodeling,analysisanddesignprocess.Afterwritingpiogramsandpublisluiigapplications,wecanachieveaninteiactiveexpeiimentalandteachingsystem・Thesystemconsistsoffoursub-modules:

signalgeneratoi;typicalelements,themass-spimg-dampei-systemandthesinglemvertedpendulumsystem・Userscandoleseaichincontiolsystemmodeling,peifonnanceanalysis,PIDdesign,LQRdesignandotheraspects・Eachsub-moduleofthesysteminnswell,thewholesystemhasthefeaturesasfollows:

simple,fiiendlvinteiiaceandieal-tuneinteiactive.Itwillprovidetheteachingandexperimentfieldwithrefomiandumovation・

Thispaperdescribesthethinkinganddesignprocessofthesystemindetails.Theoreticalanalysisandalgontlmianalysisfbithesub-moduleandVutualInstnimentpiogiamswfitmgaxethemainpaits.Italsodiscussesthedynamicpiogrammvocationandpublishingapplicationsandsoon.

Keywords:

ControlSystem;Simulation;LabVIEW;InvertedPendulum;Real-Tunehiteraction

1绪论

1.1课题背景

1

・・・・・-1

-2

1.2控制系统仿真的意义

13控制系统仿真的研究现状

1.4本课题研究内容-2

2LabVIEW概述-4

2.1虚拟仪器技术-4

2.2控制设计工具包-5

3系统方案的选定-7

3.1系统概述-7

3.2系统方案的比较与选定-7

3.3系统子模块的规划-9

4系统设计-10

4.1信号发生器-10

4.1.1确定方案-10

4.1.2VI设计-10

4.2典型环节-13

4.2.1建模及理论分析-13

4.2.2VI设计-14

4.3质点一弹簧一阻尼器系统-18

4.3.1建模与模型转换及其VI设计-18

4.3.2模型分析及其VI设计-21

4.3.3PLD设计及其VI设计-25

4.4一级倒立摆系统-29

4.4.1建模与分析及其VI设计-30

4.4.2LQR设计及其VI设计-36

4.4.3实时仿真及其VI设计-41

4.5动态调用VI的设计-44

4.5.1VI的动态调用-44

4.5.2VI设计-45

5发布应用程序-47

5.1生成独立可执行应用程序-47

5.2生成安装程序-49

6总结和展望-52

6.1总结-52

6.2展望-52

参考文献-53

附录-55

致谢-70

1绪论

1.1课题背景

控制理论是众多工科专业普遍开设的一门专业基础课，由于控制理论较抽象、课堂教学手段单一，学生接受起来较为困难。

而随着高等教育规模的不断扩大，原有教学仪器设备资源相对短缺，也无法满足实验教学的需要。

旧的实验教学模式越來越不适应时代发展的要求，教学和实验的体制和模式的改革势在必行。

在控制理论教学中，实验能够使学生加深对所学知识的理解，提高将理论应用于实践的能力，是教学活动中不可缺少的环节，对于培养学生的综合素质和实践技能都至关重要。

釆用虚拟实验的方式，一方面能够给学生提供更充分的时间和更多的机会來接触和研究所做的实验，打破了传统的实验模式，给学生更多思考和分析时间，培养学生理论联系实际的思维方式；另一方面由于虚拟实验可以为硬件（实验设备）和软件（数据分析）的结合，这样可以激发学生的兴趣來自己设计和改进虚拟实验的程序，给他们更多的自主性，调动创新意识，培养创新能力。

本课题是基于虚拟仪器技术，开发一种交互式实验教学模块，实现常见的典型控制系统的仿真。

输入相关参数，即可得出仿真结果；将抽象的、静态的理论知识转化为具体的、动态的演示模型。

根据教学需要，将控制理论中常见的、典型的实例利用相关软件工具（如LabVIEW、MATLAB等）实现建模、分析、设计过程的仿真，一方面有利于理论教学工作的开展；另一方面对于实验教学会起到一定的指导作用；此外控制系统的综合设计也将有利于学生综合学握控制理论，而不是将控制理论看作章节割裂的理论。

