【正文】 面廣：涵蓋了經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容，涉及控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)；l 界面友好：人機(jī)界面友好，使用方便，所見即所得。用戶無需了解LabVIEW的相關(guān)知識(shí)，可直接進(jìn)行各種虛擬實(shí)驗(yàn)操作；l 實(shí)時(shí)交互：輸入相關(guān)參數(shù)，即可得出計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，對(duì)用戶的任何操作都能立即給出反饋。 系統(tǒng)方案的比較與選定常用的基于LabVIEW的控制系統(tǒng)仿真可選用的方案如下：(1) LabVIEW + 控制設(shè)計(jì)工具包：以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)完成系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，使用LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包完成控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)；(2) LabVIEW + MATLAB：以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)完成系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，在LabVIEW中調(diào)用MATLAB完成控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)。兩種方案的差別主要體現(xiàn)在LabVIEW和MATLAB的差別上，下面對(duì)兩種語言的優(yōu)缺點(diǎn)加以分析：LabVIEW建立在圖形數(shù)據(jù)流編程語言——G語言上，易于使用，大大簡(jiǎn)化了過程控制和測(cè)試軟件的開發(fā)。LabVIEW提供了一個(gè)開放型的開發(fā)環(huán)境，使用圖標(biāo)代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其他程序通信的VI庫(kù)；但是在對(duì)各種算法的支持方面，LabVIEW的工具箱有限，這就限制了大型應(yīng)用程序的快速開發(fā)。MATLAB以其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫(kù)，已成為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。MATLAB提供了強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和圖形處理功能，編程效率高，幾乎在所有工程計(jì)算領(lǐng)域都提供了準(zhǔn)確、高效的工具箱。但其界面開發(fā)功能較差，并且數(shù)據(jù)輸入、網(wǎng)絡(luò)通信、硬件控制等方面都比較繁瑣[32,33]。根據(jù)以上分析，從理論上講，把LabVIEW與MATLAB結(jié)合，即采用方案(2)會(huì)有一定的優(yōu)勢(shì)：充分利用了MATLAB提供的大量高效可靠的算法和LabVIEW的圖形化編程能力。但該方案在實(shí)踐過程中存在不少問題，具體體現(xiàn)如下：(1) 混合編程時(shí)，在LabVIEW中調(diào)用MATLAB會(huì)增加計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)常用的調(diào)用方法有兩種：①使用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)；②使用ActiveX函數(shù)模板[4]。使用方法①時(shí)，須同時(shí)運(yùn)行LabVIEW與MATLAB，通常會(huì)干擾LabVIEW前臺(tái)程序的運(yùn)行，甚至造成程序崩潰；另外程序執(zhí)行完后，MATLAB也不能自動(dòng)關(guān)閉。方法②較方法①更為復(fù)雜，適用于較大的應(yīng)用程序開發(fā)。雖然避免了方法①的缺陷，但經(jīng)常會(huì)遇到數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，此外在LabVIEW的順序結(jié)構(gòu)中使用時(shí)會(huì)使整個(gè)程序不能及時(shí)處理其他操作。(2) LabVIEW與MATLAB很難實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在LabVIEW與MATLAB的數(shù)據(jù)通信方面。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW和MATLAB是兩種不同的編程語言，有各自的數(shù)據(jù)類型定義，所以結(jié)合應(yīng)用時(shí)必須注意MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)內(nèi)外數(shù)據(jù)類型的匹配。LabVIEW與MATLAB之間的數(shù)據(jù)通信僅支持Real、RealVector、RealMatrix、Complex、VectorComplex、Matrix六種格式的數(shù)據(jù)[3,4]，且必須根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇，否則LabVIEW運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生錯(cuò)誤或錯(cuò)誤的信息。(3) 增加了發(fā)布應(yīng)用程序的困難當(dāng)編寫好應(yīng)用程序以后，用戶并不希望程序只能在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中運(yùn)行。這就需要發(fā)布應(yīng)用程序，生成可執(zhí)行文件或安裝包。