【正文】 修改軟件的方法很方便地改變增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向粗略地說這種結(jié)合有兩種方式一種是將計算機裝入儀器其典型的例子就是所謂的智能化儀器隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小這類儀器功能也越來越強大目前已經(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算機以通 用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托實現(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算機使得系統(tǒng)的成本下降開發(fā)周期縮短維護的成本降低與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器具有以下幾個特點 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)實際情況設(shè)計出自己的測試方案以完成不同的測試任務(wù) 模塊化各種測量數(shù)據(jù)可以由不同的處理模塊進行處理 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)使用完全不受時間地點使用次數(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 低價位現(xiàn)代計算機性能價格比的不斷提高使得越來越多的用戶認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間系統(tǒng)開發(fā)和維護費用開發(fā)出功能更強質(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現(xiàn)各種測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)達國家中發(fā)展更快其設(shè)計生產(chǎn)和使用己經(jīng)十分普及從 90 年代開始國內(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 究也被列為國家自然基金優(yōu)先資助領(lǐng)域今后虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流 22 控制設(shè)計工具包 組成 LabVIEW控制設(shè)計工具包 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)辨識工具包 SignalExpress v30 Windows 版 交互式測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對該模塊作一些介紹 在正確安裝了 LabVIEW 控制設(shè)計工具包后函數(shù)選板中會出現(xiàn)相應(yīng)的控制設(shè)計與仿真 Control DesignSimulation 子選板其中包含了控制設(shè)計與仿真所有的 VI 庫如圖 2所示 圖 22 控制設(shè)計工具包的 VI 庫 控制設(shè)計與仿真工具包中所包含的 VI 庫相當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)計方法使得該工具包完全可以成為控制設(shè)計和仿真領(lǐng)域內(nèi)一個獨特 和強大的工具平臺 特點 LabVIEW 控制設(shè)計工具包 Control Design Toolkit 是一個用于分析設(shè)計和實現(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系統(tǒng)進行建模轉(zhuǎn)換分析求解等各種操作可將煩瑣的計算和繪圖過程交給計算機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)計平臺的組成部分該工具包具有高性能實時運行及高級 Kalman 濾波等功能有助于工程和科研人員快速進行控制系統(tǒng)的設(shè)計及最終實現(xiàn) 新版的 LabVIEW控制設(shè)計工具包 Version 21 進一步增 強了 LabVIEW的圖形化開發(fā)環(huán)境為控制設(shè)計工程人員提供了更加完整的工具組件可計算分割 IO 延遲從而實現(xiàn)更加精確的模型和整體增強的閉環(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)計人員描述非線性和連續(xù)系統(tǒng)并完整實現(xiàn)其設(shè)計過程的驗證可用于實現(xiàn)復(fù)雜實時應(yīng)用系統(tǒng)的建模分析和設(shè)計適用于汽車航空復(fù)雜機械控制及硬件在環(huán) hardwareintheloop 等應(yīng)用其中高級 Kalman 濾波功能對于無人車輛的實時導(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)計工具包與 MATLAB 控制系統(tǒng)工具箱 Control System Toolbox 實現(xiàn)的功能很相似它們都對控制系統(tǒng)尤其是線性時不變 LTI 系統(tǒng)的建模分析和設(shè)計提供了一個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)計的高效率工具 [9]在二者基礎(chǔ)上都可以進行二次開發(fā)開發(fā)出實驗教學(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)計技術(shù)與之相比利用LabVIEW 控制設(shè)計工具包進行二次開發(fā)的優(yōu)勢集中 體現(xiàn)為用戶界面設(shè)計比較方便開發(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)是一種交互式實驗教學(xué)系統(tǒng)對于教學(xué)實際具有非常現(xiàn)實的意義本文在對該系統(tǒng)的實施方案進行研究的基礎(chǔ)上在 LabVIEW 平臺上完成了系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計 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 界面友好人機界面友好使用方便所見即所得用戶無需了解 LabVIEW 的相關(guān)知識可直接進行各種虛擬實驗操作 實時交互 輸入相關(guān)參數(shù)即可得出計算機仿真結(jié)果對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)計工具包以 LabVIEW 為開發(fā)平臺完成系統(tǒng)界面的設(shè)計使用LabVIEW 控制設(shè)計工具包完成控制系統(tǒng)的建模分析與設(shè)計 LabVIEW MATLAB以 LabVIEW為開發(fā)平臺完成系統(tǒng)界面的設(shè)計在 LabVIEW中調(diào)用 MATLAB 完成控制系統(tǒng)的建模分析與設(shè)計 兩種方案的差別主要體現(xiàn)在 LabVIEW 和 MATLAB 的差別上下面對兩種語言的優(yōu)缺點加 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化了過程控制和測試軟件的開發(fā) LabVIEW 