【正文】 基于LabVIEW的控制系統(tǒng)仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)容 22 LabVIEW概述 4 虛擬儀器技術(shù) 4 控制設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 10 信號(hào)發(fā)生器 10 確定方案 10 VI設(shè)計(jì) 10 典型環(huán)節(jié) 13 建模及理論分析 13 VI設(shè)計(jì) 14 質(zhì)點(diǎn)－彈簧－阻尼器系統(tǒng) 18 建模與模型轉(zhuǎn)換及其VI設(shè)計(jì) 18 模型分析及其VI設(shè)計(jì) 21 PID設(shè)計(jì)及其VI設(shè)計(jì) 25 一級(jí)倒立擺系統(tǒng) 29 建模與分析及其VI設(shè)計(jì) 30 LQR設(shè)計(jì)及其VI設(shè)計(jì) 36 實(shí)時(shí)仿真及其VI設(shè)計(jì) 41 動(dòng)態(tài)調(diào)用VI的設(shè)計(jì) 44 VI的動(dòng)態(tài)調(diào)用 44 VI設(shè)計(jì) 455 發(fā)布應(yīng)用程序 47 47 496 總結(jié)和展望 52 總結(jié) 52 展望 52參考文獻(xiàn) 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(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，由于控制理論較抽象、課堂教學(xué)手段單一，學(xué)生接受起來(lái)較為困難。而隨著高等教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，原有教學(xué)儀器設(shè)備資源相對(duì)短缺，也無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式越來(lái)越不適應(yīng)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。在控制理論教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力，是教學(xué)活動(dòng)中不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐技能都至關(guān)重要。采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，一方面能夠給學(xué)生提供更充分的時(shí)間和更多的機(jī)會(huì)來(lái)接觸和研究所做的實(shí)驗(yàn)，打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，給學(xué)生更多思考和分析時(shí)間，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，這樣可以激發(fā)學(xué)生的興趣來(lái)自己設(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。本課題是基于虛擬儀器技術(shù)，開(kāi)發(fā)一種交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的典型控制系統(tǒng)的仿真。輸入相關(guān)參數(shù)，即可得出仿真結(jié)果；將抽象的、靜態(tài)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的、動(dòng)態(tài)的演示模型。根據(jù)教學(xué)需要，將控制理論中常見(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，一方面有利于理論教學(xué)工作的開(kāi)展；另一方面對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)起到一定的指導(dǎo)作用；此外控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)也將有利于學(xué)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(diǎn)對(duì)于教學(xué)實(shí)際具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。 控制系統(tǒng)仿真的意義隨著計(jì)算機(jī)仿真理論與技術(shù)的發(fā)展，目前各個(gè)科學(xué)與工程領(lǐng)域均已開(kāi)展了仿真技術(shù)的研究。系統(tǒng)仿真是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)，研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(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。早期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)算出來(lái)。但隨著控制理論的迅速發(fā)展，只利用紙筆以及計(jì)算器等簡(jiǎn)單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之計(jì)算機(jī)領(lǐng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。“控制系統(tǒng)仿真”就是利用計(jì)算機(jī)研究控制系統(tǒng)性能的一門(mén)學(xué)問(wèn)，它依賴(lài)于現(xiàn)行《自動(dòng)控制原理》課程的基礎(chǔ)知識(shí)，但側(cè)重點(diǎn)不同[9]。控制系統(tǒng)仿真更側(cè)重于控制理論問(wèn)題的計(jì)算機(jī)求解，可以解決以往控制原理不能解決的問(wèn)題，使學(xué)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(fèi)在沒(méi)有太大價(jià)值的底層重復(fù)性機(jī)械勞動(dòng)上。這樣可以對(duì)控制系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)過(guò)程有較好的整體了解，避免“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”的認(rèn)識(shí)偏差，提高控制器設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真理論與技術(shù)的發(fā)展是密不可分的，國(guó)際上控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展大致分為幾個(gè)階段：軟件包階段、交互式語(yǔ)言階段及當(dāng)前的面向?qū)ο蟮某绦颦h(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(xué)院教授主持開(kāi)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(kāi)發(fā)的DPACSF 軟件l 英國(guó)Manchester理工大學(xué)的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包l 英國(guó)劍橋大學(xué)推出的線性系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)軟件CLADPl NASA Langley 研究中心的Armstrong 開(kāi)發(fā)的LQ控制器設(shè)計(jì)的ORACLSl 美國(guó)Mitchell與Gauthier Associate 公司推出的仿真語(yǔ)言ACSLl 美國(guó)IBM公司開(kāi)發(fā)的仿真語(yǔ)言CSMPl 美國(guó)學(xué)者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 語(yǔ)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(guó)較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成果有：中科院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員等主持的國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的CADCSC軟件；清華大學(xué)孫增圻、袁曾任教授的著作和程序；北京化工學(xué)院吳重光、沈成林教授的著作和程序，以及中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所馬紀(jì)虎研究員主持開(kāi)發(fā)的CSMPC仿真語(yǔ)言等[8]。在上述軟件中，MATLAB語(yǔ)言能反映當(dāng)今系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的最高水平，同時(shí)也是最實(shí)用的軟件。當(dāng)然，這并不意味著我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)仿真方面僅僅滿足于使用MATLAB語(yǔ)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真又彌補(bǔ)了MATLAB人機(jī)界面設(shè)計(jì)不方便、無(wú)法進(jìn)行端口操作、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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?jī)?nèi)容本課題結(jié)合控制理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要，選取控制理論中常見(jiàn)的、典型的實(shí)例。