基于Labview的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

設(shè)計(jì)與仿真 摘要電子測(cè)量和計(jì)算機(jī)測(cè)試的先進(jìn)技在控制理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,存在著諸多的問(wèn)題,如設(shè)備短缺,單調(diào)的地解決這些問(wèn)題．本文介紹了基發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì),這一系列過(guò)程可在計(jì)算機(jī)中仿設(shè)計(jì)仿真模塊，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的典型控系統(tǒng)的每一個(gè)子模塊和虛擬儀器程序編ABSTRACT 2.2虛擬儀器(VI) 7虛擬儀器的概念 7 3.2.1傳遞函數(shù)模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng) 18 第1章緒論1.1課題背景開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，由于控制理論較生接受起來(lái)較為困難．而隨著高等教育規(guī)模的時(shí)代發(fā)展的要求，教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的體制和模式的改革勢(shì)在必行[1]．使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高將理活動(dòng)中不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，一方面能夠給學(xué)生提供接觸和研究所做的實(shí)驗(yàn)，打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)ｉg，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維方式；另一方面由于虛擬實(shí)驗(yàn)可以為硬件(實(shí)驗(yàn)設(shè)備)和軟件(數(shù)據(jù)分析)的結(jié)合，這設(shè)計(jì)和改進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)的程序，給他們更多的自主性，調(diào)動(dòng)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力[2]．見(jiàn)的典型控制系統(tǒng)的仿真．輸入相象的、靜態(tài)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的、動(dòng)控制理論中常見(jiàn)的、典型的實(shí)例利用相關(guān)軟件工具(如Labview、MATLAB等)實(shí)現(xiàn)建模、分析、設(shè)計(jì)過(guò)程的仿真，；另一方面對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)起到一定的指也將有利于學(xué)生綜合掌握控制理論，而不論．以上幾點(diǎn)對(duì)于教學(xué)實(shí)際具有非常現(xiàn)實(shí)的1.2控制系統(tǒng)仿真的意義是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)，研究一個(gè)存在或設(shè)經(jīng)被公認(rèn)為是一種新的實(shí)驗(yàn)手段，在科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[2]．容易地計(jì)算出來(lái)．但隨著控制理等簡(jiǎn)單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相側(cè)力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是花費(fèi)、器設(shè)計(jì)的效率和可靠性[4]．1.3控制系統(tǒng)仿真的研究現(xiàn)狀仿真理論與技術(shù)的發(fā)展是密不可分的，國(guó)對(duì)象的程序環(huán)境階段．其中影響較大、具有代L美國(guó)學(xué)者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB語(yǔ)言輔助設(shè)計(jì)成果有：中科院系統(tǒng)科CADCSC院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所馬紀(jì)虎研究員主持僅滿w實(shí)時(shí)監(jiān)控等不足之處，在一定程度上可以替代1.4本課題研究?jī)?nèi)容析、設(shè)計(jì)過(guò)程的仿真．主要研究?jī)?nèi)容有見(jiàn)的、典型的實(shí)例，完成其理論方面的建(3)控制模型相應(yīng)的仿真VI設(shè)計(jì)1.5本章小結(jié)系統(tǒng)仿真的意義、控制系統(tǒng)仿真的課題是基于虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的典，即可得出仿真結(jié)果；將抽象的、靜態(tài)的第2章Labview軟件介紹程語(yǔ)言是他的最大的特點(diǎn)．常見(jiàn)的編程語(yǔ)言(如C、Java、VB等)都是文本方法雖然各不相同，但都有一個(gè)共同特點(diǎn)：都表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地址或?qū)?shù)據(jù)的各種操作；再完整的對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)的賦值、計(jì)算等操作．文本順序來(lái)判斷哪些程序先執(zhí)行，哪些后執(zhí)行；但是數(shù)據(jù)流編程方式是Labview采用的方式，程序的執(zhí)行順序由程序框圖中節(jié)線來(lái)表示[6]．Labview平臺(tái)提供了很多的控件，這與傳統(tǒng)儀器(如萬(wàn)用表、示波器)外使用連線和圖表，用戶界面上對(duì)象通過(guò)編程的序框圖中每一個(gè)對(duì)象相對(duì)應(yīng)，控件會(huì)根據(jù)自己示出數(shù)據(jù)當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)的時(shí)候，例如圖形，數(shù)中的儀器，例如示波器與萬(wàn)用表顯示、分析和數(shù)據(jù)采集等．這些工具都，參數(shù)的設(shè)置和儀器的連接就但是我們不需要去花時(shí)間來(lái)記住這些函數(shù)，這些函數(shù)被集成在到需要的函數(shù)，再把它拖到程序框圖中就完成了．