【正文】 修改軟件的方法很方便地改變?cè)鰷p儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向粗略地說這種結(jié)合有兩種方式一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器其典型的例子就是所謂的智能化儀器隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小這類儀器功能也越來越強(qiáng)大目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)以通 用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托實(shí)現(xiàn)各種儀器功能虛擬儀器主要是指后一種方式圖 21 反映了常見的虛擬儀器方案 [2] 圖 21 常見的虛擬儀器方案 由于采用了通用的硬件和計(jì)算機(jī)使得系統(tǒng)的成本下降開發(fā)周期縮短維護(hù)的成本降低與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器具有以下幾個(gè)特點(diǎn) 開放性在一定的通用硬件模塊和軟件環(huán)境支持下用戶可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出自己的測(cè)試方案以完成不同的測(cè)試任務(wù) 模塊化各種測(cè)量數(shù)據(jù)可以由不同的處理模塊進(jìn)行處理 可重復(fù)性傳統(tǒng)儀器有使用壽命使用次數(shù)的限制而用 LabVIEW 創(chuàng)建的虛擬儀器可重復(fù)使用完全不受時(shí)間地點(diǎn)使用次數(shù) 的制約 自定義性用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能 低價(jià)位現(xiàn)代計(jì)算機(jī)性能價(jià)格比的不斷提高使得越來越多的用戶認(rèn)可并接受虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)技術(shù)用戶可以用較少的資金時(shí)間系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用開發(fā)出功能更強(qiáng)質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品和系統(tǒng) 靈活性它可以很方便地通過選擇不同的硬件配置和改變軟件來實(shí)現(xiàn)各種測(cè)控功能使得硬件資源具備了再用性 虛擬儀器作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向己迅速成為一種新的產(chǎn)業(yè)尤其在發(fā)達(dá)國(guó)家中發(fā)展更快其設(shè)計(jì)生產(chǎn)和使用己經(jīng)十分普及從 90 年代開始國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)也相繼開展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作虛擬儀器的研 究也被列為國(guó)家自然基金優(yōu)先資助領(lǐng)域今后虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流 22 控制設(shè)計(jì)工具包 組成 LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包 Control Design Toolkit 共有五部分 PID Control工具包 Control Design and Simulation 工具包 Simulation Interface 工具包System Identification 40 系統(tǒng)辨識(shí)工具包 SignalExpress v30 Windows 版 交互式測(cè)量軟件工具包本課題主要使用 Control Design and Simulation 工具包因此在這里重點(diǎn)對(duì)該模塊作一些介紹 在正確安裝了 LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包后函數(shù)選板中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的控制設(shè)計(jì)與仿真 Control DesignSimulation 子選板其中包含了控制設(shè)計(jì)與仿真所有的 VI 庫(kù)如圖 2所示 圖 22 控制設(shè)計(jì)工具包的 VI 庫(kù) 控制設(shè)計(jì)與仿真工具包中所包含的 VI 庫(kù)相當(dāng)豐富涵蓋了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立轉(zhuǎn)換各種時(shí)域和頻域分析方法以及經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論中所涉及的其他許多分析和設(shè)計(jì)方法使得該工具包完全可以成為控制設(shè)計(jì)和仿真領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)獨(dú)特 和強(qiáng)大的工具平臺(tái) 特點(diǎn) LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包 Control Design Toolkit 是一個(gè)用于分析設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的工具與數(shù)學(xué)函數(shù)集合 [37]借助該工具包可以方便快速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模轉(zhuǎn)換分析求解等各種操作可將煩瑣的計(jì)算和繪圖過程交給計(jì)算機(jī)去完成并快速得到正確的分析結(jié)果作為 NI LabVIEW 圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的組成部分該工具包具有高性能實(shí)時(shí)運(yùn)行及高級(jí) Kalman 濾波等功能有助于工程和科研人員快速進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及最終實(shí)現(xiàn) 新版的 LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包 Version 21 進(jìn)一步增 強(qiáng)了 LabVIEW的圖形化開發(fā)環(huán)境為控制設(shè)計(jì)工程人員提供了更加完整的工具組件可計(jì)算分割 IO 延遲從而實(shí)現(xiàn)更加精確的模型和整體增強(qiáng)的閉環(huán)系統(tǒng)性能該軟件還無縫集成了LabVIEW 的仿真模塊 Simulation Module 可幫助設(shè)計(jì)人員描述非線性和連續(xù)系統(tǒng)并完整實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)過程的驗(yàn)證可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的建模分析和設(shè)計(jì)適用于汽車航空復(fù)雜機(jī)械控制及硬件在環(huán) hardwareintheloop 等應(yīng)用其中高級(jí) Kalman 濾波功能對(duì)于無人車輛的實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)非常有用 與 MATLAB 控制系統(tǒng)工具箱的比較 LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包與 MATLAB 控制系統(tǒng)工具箱 Control System Toolbox 實(shí)現(xiàn)的功能很相似它們都對(duì)控制系統(tǒng)尤其是線性時(shí)不變 LTI 系統(tǒng)的建模分析和設(shè)計(jì)提供了一個(gè)完整的解決方案也避免了繁瑣的編程工作是線性控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的高效率工具 [9]在二者基礎(chǔ)上都可以進(jìn)行二次開發(fā)開發(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 控制系統(tǒng)工具箱進(jìn)行二次開發(fā)主要應(yīng)用到 MATLAB 軟件中的圖形用戶界面 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)行二次開發(fā)的優(yōu)勢(shì)集中 體現(xiàn)為用戶界面設(shè)計(jì)比較方便開發(fā)者可以把精力集中于程序的編寫上這是由 LabVIEW 軟件所見即所得的特點(diǎn)所決定的 3 系統(tǒng)方案的選定 31 系統(tǒng)概述 控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)是一種交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)于教學(xué)實(shí)際具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義本文在對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)施方案進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上在 LabVIEW 平臺(tái)上完成了系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)具有以下特色 涵蓋面廣涵蓋了經(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) 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 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 32 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 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) 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 [3233] 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 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 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)?LabVIEW 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RealRealVectorRealMatrixComplexVectorComplexMatrix 六種格式的數(shù)據(jù) [34]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 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 可以避免 LabVIEW 與 MATLAB 混合編程時(shí)引發(fā)的各種問題 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 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 LabVIEW 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① MathScript 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② MathScript 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) 33 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 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 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) 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 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) 41 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)施方案有許多種考慮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) 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 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 基本函數(shù)發(fā)生器 vi 根據(jù)信號(hào)類型創(chuàng)建輸出基本函數(shù)波形 2 公式波形 vi 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 沖激函數(shù) vi 生成包含沖激信號(hào)的數(shù)組 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)各分支的選擇基本信號(hào)通過基本函數(shù)發(fā)生器 vi產(chǎn)生典型信號(hào)中的脈沖信號(hào)利用沖激函數(shù) vi產(chǎn)生其他信號(hào)則通過公式波形 vi產(chǎn)生公式設(shè)定信號(hào)也通過公式波形 vi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 信號(hào)發(fā)生器 VI 的前面板和框圖 42 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