【正文】 基于LabVIEW的控制系統(tǒng)仿真畢業(yè)設計目 錄1 緒論 1 課題背景 1 控制系統(tǒng)仿真的意義 1 控制系統(tǒng)仿真的研究現(xiàn)狀 2 本課題研究內容 22 LabVIEW概述 4 虛擬儀器技術 4 控制設計工具包 53 系統(tǒng)方案的選定 7 系統(tǒng)概述 7 系統(tǒng)方案的比較與選定 7 系統(tǒng)子模塊的規(guī)劃 94 系統(tǒng)設計 10 信號發(fā)生器 10 確定方案 10 VI設計 10 典型環(huán)節(jié) 13 建模及理論分析 13 VI設計 14 質點－彈簧－阻尼器系統(tǒng) 18 建模與模型轉換及其VI設計 18 模型分析及其VI設計 21 PID設計及其VI設計 25 一級倒立擺系統(tǒng) 29 建模與分析及其VI設計 30 LQR設計及其VI設計 36 實時仿真及其VI設計 41 動態(tài)調用VI的設計 44 VI的動態(tài)調用 44 VI設計 455 發(fā)布應用程序 47 47 496 總結和展望 52 總結 52 展望 52參考文獻 53附 錄 55致 謝 70I附 錄1 緒論 課題背景控制理論是眾多工科專業(yè)普遍開設的一門專業(yè)基礎課，由于控制理論較抽象、課堂教學手段單一，學生接受起來較為困難。而隨著高等教育規(guī)模的不斷擴大，原有教學儀器設備資源相對短缺，也無法滿足實驗教學的需要。舊的實驗教學模式越來越不適應時代發(fā)展的要求，教學和實驗的體制和模式的改革勢在必行。在控制理論教學中，實驗能夠使學生加深對所學知識的理解，提高將理論應用于實踐的能力，是教學活動中不可缺少的環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學生的綜合素質和實踐技能都至關重要。采用虛擬實驗的方式，一方面能夠給學生提供更充分的時間和更多的機會來接觸和研究所做的實驗，打破了傳統(tǒng)的實驗模式，給學生更多思考和分析時間，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的思維方式；另一方面由于虛擬實驗可以為硬件（實驗設備）和軟件（數據分析）的結合，這樣可以激發(fā)學生的興趣來自己設計和改進虛擬實驗的程序，給他們更多的自主性，調動創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本課題是基于虛擬儀器技術，開發(fā)一種交互式實驗教學模塊，實現(xiàn)常見的典型控制系統(tǒng)的仿真。輸入相關參數，即可得出仿真結果；將抽象的、靜態(tài)的理論知識轉化為具體的、動態(tài)的演示模型。根據教學需要，將控制理論中常見的、典型的實例利用相關軟件工具（如LabVIEW、MATLAB等）實現(xiàn)建模、分析、設計過程的仿真，一方面有利于理論教學工作的開展；另一方面對于實驗教學會起到一定的指導作用；此外控制系統(tǒng)的綜合設計也將有利于學生綜合掌握控制理論，而不是將控制理論看作章節(jié)割裂的理論。以上幾點對于教學實際具有非?，F(xiàn)實的意義。 控制系統(tǒng)仿真的意義隨著計算機仿真理論與技術的發(fā)展，目前各個科學與工程領域均已開展了仿真技術的研究。系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型的實驗，研究一個存在或設計中的系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真技術已經被公認為是一種新的實驗手段，在科學與工程領域發(fā)揮著越來越重要的作用。早期的控制系統(tǒng)設計可以由紙筆等工具容易地計算出來。但隨著控制理論的迅速發(fā)展，只利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達到預期的效果，加之計算機領域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計算機輔助設計方法?？刂葡到y(tǒng)的計算機輔助設計技術的發(fā)展目前已達到了相當高的水平，并一直受到控制界的普遍重視?！翱刂葡到y(tǒng)仿真”就是利用計算機研究控制系統(tǒng)性能的一門學問，它依賴于現(xiàn)行《自動控制原理》課程的基礎知識，但側重點不同[9]?？刂葡到y(tǒng)仿真更側重于控制理論問題的計算機求解，可以解決以往控制原理不能解決的問題，使學生或科研工作者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是花費在沒有太大價值的底層重復性機械勞動上。這樣可以對控制系統(tǒng)建模、分析、設計過程有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認識偏差，提高控制器設計的效率和可靠性。 控制系統(tǒng)仿真的研究現(xiàn)狀控制系統(tǒng)仿真的研究與計算機仿真理論與技術的發(fā)展是密不可分的，國際上控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件的發(fā)展大致分為幾個階段：軟件包階段、交互式語言階段及當前的面向對象的程序環(huán)境階段。