以上几点对于教学实际具有非常现实的意义。

1.2控制系统仿真的意义

随着计算机仿真理论与技术的发展，目前各个科学与工程领域均已开展了仿真技术的研究。

系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在或设计中的系统。

系统仿真技术己经被公认为是一种新的实验手段，在科学与工程领域发挥着越來越重要的作用。

早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出來。

但随着控制理论的迅速发展，只利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计方法。

控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前己达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。

“控制系统仿真”就是利用计算机研究控制系统性能的一门学问，它依赖于现行《自动控制原理》课程的基础知识，但侧重点不同［刃。

控制系统仿真更侧重于控制理论问题的计算机求解，可以解决以往控制原理不能解决的问题，使学生或科研工作者将主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是花费在没有太大价值的底层重复性机械劳动上。

这样可以对控制系统建模、分析、设计过程有较好的整体了解，避免“只见树木，不见森林”的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。

1.3控制系统仿真的研究现状

控制系统仿真的研究与计算机仿真理论与技术的发展是密不可分的，国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：

软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段。

其中影响较大、具有代表性的软件有：

•瑞典Lund工学院Ka/Astrom教授主持开发的一套交互式CACSD软件INTRAC；

•日本的古田胜久（KatsuhisaFumta）教授主持开发的DPACS-F软件

•英国Manchester理工大学的控制系统计算机辅助设计软件包

•英国剑桥大学推出的线性系统分析与设计软件CLADP

•NASALangley研究中心的Aimstrong开发的LQ控制器设计的ORACLS

•美国Mitchell与GauthierAssociate公司推出的仿真语言ACSL

•美国IBM公司开发的仿真语言CSMP

•美国学者CleveMolei等人推出的交互式MATLAB语言

•TheMathWorks公司推出的图形化的基于框图的Smiulnik仿真环境

我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果有：

中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSC软件；清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序；北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和程序，以及中科院沈阳自动化研究所马纪虎研究员主持开发的CSMP-C仿真语言等国。

在上述软件中，MATLAB语言能反映当今系统仿真领域的最高水平，同时也是最实用的软件。

当然，这并不意味着我们在控制系统仿真方面仅仅满足于使用MATLAB语言而不考虑新的可行方案。

例如，LabVIEW控制与仿真工具包既可实现控制系统仿真乂弥补了MATLAB人机界面设计不方便、无法进行端口操作、不能实现实时监控等不足之处，在一定程度上可以替代MATLAB成为控制系统仿真的有力工具。

1.4本课题研究内容

本课题结合控制理论教学与实验的实际需要，选取控制理论中常见的、典型的实例。

应用NI公司的LabVIEW2009.LabVIEW控制设计工具包为软件开发工具，实现控制系统的建模、分析、设计过程的仿真，最终将开发出一种交互式实验教学模块。

主要研究内容有以下几个方面：

（1）控制系统仿真方案的选定

提出“基于LabVIEW的控制系统仿真”的可行性方案并对其进行分析、论证，确定最终的实施方案。

（2）控制理论中典型实例选择与理论分析

选取控制理论教学和实验中常见的、典型的实例，完成其理论方面的建模、分析、设计。

（3）控制模型相应的仿真VI设计

在

（2）的基础上，基于LabV圧W2009平台，使用必要的工具包完成建模、分析、设计的相应的VI设计，完成控制系统仿真的主要程序设计。

（4）程序的动态调用

对⑶中设计的VI进行动态程序控制，实现在程序运行时VI的调用，从而达到将各个子模块集成在一起，形成一个综合的实验教学系统。

（5）应用程序发布

优化人机界面，发布应用程序，生成独立可执行应用程序和安装程序。

2LabVIEW概述

2.1虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是近年来诞生并迅速发展的一种新型网络测控技术，它主要应用于由传感器或其他数据釆集设备得到的数据的远程传输与通信，与一般的信息网络技术不同。

虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义的模式，用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统。

它使测量仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的高度发展和远程虚拟仪器技术的普及，系统的测量、分析、输出、测控等部分可以实现空间上的分离。

1986年，美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp,NI）首先提出了虚拟仪器（ViitualListniment,VI）的概念。

虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得用户在操作这台计算机时，就像是在操作一台专用的传统电子仪器。

虚拟仪器是传统仪器功能与外形的模块化和软件化，通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，也可分为硬件平台和软件平台。