沒(méi)有圖形化的工業(yè)界、研究實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界廣泛地使用Labview這個(gè)軟件，把它當(dāng)作2.2虛擬儀器(VI)虛擬儀器的概念卡插在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，再配上一段Labview程序，就成了一臺(tái)可以完成一定能而依托通用的計(jì)算機(jī)硬件和操作．虛擬儀器可以用來(lái)完成仿真、控制、測(cè)NI公司提出了虛擬儀器理念的核心思想即“軟件即是儀器”概念．被這部件可以是傳感器、數(shù)據(jù)采集板(DAQ)、模塊化儀器或獨(dú)立儀器．NI提供圖像采集產(chǎn)品和軟件產(chǎn)品(如Labview)等．來(lái)具有四個(gè)優(yōu)勢(shì)[11]：在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的虛擬儀器技術(shù)包含了現(xiàn)代PC技術(shù)的優(yōu)技術(shù)得益于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)正少量硬件上面的投入和極少甚至不需要術(shù)集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備中，這將最終的系統(tǒng)．隨著產(chǎn)品功能的不不同設(shè)備把多個(gè)測(cè)量單化[12]．在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界中普遍使用Labview作為儀器分析軟件、控制軟件和工程應(yīng)用和科學(xué)研究領(lǐng)域使用是很理想豐富的函數(shù)庫(kù)可以便捷快速地搭建功能復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)．?dāng)?shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)和圖形化編程是Labview編程語(yǔ)言最主要的兩個(gè)等)都是文本編程語(yǔ)言，它們使用的領(lǐng)域和方法雖然各不相同，但都有一個(gè)單詞，用單詞指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地址或?qū)?shù)據(jù)的，用語(yǔ)句表示完整的對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)的賦值、計(jì)算的．文字就可以表達(dá)豐富的含義；它，標(biāo)就可以調(diào)整和選擇應(yīng)用程序的界面，直接看到程序運(yùn)行時(shí)的結(jié)這樣的編程語(yǔ)言仍不能被稱為圖形的編程語(yǔ)言，他們?cè)谠O(shè)計(jì)界面面設(shè)計(jì)時(shí)采用了與其他高級(jí)語(yǔ)言類似的圖形化方式，更重要的是Labview各樣的小圖形塊而文本．這種全新的編程方式由于圖形比文字更為直觀，因而view在Labview軟件啟動(dòng)時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)未命名的前面板窗口．該窗口是VIiew框圖，其中包含了各種以圖形方式(諸如圖標(biāo)、連線等)表示的程序代碼．圖形對(duì)象組成了前面板和程序框圖．前面板提供了了很多指示器和控件(即輸出和輸入)．前面板上的指示器和控件對(duì)應(yīng)于程序框圖中包含的端子，程序框圖中還提供連線、結(jié)構(gòu)、子VI、函數(shù)以及常量．程序的控制元素(比如While循環(huán)和For循環(huán))是結(jié)構(gòu)．VI實(shí)例的前面板，前面板表示條、儀器上的輸入設(shè)備類型，如開(kāi)關(guān)和旋鈕，并通送到程序框圖．指示器包括字符串指示器、數(shù)系統(tǒng)的前面板前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳統(tǒng)儀器面板，用項(xiàng)板等，如框圖中所示的各部分，由框圖組成的圖形對(duì)象共同構(gòu)的程序代碼．而此處并不是一般的文本程序代碼，而是圖形化編程的圖標(biāo)語(yǔ)言．所以Labview的框圖(表面上類似于計(jì)算機(jī)程序流程圖)與言中的文本行相對(duì)應(yīng)．事實(shí)上，框圖是實(shí)際的可執(zhí)行代碼，編程編譯，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)則立即反饋，例如不兼容的數(shù)據(jù)類型連線錯(cuò)通過(guò)將完成特定功能的對(duì)象連接在一起構(gòu)建出來(lái)的．框圖的組件系統(tǒng)程序框圖圖標(biāo)是VI圖形的符號(hào)，連接器則用來(lái)定義輸入和輸出的，每一個(gè)VI都數(shù)的過(guò)程是編程一般步驟，與煩瑣枯燥2-5所示的是一個(gè)子VI的圖標(biāo)和圖2-5虛擬儀器(VI)的圖標(biāo)和連接器器的操作和顯示面板就相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示和參數(shù)的設(shè)置，程序框圖就像是參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算而得到結(jié)果并輸出，而圖標(biāo)和連件．這些東西組合在一起，使儀器能夠提供用2數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)對(duì)其進(jìn)行處理，再把結(jié)果傳給輸出端連線．為了符合數(shù)據(jù)流的概念，多數(shù)情況下Labview函數(shù)(或子VI)使用的傳遞參數(shù)方數(shù)據(jù)在連線上流動(dòng)，遇到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，便一股腦都如數(shù)據(jù)線分叉的時(shí)候，數(shù)據(jù)便生成一個(gè)副本，這連線上按照設(shè)定的方向移動(dòng)，圖中液罐的體積運(yùn)算過(guò)后再把結(jié)果發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這就是驅(qū)動(dòng)方式試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的支持．至今，使用Labview可以非常便捷地控制這驅(qū)動(dòng)程序．