其中影響較大、具有代表性的軟件有：l 瑞典Lund工學院教授主持開發(fā)的一套交互式CACSD軟件 INTRAC；l 日本的古田勝久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持開發(fā)的DPACSF 軟件l 英國Manchester理工大學的控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件包l 英國劍橋大學推出的線性系統(tǒng)分析與設計軟件CLADPl NASA Langley 研究中心的Armstrong 開發(fā)的LQ控制器設計的ORACLSl 美國Mitchell與Gauthier Associate 公司推出的仿真語言ACSLl 美國IBM公司開發(fā)的仿真語言CSMPl 美國學者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 語言l The MathWorks公司推出的圖形化的基于框圖的Simulink仿真環(huán)境我國較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計成果有：中科院系統(tǒng)科學研究所韓京清研究員等主持的國家自然科學基金重大項目開發(fā)的CADCSC軟件；清華大學孫增圻、袁曾任教授的著作和程序；北京化工學院吳重光、沈成林教授的著作和程序，以及中科院沈陽自動化研究所馬紀虎研究員主持開發(fā)的CSMPC仿真語言等[8]。在上述軟件中，MATLAB語言能反映當今系統(tǒng)仿真領域的最高水平，同時也是最實用的軟件。當然，這并不意味著我們在控制系統(tǒng)仿真方面僅僅滿足于使用MATLAB語言而不考慮新的可行方案。例如，LabVIEW控制與仿真工具包既可實現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真又彌補了MATLAB人機界面設計不方便、無法進行端口操作、不能實現(xiàn)實時監(jiān)控等不足之處，在一定程度上可以替代MATLAB成為控制系統(tǒng)仿真的有力工具。 本課題研究內容本課題結合控制理論教學與實驗的實際需要，選取控制理論中常見的、典型的實例。應用NI公司的LabVIEW 200LabVIEW控制設計工具包為軟件開發(fā)工具，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模、分析、設計過程的仿真，最終將開發(fā)出一種交互式實驗教學模塊。主要研究內容有以下幾個方面：(1) 控制系統(tǒng)仿真方案的選定提出“基于LabVIEW的控制系統(tǒng)仿真”的可行性方案并對其進行分析、論證，確定最終的實施方案。(2) 控制理論中典型實例選擇與理論分析選取控制理論教學和實驗中常見的、典型的實例，完成其理論方面的建模、分析、設計。(3) 控制模型相應的仿真VI設計在(2)的基礎上，基于LabVIEW 2009平臺，使用必要的工具包完成建模、分析、設計的相應的VI設計，完成控制系統(tǒng)仿真的主要程序設計。(4) 程序的動態(tài)調用對(3)中設計的VI進行動態(tài)程序控制，實現(xiàn)在程序運行時VI的調用，從而達到將各個子模塊集成在一起，形成一個綜合的實驗教學系統(tǒng)。(5) 應用程序發(fā)布優(yōu)化人機界面，發(fā)布應用程序，生成獨立可執(zhí)行應用程序和安裝程序。2 LabVIEW概述 虛擬儀器技術虛擬儀器技術是近年來誕生并迅速發(fā)展的一種新型網絡測控技術，它主要應用于由傳感器或其他數據采集設備得到的數據的遠程傳輸與通信，與一般的信息網絡技術不同。虛擬儀器技術的出現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義的模式，用戶可以自己定義儀器，靈活地設計儀器系統(tǒng)。它使測量儀器與計算機之間的界線消失，開始了測量儀器的新時代。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術和網絡技術的高度發(fā)展和遠程虛擬儀器技術的普及，系統(tǒng)的測量、分析、輸出、測控等部分可以實現(xiàn)空間上的分離。1986年，美國國家儀器公司（National Instruments Corp，NI）首先提出了虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）的概念。虛擬儀器就是在通用計算機上加上軟件和硬件，使得用戶在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺專用的傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器是傳統(tǒng)儀器功能與外形的模塊化和軟件化，通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成，也可分為硬件平臺和軟件平臺。構成虛擬儀器的硬件平臺有兩大部分：⑴計算機：一般為一臺PC機或者工作站，它是硬件平臺的核心。⑵I/O接口設備：主要完成被測信號的采集、放大、模/數轉換。構成虛擬儀器的軟件平臺包括應用軟件和I/O驅動軟件：⑴應用軟件。包含兩個方面的程序：①實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。