應(yīng)用NI公司的LabVIEW 200LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包為軟件開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)過(guò)程的仿真，最終將開(kāi)發(fā)出一種交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。主要研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)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(duì)其進(jìn)行分析、論證，確定最終的實(shí)施方案。(2) 控制理論中典型實(shí)例選擇與理論分析選取控制理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的、典型的實(shí)例，完成其理論方面的建模、分析、設(shè)計(jì)。(3) 控制模型相應(yīng)的仿真VI設(shè)計(jì)在(2)的基礎(chǔ)上，基于LabVIEW 2009平臺(tái)，使用必要的工具包完成建模、分析、設(shè)計(jì)的相應(yīng)的VI設(shè)計(jì)，完成控制系統(tǒng)仿真的主要程序設(shè)計(jì)。(4) 程序的動(dòng)態(tài)調(diào)用對(duì)(3)中設(shè)計(jì)的VI進(jìn)行動(dòng)態(tài)程序控制，實(shí)現(xiàn)在程序運(yùn)行時(shí)VI的調(diào)用，從而達(dá)到將各個(gè)子模塊集成在一起，形成一個(gè)綜合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。(5) 應(yīng)用程序發(fā)布優(yōu)化人機(jī)界面，發(fā)布應(yīng)用程序，生成獨(dú)立可執(zhí)行應(yīng)用程序和安裝程序。2 LabVIEW概述 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)是近年來(lái)誕生并迅速發(fā)展的一種新型網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)，它主要應(yīng)用于由傳感器或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備得到的數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與通信，與一般的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同。虛擬儀器技術(shù)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(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)。它使測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)之間的界線消失，開(kāi)始了測(cè)量?jī)x器的新時(shí)代。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展和遠(yuǎn)程虛擬儀器技術(shù)的普及，系統(tǒng)的測(cè)量、分析、輸出、測(cè)控等部分可以實(shí)現(xiàn)空間上的分離。1986年，美國(guó)國(guó)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(jì)算機(jī)上加上軟件和硬件，使得用戶在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺(tái)專(zhuān)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(jì)算機(jī)、儀器模塊和軟件三部分組成，也可分為硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩大部分：⑴計(jì)算機(jī)：一般為一臺(tái)PC機(jī)或者工作站，它是硬件平臺(tái)的核心。⑵I/O接口設(shè)備：主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。構(gòu)成虛擬儀器的軟件平臺(tái)包括應(yīng)用軟件和I/O驅(qū)動(dòng)軟件：⑴應(yīng)用軟件。包含兩個(gè)方面的程序：①實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。②定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。⑵接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。這類(lèi)程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)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(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)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(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(shuō)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(lèi)儀器功能也越來(lái)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(jiàn)的虛擬儀器方案[2]。圖21 常見(jiàn)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(kāi)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)：(1) 開(kāi)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)。(2) 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。(3) 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。(4) 自定義性：用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能。(5) 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(lái)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(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)、質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品和系統(tǒng)。(6) 靈活性：它可以很方便地通過(guò)選擇不同的硬件配置和改變軟件來(lái)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(kāi)始，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)也相繼開(kāi)展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開(kāi)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。 控制設(shè)計(jì)工具包(1) 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 系統(tǒng)辨識(shí)工具包、SignalExpress (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 Designamp。Simulation)”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22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)。(2) 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[3,7]。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(guò)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 )進(jìn)一步增強(qiáng)了LabVIEW的圖形化開(kāi)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?？捎?jì)算分割I(lǐng)/O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(wú)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(guò)程的驗(yàn)證?？捎糜趯?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(chē)、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(wú)人車(chē)輛的實(shí)時(shí)導(dǎo)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(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(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控制系統(tǒng)工具箱進(jìn)行二次開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)者可以把精力集中于程序的編寫(xiě)上，這是由LabVIEW軟件“所見(jiàn)即所得”的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于教學(xué)實(shí)際具有非常現(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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有以下特色：l 涵蓋