用戶也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的Labview所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)之上再開(kāi)發(fā)程序就容時(shí)甚至只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用工具包中的函數(shù)，就可以組成一個(gè)完整這功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的果項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)踐緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用虛擬儀器，以縮短開(kāi)發(fā)個(gè)硬件設(shè)備之上運(yùn)行，也可以優(yōu)先考2.5控制設(shè)計(jì)工具包圖2-7控制設(shè)計(jì)工具包的VI庫(kù)域分析方法，以及經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論，使得該工具包完全可以成為控制設(shè)計(jì)種操作；可將煩瑣的計(jì)算和繪圖過(guò)程N(yùn)ILabview工程人員提供了更加完整的工具組件．可計(jì)算現(xiàn)其設(shè)計(jì)過(guò)程的驗(yàn)證．可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、實(shí)時(shí)，適用于汽車、航空、復(fù)雜機(jī)械控制及硬件在MATLAB制系統(tǒng)工具箱的比較em分析和設(shè)計(jì)的高效率工具．在二者基礎(chǔ)上都可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)或是CAI課件．目前研究比較多的是利用MATLAB(GUI)設(shè)計(jì)技術(shù)．與之相比，利用Labview控制設(shè)計(jì)工具包進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的優(yōu)戶界面設(shè)計(jì)比較方便，開(kāi)發(fā)者可以把精力集中于程序的編寫2.6本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了NI公司的Labview軟件，以及它的編程語(yǔ)言和應(yīng)用領(lǐng)域．其中最關(guān)鍵的是Labview軟件中的工具模塊．本課題主要用到的是控制介紹了控制設(shè)計(jì)工具包第3章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真圖的控制設(shè)計(jì)與仿真選板中找到如圖計(jì)模塊遞函數(shù)模型輸出傳遞函數(shù)前面板中，也可以連接到其它函數(shù)系數(shù)的系數(shù)，……擬儀器包括控制設(shè)計(jì)階躍響應(yīng)和控制設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)的后面板模型的階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)的前面板不同們所表征的系統(tǒng)性能是一致的．通常以單在一個(gè)統(tǒng)一的基礎(chǔ)上對(duì)各種控制系統(tǒng)的性1波特圖曲線的波特圖曲線，其輸入是一個(gè)開(kāi)環(huán)模響應(yīng)進(jìn)入轉(zhuǎn)折點(diǎn)，幅值最大，而相位為0°．2奈奎斯特曲線3.4動(dòng)態(tài)特性選板如根軌跡、直流增益、時(shí)間響應(yīng)參1根軌跡曲線根軌跡是指當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中的某個(gè)參數(shù)(通常為開(kāi)環(huán)根軌跡增益)窮時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程的根在[s]上的運(yùn)動(dòng)軌跡．通常可利圖可以比較簡(jiǎn)單、直觀地分析參數(shù)的變動(dòng)態(tài)性能等．而且還可利用開(kāi)環(huán)零、極標(biāo)要求的系統(tǒng)．此外根據(jù)確定的閉環(huán)極值，這個(gè)多項(xiàng)式形式的函數(shù)接受任何模虛擬儀器的指示器的創(chuàng)建方法與CDNYQuist相同，同時(shí)坐標(biāo)的類型只能在3.5鍋爐液位控制系統(tǒng)的校正與比較蒸汽的設(shè)備，為了保持生產(chǎn)的正常運(yùn)值．鍋爐液位過(guò)低，易燒干鍋而引發(fā)嚴(yán)重證鍋爐正常安全的運(yùn)行．常見(jiàn)的鍋爐液位控然變大或減小，液位就會(huì)下降或上升；或測(cè)量值擾動(dòng)正常給定液位發(fā)生偏差，調(diào)節(jié)器均應(yīng)測(cè)量值擾動(dòng)擾動(dòng)是指給水壓力變化或蒸汽負(fù)荷變化等壓變送器，用來(lái)測(cè)量鍋爐的液位，并轉(zhuǎn)變是鍋爐液位控制系統(tǒng)中的控制器，在調(diào)節(jié)較，得出偏差值，然后根據(jù)偏差情況按一動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中起執(zhí)+偏差值水+偏差值水值對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，可以假設(shè)鍋爐控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)錯(cuò)誤!未找到K且動(dòng)所以我對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了串聯(lián)校正，使得系E(s)G(s)cK3.6本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了Labview軟件的控制設(shè)計(jì)工具包，并且根據(jù)工具包的功．主要有傳遞函數(shù)模型的階躍響應(yīng)和脈統(tǒng)的增益和相位余量和根軌跡．對(duì)鍋爐通過(guò)校正使得鍋爐液位控制系統(tǒng)能更好第4章結(jié)論與展望軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是真正面向科學(xué)家和工程師的編程語(yǔ)言．虛子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、生物等工程領(lǐng)域的測(cè)試、測(cè)量及自動(dòng)儀器是當(dāng)今測(cè)控技術(shù)發(fā)展的必然道路．另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將來(lái)嶄露頭