在LabVIEW中發(fā)布應(yīng)用程序是比較簡(jiǎn)單的，利用“LabVIEW Application Bulider”這一應(yīng)用程序生成工具可以很方便地完成。但如果采用LabVIEW與MATLAB混合編程，在發(fā)布應(yīng)用程序時(shí)需要加入MATLAB動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等相關(guān)文件，這就增加了發(fā)布應(yīng)用程序的復(fù)雜度與難度，容易導(dǎo)致發(fā)布應(yīng)用程序失敗或運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。鑒于以上各點(diǎn)，并且考慮到本課題所做的程序設(shè)計(jì)并非較大的應(yīng)用程序，針對(duì)方案(1) 作如下分析：l 可以避免LabVIEW與MATLAB混合編程時(shí)引發(fā)的各種問題；l 從功能上講，針對(duì)本設(shè)計(jì)而言，LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包完全可以實(shí)現(xiàn)MATLAB中控制系統(tǒng)工具箱的相關(guān)功能；l 本方案的不足之處主要體現(xiàn)在兩方面上：①編寫程序時(shí)，如果只采用圖形語言，會(huì)造成程序龐大復(fù)雜、可讀性差，尤其是在建立系統(tǒng)模型方面；②程序運(yùn)行時(shí)，在計(jì)算效率、穩(wěn)定可靠性方面較方案(2)稍差。對(duì)于這些不足，在設(shè)計(jì)中可以采用LabVIEW中的MathScript節(jié)點(diǎn)加以彌補(bǔ)。MathScript節(jié)點(diǎn)也是一種基于文本的編程節(jié)點(diǎn)，但其文本描述語言為L(zhǎng)abVIEW MathScript，是一種與MATLAB語言語法非常相似的語言。它與MATLAB的區(qū)別在于：①M(fèi)athScript節(jié)點(diǎn)只支持MATLAB的一部分函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)MATLAB的部分功能；②MathScript節(jié)點(diǎn)是LabVIEW的一部分，不需要再安裝第三方軟件，也不存在于與LabVIEW的對(duì)接問題。因此MathScript節(jié)點(diǎn)在一定程度上（針對(duì)本設(shè)計(jì)已足夠）可取代MATLAB，既解決了本方案的不足，又避免了調(diào)用MATLAB時(shí)引發(fā)的問題。通過上面系統(tǒng)方案的提出、分析比較，可以選定方案(1)作為實(shí)施方案。該方案既滿足設(shè)計(jì)要求，又具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)子模塊的規(guī)劃本課題所開發(fā)的基于LabVIEW的控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)由若干個(gè)子模塊組成，這些子模塊取材于控制理論中的典型實(shí)例。通過對(duì)控制理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中的實(shí)例進(jìn)行篩選，規(guī)劃系統(tǒng)的子模塊如下：(1) 信號(hào)發(fā)生器：實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中典型信號(hào)的產(chǎn)生，為控制系統(tǒng)的分析提供前提；(2) 典型環(huán)節(jié)：建立比例、積分、微分、慣性、振蕩等典型控制環(huán)節(jié)模型，并給出其時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)，作為控制系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)；(3) 質(zhì)點(diǎn)－彈簧－阻尼器系統(tǒng)：對(duì)質(zhì)點(diǎn)－彈簧－阻尼器系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱Mkf系統(tǒng)）進(jìn)行建模及模型轉(zhuǎn)換、時(shí)域與頻域分析、狀態(tài)空間分析、PID設(shè)計(jì)，涵蓋經(jīng)典控制理論的大部分內(nèi)容，涉及現(xiàn)代控制理論的部分內(nèi)容；(4) 一級(jí)倒立擺系統(tǒng)：對(duì)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)空間建模與分析、LQR設(shè)計(jì)、離線仿真、實(shí)時(shí)仿真，涵蓋現(xiàn)代控制理論中線性系統(tǒng)理論的大部分內(nèi)容，涉及最優(yōu)控制理論的部分內(nèi)容。由以上規(guī)劃，可得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖31所示：圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 信號(hào)發(fā)生器 確定方案凡是產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的儀器，統(tǒng)稱為信號(hào)源，也稱為信號(hào)發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測(cè)電路所需特定參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)，可以根據(jù)用戶對(duì)波形的命令來產(chǎn)生信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器有很多種分類方法，因而其實(shí)施方案有許多種?？紤]到本課題所做研究為控制系統(tǒng)仿真方面，因此該信號(hào)發(fā)生器須能產(chǎn)生控制理論中常用的輸入信號(hào)。這里采用的信號(hào)發(fā)生器的案如圖41所示：圖41 信號(hào)發(fā)生器方案該信號(hào)發(fā)生器將實(shí)現(xiàn)基本信號(hào)、典型信號(hào)、公式設(shè)定信號(hào)三大類信號(hào)的發(fā)生。