提供了一個開放型的開發(fā)環(huán)境使用圖標代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序擁有大量與其他程序通信的 VI 庫但是在對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 以其強大的科學(xué)計算功能大量穩(wěn)定可靠的算法庫已成為數(shù)學(xué)計算工具方面事實上的標準 MATLAB 提供了強大的矩陣運算和圖形處理功能編程效率高幾乎在所有工程計算領(lǐng)域都提供了準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 會有一定的優(yōu)勢充分利用了 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踐過程中存在不少問題具體體現(xiàn)如下 混合編程時在 LabVIEW 中調(diào)用 MATLAB 會增加計算機負擔 常用的調(diào)用方法有兩種①使用 MATLAB Script節(jié)點②使用 ActiveX函數(shù)模板[4]使用方法①時須同時運行 LabVIEW與 MATLAB通常會干擾 LabVIEW前臺程序的運行甚至造成程序崩潰另外程 序執(zhí)行完后 MATLAB 也不能自動關(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)中使用時會使整個程序不能及時處理其他操作 LabVIEW 與 MATLAB 很難實現(xiàn)無縫對接 這一點主要體現(xiàn)在 LabVIEW 與 MATLAB 的數(shù)據(jù)通信方面因為 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)用時必須注意MATLAB腳本節(jié)點內(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)具體情況進行選擇否則 LabVIEW 運行時將產(chǎn)生錯誤或錯誤的信息 增加了發(fā)布應(yīng)用程序的困難 當編寫好應(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)用程序時需要加 入MATLAB 動態(tài)鏈接庫等相關(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)用程序失敗或運行結(jié)果錯誤 鑒于以上各點并且考慮到本課題所做的程序設(shè)計并非較大的應(yīng)用程序針對方案 1 作如下分析 可以避免 LabVIEW 與 MATLAB 混合編程時引發(fā)的各種問題 從功能上講針對本設(shè)計而言 LabVIEW 控制設(shè)計工具包完全可以實現(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編寫程序時如果只采用圖形語言會造成程序龐大復(fù)雜可讀性差尤其是在建立系統(tǒng)模型方面②程序運行時在計算效率穩(wěn)定可靠性方 面較方案 2 稍差對于這些不足在設(shè)計中可以采用 LabVIEW 中的 MathScript節(jié)點加以彌補 MathScript節(jié)點也是一種基于文本的編程節(jié)點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)點只支持 MATLAB 的一部分函數(shù)可實現(xiàn)MATLAB 的部分功能② MathScript 節(jié)點是 LabVIEW 的一部分不需要再安裝第三方軟件也不存在于與 LabVIEW 的對接問題因此 MathScript 節(jié)點在一定程度上針對本設(shè)計已 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 作為實施方案該方案既滿足設(shè)計要求又具有簡單易行的優(yōu)點 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)由若干個子模塊組成這些子模塊取材于控制理論中的典型實例通過對控制理論教學(xué)與實驗中的實例進行篩選規(guī)劃系統(tǒng)的子模塊如下 信號發(fā)生器實現(xiàn)控制系統(tǒng)中典型信號的產(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－彈簧－阻尼器系統(tǒng)對質(zhì)點－彈簧－阻尼器系統(tǒng)簡稱 Mkf 系統(tǒng)進行建模及模型轉(zhuǎn)換時域與頻域分析狀態(tài)空間分析 PID 設(shè)計涵蓋經(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 一級倒立擺系統(tǒng)對一級倒立擺系統(tǒng)進行狀態(tài)空間建模與分析 LQR 設(shè)計離線仿真實時仿真涵蓋現(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 41 信號發(fā)生器 確定方案 凡是產(chǎn)生測試信號的儀器統(tǒng)稱為信號源也稱為信號發(fā)生器它用于產(chǎn) 生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號可以根據(jù)用戶對波形的命令來產(chǎn)生信號 信號發(fā)生器有很多種分類方法因而其實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發(fā)生器須能產(chǎn)生控制理論中常用的輸入信號這里采用的信號發(fā)生器的案如圖 41 所示 圖 41 信號發(fā)生器方案 該信號發(fā)生器將實現(xiàn)基本信號典型信號公式設(shè)定信號三大類信號的發(fā)生其中基本信號將包含正弦波三角波方波和鋸齒波典型信號將包含脈沖信號階躍信號斜坡信號和拋物線信號公式設(shè)定信號將實現(xiàn)由公式描述的任意信號 VI 設(shè)計 程序流程圖 信號發(fā)生器的程序流 程圖如圖 42 所示程序開始時選擇所要產(chǎn)生的信號類型然后設(shè)定幅值頻率相位等信號參數(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類型和參數(shù)可立即獲得相應(yīng)信號的波形 圖 42 信號發(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 信號發(fā)生器程序中用到的 VI 序號 名稱 功能 1 基本函數(shù)發(fā)生器 vi 根據(jù)信號類型創(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 生成包含沖激信號的數(shù)組 程序設(shè)計 整個程序構(gòu)成一個循環(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 信號類型的選擇可采用兩級分支結(jié)構(gòu)利用下拉列表實現(xiàn)各分支的選擇基本信號通過基本函數(shù)發(fā)生器 vi產(chǎn)生典型信號中的脈沖信號利用沖激函數(shù) vi產(chǎn)生其他信號則通過公式波形 vi產(chǎn)生公式設(shè)定信號也通過公式波形 vi產(chǎn)生其公式可在程序運行時設(shè)定 按照程序流程圖和以上要點可完成信號發(fā)生器的 VI 設(shè)計其前面板及程序框圖如圖 43 所示 圖 43 信號發(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