②定義測試功能的流程圖軟件程序。⑵接口儀器驅動程序。這類程序用來完成特定外部硬件設備的擴展、驅動和通信[1,4]。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，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合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向，粗略地說這種結合有兩種方式：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：(1) 開放性：在一定的通用硬件模塊和軟件環(huán)境支持下，用戶可以根據實際情況設計出自己的測試方案，以完成不同的測試任務。(2) 模塊化：各種測量數據可以由不同的處理模塊進行處理。(3) 可重復性：傳統(tǒng)儀器有使用壽命、使用次數的限制。而用LabVIEW創(chuàng)建的虛擬儀器，可重復使用，完全不受時間、地點、使用次數的制約。(4) 自定義性：用戶能夠根據自己的需要定義儀器功能。(5) 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)。應用虛擬儀器系統(tǒng)技術，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、質量更可靠的產品和系統(tǒng)。(6) 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業(yè)，尤其在發(fā)達國家中發(fā)展更快，其設計、生產和使用己經十分普及。從90年代開始，國內的一些大學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。 控制設計工具包(1) 組成LabVIEW控制設計工具包(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 系統(tǒng)辨識工具包、SignalExpress (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控制設計工具包后，函數選板中會出現(xiàn)相應的“控制設計與仿真(Control Designamp。Simulation)”子選板，其中包含了控制設計與仿真所有的VI庫，如圖22所示： 圖22 控制設計工具包的VI庫控制設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)數學模型的建立、轉換，各種時域和頻域分析方法，以及經典和現(xiàn)代控制理論中所涉及的其他許多分析和設計方法，使得該工具包完全可以成為控制設計和仿真領域內一個獨特和強大的工具平臺。(2) 特點LabVIEW控制設計工具包(Control Design Toolkit)是一個用于分析、設計和實現(xiàn)控制系統(tǒng)的工具與數學函數集合[3,7]。借助該工具包，可以方便快速地對系統(tǒng)進行建模、轉換、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果。作為NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計平臺的組成部分，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)的設計及最終實現(xiàn)。新版的LabVIEW控制設計工具包(Version )進一步增強了LabVIEW的圖形化開發(fā)環(huán)境，為控制設計工程人員提供了更加完整的工具組件。可計算分割I/O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)，可幫助設計人員描述非線性和連續(xù)系統(tǒng)，并完整實現(xiàn)其設計過程的驗證?？捎糜趯崿F(xiàn)復雜、實時應用系統(tǒng)的建模、分析和設計，適用于汽車、航空、復雜機械控制及硬件在環(huán)(hardwareintheloop)等應用，其中高級Kalman濾波功能對于無人車輛的實時導航系統(tǒng)非常有用。 (3) 與MATLAB控制系統(tǒng)工具箱的比較LabVIEW控制設計工具包與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)分析和設計的高效率工具[9]。在二者基礎上都可以進行二次開發(fā)，開發(fā)出實驗教學系統(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)，主要應用到MATLAB軟件中的圖形用戶界面(GUI)設計技術。與之相比，利用LabVIEW控制設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 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系統(tǒng)，對于教學實際具有非?，F(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上，在LabVIEW平臺上完成了系統(tǒng)的開發(fā)設計。該系統(tǒng)具有以下特色：l 涵蓋