其中基本信號(hào)將包含正弦波、三角波、方波和鋸齒波，典型信號(hào)將包含脈沖信號(hào)、階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)和拋物線信號(hào)，公式設(shè)定信號(hào)將實(shí)現(xiàn)由公式描述的任意信號(hào)。 VI設(shè)計(jì)(1) 程序流程圖信號(hào)發(fā)生器的程序流程圖如圖42所示。程序開始時(shí)，選擇所要產(chǎn)生的信號(hào)類型，然后設(shè)定幅值、頻率、相位等信號(hào)參數(shù)，并設(shè)定采樣率和采樣數(shù)的采樣參數(shù)，之后將生成的波形通過波形圖和波形圖表輸出。如果不按下“停止”按鈕，將重復(fù)執(zhí)行上述操作。用戶更改信號(hào)類型和參數(shù)，可立即獲得相應(yīng)信號(hào)的波形。圖42 信號(hào)發(fā)生器程序流程圖(2) 子VI的選擇本程序中用到的子VI及其功能如表41所示：表41 信號(hào)發(fā)生器程序中用到的VI序號(hào)名稱功能1根據(jù)信號(hào)類型，創(chuàng)建輸出基本函數(shù)波形2通過公式字符串指定要使用的時(shí)間函數(shù)，創(chuàng)建輸出波形3生成包含沖激信號(hào)的數(shù)組(3) 程序設(shè)計(jì)整個(gè)程序構(gòu)成一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，可采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)，加入布爾按鈕控制程序是否停止。信號(hào)類型的選擇可采用兩級(jí)分支結(jié)構(gòu)，利用下拉列表實(shí)現(xiàn)各分支的選擇?；拘盘?hào)通過“”產(chǎn)生、典型信號(hào)中的脈沖信號(hào)利用“”產(chǎn)生，其他信號(hào)則通過“”產(chǎn)生、公式設(shè)定信號(hào)也通過“”產(chǎn)生，其公式可在程序運(yùn)行時(shí)設(shè)定。按照程序流程圖和以上要點(diǎn)，可完成信號(hào)發(fā)生器的VI設(shè)計(jì)，其前面板及程序框圖如圖43所示：圖43 “”的前面板和框圖 典型環(huán)節(jié) 建模及理論分析典型環(huán)節(jié)包括比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、一階微分環(huán)節(jié)、二階微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、二階振蕩環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)，是構(gòu)成控制系統(tǒng)的基本單元，任何一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)總可以看成由一些典型環(huán)節(jié)組合而成[12,14]。因此掌握典型環(huán)節(jié)及其特性，可以更方便地分析復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部各單元間的聯(lián)系。各個(gè)典型環(huán)節(jié)及其形式如表42所示：表42 典型環(huán)節(jié)及其形式名稱傳遞函數(shù)G( s )頻率特性G( jω)比例環(huán)節(jié)KK微分環(huán)節(jié)sjω一階微分環(huán)節(jié)二階微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)二階振蕩環(huán)節(jié)延遲環(huán)節(jié)建立典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型后，可進(jìn)行時(shí)域和頻域的相關(guān)分析。時(shí)域分析主要獲得典型環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)、單位脈沖響應(yīng)、零輸入響應(yīng)以及相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。由于微分環(huán)節(jié)、一階微分環(huán)節(jié)、二階微分環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)發(fā)散，所以對(duì)這些環(huán)節(jié)不作時(shí)域分析。在其他典型環(huán)節(jié)中，慣性環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)的時(shí)域分析最具有意義和價(jià)值。頻域分析可獲得典型環(huán)節(jié)的頻率特性，反映了正弦信號(hào)作用下典型環(huán)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)的性能。在控制工程中，頻率分析法常常是用圖解法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的，常用的頻率特性有三種圖解表示。對(duì)表42中頻率特性G( jω)可進(jìn)一步求出對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)平面中作出曲線，即為Bode圖。以頻率為參變量，將幅頻與相頻特性同時(shí)表示在復(fù)平面上，即得到Nyquist圖（極坐標(biāo)圖）。以頻率為參變量，將對(duì)數(shù)幅頻特性與相頻特性組合成一張圖，縱坐標(biāo)表示對(duì)數(shù)幅值，橫坐標(biāo)表示相應(yīng)的相角，即得到Nichols圖。 VI設(shè)計(jì)(1) 程序流程圖典型環(huán)節(jié)建模與分析的程序流程圖如圖44所示。程序開始時(shí)，選擇所要分析的典型環(huán)節(jié)類型，然后輸入相關(guān)參數(shù)，建立起傳遞函數(shù)模型和零極點(diǎn)增益模型。對(duì)典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型加以顯示，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行時(shí)域分析或頻域分析并將分析結(jié)果顯示出來。