构成虚拟仪器的硬件平台有两大部分：

（1）计算机：

一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。

⑵I/O接口设备：

主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换。

构成虚拟仪器的软件平台包括应用软件和I/O驱动软件：

⑴应用软件。

包含两个方面的程序：

①实现虚拟面板功能的前面板软件程序。

②定义测试功能的流程图软件程序。

⑵接口仪器驱动程序。

这类程序用來完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信［同。

在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。

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的智能化仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越來越强大，目前己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。

虚拟仪器主要是指后一种方式。

图2-1反映了常见的虚拟仪器方案［2】。

被测对象

信口理

数据

数專理

虚拟仪

器面板

图2-1常见的虎拟仪器方案

由于采用了通用的硬件和计算机，使得系统的成本下降，开发周期缩短，维护的成本降低。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下几个特点：

（1）开放性：

在一定的通用硬件模块和软件环境支持下，用户可以根据实际情况设

计出自己的测试方案，以完成不同的测试任务。

（2）模块化：

各种测量数据可以由不同的处理模块进行处理。

（3）可重复性：

传统仪器有使用寿命、使用次数的限制。

而用LabVIEW创建的虚拟仪器，可重复使用，完全不受时间、地点、使用次数的制约。

（4）自定义性：

用户能够根据自己的需要定义仪器功能。

（5）低价位：

现代计算机性能价格比的不断提高，使得越來越多的用户认可并接受虚拟仪器系统。

应用虚拟仪器系统技术，用户可以用较少的资金、时间、系统开发和维护费用，开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。

（6）灵活性：

它可以很方便地通过选择不同的硬件配置和改变软件来实现各种测控功能，使得硬件资源具备了再用性。

虚拟仪器作为现代仪器仪表发展的方向，己迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用己经十分普及。

从90年代开始，国内的一些大学也相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，虚拟仪器的研究也被列为国家自然基金优先资助领域。

今后，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

2.2控制设计工具包

（1）组成

LabVIEW控制设计工具包（ContiolDesignToolkit）共有五部分：

PIDControl工具包、ControlDesignandSmiulation匸具包、SimulationIntedhce工具包、SystemIdentification4.0系统辨识工具包、SignalExpressv3.0（Windows版）交互式测量软件工具包。

本课题主要使用ControlDesignandSimulation工具包，因此在这里重点对该模块作一些介绍。

在正确安装了LabVIEW控制设计工具包后，函数选板中会出现相应的“控制设计与仿真（ControlDesign&Simulation）,,-T选板，其中包含了控制设计与仿真所有的VI库，如图2-2所示：

▼控制设计与仿更

ControlDesign

径制设计与仿宾LSirTiulation

ModelCons...

ModelInfo...ModelCoilv...

Frequency・•・DynamicCh..・

TimeResponse

ModelInte...

m

ModelRedu...

GraphITtil...

State-Spac...

Predictive.•・Implementa..・

Solvers

Analytical...

Utilities

LookupTablesOptimalDe...

SignalGen...

Coniinnous・・・

Trim&Lin..・

Estimation

图2・2控制设计工具包的VI库

控制设计与仿真工具包中所包含的VI库相当丰富，涵盖了控制系统数学模型的建立、转换，各种时域和频域分析方法，以及经典和现代控制理论中所涉及的其他许多分析和设计方法，使得该工具包完全可以成为控制设计和仿真领域内一个独特和强大的工具平台。

（2）特点

LabVIEW控制设计工具包（ContiolDesignToolkit）是一个用于分析、设计和实现控制系统的工具与数学函数集合卩刀。

借助该工具包，可以方便快速地对系统进行建模、转换、分析、求解等各种操作；可将烦琐的计算和绘图过程交给计算机去完成，并快速得到正确的分析结果。

作为NILabVIEW图形化系统设计平台的组成部分，该工具包具有高性能、实时运行及高级Kalman滤波等功能，有助于工程和科研人员快速进行控制系统的设计及最终实现。

新版的LabVIEW控制设计工具包（Version2.1）进一步增强了LabVIEW的图形化开发环境，为控制设计工程人员提供了更加完整的工具组件。

可计算分割I/O延迟，从而实现更加精确的模型和整体增强的闭环系统性能。

该软件还无缝集成了LabVIEW的仿真模块（SimulationModule）,可帮助设计人员描述非线性和连续系统，并完整实现其设计过程的验证。

可用于实现复杂、实时应用系统的建模、分析和设计，适用于汽车、航空、复杂机械控制及硬件在环（hardware-m-the-loop）等应用，其中高级Kalman滤波功能对于无人车辆的实时导航系统非常有用。