如果不按下“停止”按鈕，將重復(fù)執(zhí)行上述操作。用戶重新選擇典型環(huán)節(jié)類型、變更對(duì)應(yīng)的參數(shù)，即可獲得相應(yīng)的系統(tǒng)模型及相關(guān)分析。圖44 典型環(huán)節(jié)建模與分析程序流程圖(2) 子VI的選擇本程序中用到的子VI及其功能如表43所示：表43 典型環(huán)節(jié)建模與分析程序中用到的VI序號(hào)名稱功能1CD Construct Transfer Function 建立傳遞函數(shù)模型2CD Draw Transfer Function 繪出傳遞函數(shù)模型3CD Draw ZeroPoleGain 繪出零極點(diǎn)增益模型4CD Step 計(jì)算系統(tǒng)的階躍響應(yīng)5CD Impulse 計(jì)算系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)6CD Initial 計(jì)算系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)續(xù) 表43序號(hào)名稱功能7CD Parametric Time 計(jì)算系統(tǒng)在指定激勵(lì)（階躍、脈沖或零輸入）下的響應(yīng)信號(hào)及其動(dòng)態(tài)參數(shù)8CD 繪制系統(tǒng)的Bode圖9CD 繪制系統(tǒng)的Nyquist圖10CD 繪制系統(tǒng)的Nichols圖(3) 程序設(shè)計(jì)典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，采用控制設(shè)計(jì)工具包“Model Construction”子VI庫(kù)下的“CD Construct Transfer Function ”就可以很方便的建立起傳遞函數(shù)模型。為方便程序設(shè)計(jì)，可考慮將典型環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T、τ均以T代替，這樣將減少一個(gè)變量，程序中只需引入K、T、ζ三個(gè)變量。采用分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)典型環(huán)節(jié)的選擇，并利用屬性節(jié)點(diǎn)控制這三個(gè)變量所對(duì)應(yīng)的輸入控件的顯示，使得選擇某一個(gè)典型環(huán)節(jié)之后，只顯示出與之對(duì)應(yīng)的參數(shù)，方便用戶的輸入。建立傳遞函數(shù)模型后，將其連接到“CD Draw Transfer Function ”和“CD Draw ZeroPoleGain ”，就可以以圖片的形式顯示出典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型和零極點(diǎn)增益模型。這里給出二階振蕩環(huán)節(jié)建模的子分支程序，如圖45所示，其他典型環(huán)節(jié)建模的子分支程序與之類似。圖45 二階振蕩環(huán)節(jié)建模的程序框圖對(duì)典型環(huán)節(jié)的分析涉及到時(shí)域分析和頻域分析，如果在一個(gè)VI里面實(shí)現(xiàn)，前面板將顯得過于龐大，因此設(shè)計(jì)兩個(gè)VI分別實(shí)現(xiàn)時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析由于涉及脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)和零輸入響應(yīng)，可采用分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，采用下拉列表實(shí)現(xiàn)三個(gè)分支的選擇。將系統(tǒng)模型直接連接到“CD Step ”、“CD Impulse ”和“CD Initial ”，三個(gè)子VI的輸出端“Step Response Graph”、“Impulse Response Graph”和“Initial Response Graph”均連接到“XY圖”控件，用于顯示系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)曲線，采用2個(gè)“XY圖”控件，分別以單曲線形式和多曲線形式顯示。考慮到還需要獲得相應(yīng)的響應(yīng)指標(biāo)，可將系統(tǒng)模型和時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)連接至“CD Parametric Time ”， 該VI將計(jì)算出系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。由此設(shè)計(jì)出的時(shí)域分析子程序如圖46所示： 圖46 時(shí)域分析子程序框圖這段時(shí)域響應(yīng)程序在后面的程序設(shè)計(jì)中還會(huì)多次用到，因此將其用順序結(jié)構(gòu)做成一個(gè)模塊，用到的時(shí)候稍作修改即可使用。將可進(jìn)行時(shí)域分析的典型環(huán)節(jié)的模型連接到該模塊，即可完成典型環(huán)節(jié)時(shí)域分析的VI設(shè)計(jì)，其前面板及程序框圖如圖47所示：（a）（b）圖47 “”的前面板和框圖對(duì)典型環(huán)節(jié)的頻域分析只需將典型環(huán)節(jié)的模型連接到“CD ”、“CD ”和“CD ”，它們的輸出端連接到“XY圖”控件，便可獲得典型環(huán)節(jié)的Bode圖、Nyquist圖和Nichols圖。頻域分析VI的前面板及程序框圖如圖48所示：（a）（b）圖48 “”的前面板和框圖 質(zhì)點(diǎn)－彈簧－阻尼器系統(tǒng) 建模與模型轉(zhuǎn)換及其VI設(shè)計(jì)(一) 建模與模型轉(zhuǎn)換質(zhì)點(diǎn)－彈簧－阻尼器系統(tǒng)[6,16]（簡(jiǎn)稱Mkf系統(tǒng)，下同）如圖49所示：圖49 質(zhì)點(diǎn)－彈