（3）与MATLAB控制系统工具箱的比较

LabVIEW控制设计工具包与MATLAB控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）实现的功能很相似。

它们都对控制系统，尤其是线性时不变（LTI）系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案，也避免了繁琐的编程工作，是线性控制系统分析和设计的高效率工具［9】。

在二者基础上都可以进行二次开发，开发出实验教学系统或是CAI课件。

目前研究比较多的是利用MATLAB控制系统工具箱进行二次开发，主要应用到MATLAB软件中的图形用户界面（GUI）设计技术。

与之相比，利用LabVIEW控制设计工具包进行二次开发的优势集中体现为用户界面设计比较方便，开发者可以把精力集中于程序的编写上，这是由LabVIEW软件“所见即所得”的特点所决定的。

3系统方案的选定

3.1系统概述

控制系统仿真系统是一种交互式实验教学系统，对于教学实际具有非常现实的意义。

本文在对该系统的实施方案进行研究的基础上，在LabVIEW平台上完成了系统的开发设计。

该系统具有以下特色：

•涵盖面广：

涵盖了经典控制理论与现代控制理论的大部分内容，涉及控制系统的建模、分析与设计；

•界面友好：

人机界面友好，使用方便，所见即所得。

用户无需了解LabVIEW的相关知识，可直接进行各种虚拟实验操作；

•实时交互：

输入相关参数，即可得出计算机仿真结果，对用户的任何操作都能立即给出反馈。

3.2系统方案的比较与选定

常用的基于LabVIEW的控制系统仿真可选用的方案如下：

（1）LabVIEW+控制设计工具包：

以LabVIEW为开发平台完成系统界面的设计，使用LabVIEW控制设计工具包完成控制系统的建模、分析与设计；

（2）LabVIEW十MATLAB:

以LabVIEW为开发平台完成系统界面的设计，在LabVIEW中调用MATLAB完成控制系统的建模、分析与设计。

两种方案的差别主要体现在LabVIEW和MATLAB的差别上,下面对两种语言的优缺点加以分析：

LabVIEW建立在图形数据流编程语言——G语言上，易于使用，大大简化了过程控制和测试软件的开发。

LabV圧W提供了一个开放型的开发环境，使用图标代替文本代码创建应用程序，拥有大量与其他程序通信的VI库；但是在对各种算法的支持方面,LabVIEW的工具箱有限，这就限制了大型应用程序的快速开发。

MATLAB以其强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库，己成为数学计算工具方面事实上的标准。

MATLAB提供了强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高,几乎在所有工程计算领域都提供了准确、高效的工具箱。

但其界面开发功能较差，并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐卩233】。

根据以上分析，从理论上讲，把LabVIEW与MATLAB结合，即釆用方案

（2）会有一定的优势：

充分利用了MATLAB提供的大量高效可靠的算法和LabVIEW的图形化编程能力。

但该方案在实践过程中存在不少问题，具体体现如下：

（1）混合编程时，在LabVIEW中调用MATLAB会增加计算机负担

常用的调用方法有两种：

①使用MATLABScript节点；②使用ActiveX函数模板⑷。

使用方法①时，须同时运行LabVIEW与MATLAB,通常会干扰LabVIEW前台程序的运行，其至造成程序崩溃；另外程序执行完后，MATLAB也不能自动关闭。

方法②较方法①更为复杂，适用于较大的应用程序开发。

虽然避免了方法①的缺陷，但经常会遇到数据类型的转换，此外在LabVIEW的顺序结构中使用时会使整个程序不能及时处理其他操作。

（2）LabVIEW与MATLAB很难实现无缝对接

这一点主要体现在LabVIEW与MATLAB的数据通信方面。

因为LabVIEW和MATLAB是两种不同的编程语言，有各自的数据类型定义，所以结合应用时必须注意MATLAB脚本节点内外数据类型的匹配。

LabVIEW与MATLAB之间的数据通信仅支持Real、RealVectoi\RealMatiix^Complex>VectoiComplex>Matrix\种格式的数据卩且必须根据具体情况进行选择，否则LabVIEW运行时将产生错误或错误的