【正文】 StateSpace 繪出狀態(tài)空間模型4CD Convert to Transfer Function 將系統(tǒng)模型轉換為傳遞函數形式5CD Convert to ZeroPoleGain 將系統(tǒng)模型轉換為零極點增益形式6CD 計算并返回系統(tǒng)的極點(2) 程序設計在本程序中，先建立Mkf系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，然后將其轉換為傳遞函數模型和零極點增益模型?？梢妭鬟f函數和狀態(tài)空間表達式之間是可以相互轉換的。設阻尼器的摩擦力與成正比，彈簧彈力與y成正比?？紤]到還需要獲得相應的響應指標，可將系統(tǒng)模型和時域響應數據連接至“CD Parametric Time ”， 該VI將計算出系統(tǒng)時域響應的動態(tài)參數。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序號名稱功能1CD Construct Transfer Function 建立傳遞函數模型2CD Draw Transfer Function 繪出傳遞函數模型3CD Draw ZeroPoleGain 繪出零極點增益模型4CD Step 計算系統(tǒng)的階躍響應5CD Impulse 計算系統(tǒng)的脈沖響應6CD Initial 計算系統(tǒng)的零輸入響應續(xù) 表43序號名稱功能7CD Parametric Time 計算系統(tǒng)在指定激勵（階躍、脈沖或零輸入）下的響應信號及其動態(tài)參數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) 程序設計典型環(huán)節(jié)的數學模型較為簡單，采用控制設計工具包“Model Construction”子VI庫下的“CD Construct Transfer Function ”就可以很方便的建立起傳遞函數模型。程序開始時，選擇所要分析的典型環(huán)節(jié)類型，然后輸入相關參數，建立起傳遞函數模型和零極點增益模型。對表42中頻率特性G( jω)可進一步求出對數幅頻特性和對數相頻特性，在半對數坐標平面中作出曲線，即為Bode圖。由于微分環(huán)節(jié)、一階微分環(huán)節(jié)、二階微分環(huán)節(jié)的時域響應發(fā)散，所以對這些環(huán)節(jié)不作時域分析。按照程序流程圖和以上要點，可完成信號發(fā)生器的VI設計，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)，是構成控制系統(tǒng)的基本單元，任何一個復雜的系統(tǒng)總可以看成由一些典型環(huán)節(jié)組合而成[12,14]。用戶更改信號類型和參數，可立即獲得相應信號的波形。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，公式設定信號將實現(xiàn)由公式描述的任意信號。由以上規(guī)劃，可得系統(tǒng)結構圖如圖31所示：圖31 系統(tǒng)結構圖4 系統(tǒng)設計 信號發(fā)生器 確定方案凡是產生測試信號的儀器，統(tǒng)稱為信號源，也稱為信號發(fā)生器，它用于產生被測電路所需特定參數的電測試信號，可以根據用戶對波形的命令來產生信號。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。對于這些不足，在設計中可以采用LabVIEW中的MathScript節(jié)點加以彌補。這就需要發(fā)布應用程序，生成可執(zhí)行文件或安裝包。(2) LabVIEW與MATLAB很難實現(xiàn)無縫對接這一點主要體現(xiàn)在LabVIEW與MATLAB的數據通信方面。但該方案在實踐過程中存在不少問題，具體體現(xiàn)如下：(1) 混合編程時，在LabVIEW中調用MATLAB會增加計算機負擔常用的調用方法有兩種：①使用MATLAB Script節(jié)點；②使用ActiveX函數模板[4]。MATLAB以其強大的科學計算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫，已成為數學計算工具方面事實上的標準。用戶無需了解LabVIEW的相關知識，可直接進行各種虛擬實驗操作；l 實時交互：輸入相關參數，即可得出計算機仿真結果，對用戶的任何操作都能立即給出反饋。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) 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。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。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。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。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)。(3) 可重復性：傳統(tǒng)儀器有使用壽命、使用次數的限制。圖21反映了常見的虛擬儀器方案[2]。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。⑵接口儀器驅動程序。⑵I/O接口設備：主要完成被測信號的采集、放大、模/數轉換。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。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。(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。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。 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。控制系統(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。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)。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。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。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。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。 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。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。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。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。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。(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。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。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。②定義測試功能的流程圖軟件程序。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。虛擬儀器主要是指后一種方式。(2) 模塊化：各種測量數據可以由不同的處理模塊進行處理。(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)。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。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。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)?？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。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。該系統(tǒng)具有以下特色：l 涵蓋面廣：涵蓋了經典控制理論與現(xiàn)代控制理論的大部分內容，涉及控制系統(tǒng)的建模、分析與設計；l 界面友好：人機界面友好，使用方便，所見即所得。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，這就限制了大型應用程序的快速開發(fā)。根據以上分析，從理論上講，把LabVIEW與MATLAB結合，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。雖然避免了方法①的缺陷，但經常會遇到數據類型的轉換，此外在LabVIEW的順序結構中使用時會使整個程序不能及時處理其他操作。(3) 增加了發(fā)布應用程序的困難當編寫好應用程序以后，用戶并不希望程序只能在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中運行。鑒于以上各點，并且考慮到本課題所做的程序設計并非較大的應用程序，針對方案(1) 作如下分析：l 可以避免LabVIEW與MATLAB混合編程時引發(fā)的各種問題；l 從功能上講，針對本設計而言，LabVIEW控制設計工具包完全可以實現(xiàn)MATLAB中控制系統(tǒng)工具箱的相關功能；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，如果只采用圖形語言，會造成程序龐大復雜、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。因此MathScript節(jié)點在一定程度上（針對本設計已足夠）可取代MATLAB，既解決了本方案的不足，又避免了調用MATLAB時引發(fā)的問題。通過對控制理論教學與實驗中的實例進行篩選，規(guī)劃系統(tǒng)的子模塊如下：(1) 信號發(fā)生器：實現(xiàn)控制系統(tǒng)中典型信號的產生，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，并給出其時域響應與頻域響應，作為控制系統(tǒng)分析的基礎；(3) 質點－彈簧－阻尼器系統(tǒng)：對質點－彈簧－阻尼器系統(tǒng)（簡稱Mkf系統(tǒng)）進行建模及模型轉換、時域與頻域分析、狀態(tài)空間分析、PID設計，涵蓋經典控制理論的大部分內容，涉及現(xiàn)代控制理論的部分內容；(4) 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)理論的大部分內容，涉及最優(yōu)控制理論的部分內容。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、公式設定信號三大類信號的發(fā)生。如果不按下“停止”按鈕，將重復執(zhí)行上述操作?；拘盘柾ㄟ^“”產生、典型信號中的脈沖信號利用“”產生，其他信號則通過“”產生、公式設定信號也通過“”產生，其公式可在程序運行時設定。時域分析主要獲得典型環(huán)節(jié)的單位階躍響應、單位脈沖響應、零輸入響應以及相應的動態(tài)性能指標。在控制工程中，頻率分析法常常是用圖解法進行分析和設計的，常用的頻率特性有三種圖解表示。 VI設計(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。用戶重新選擇典型環(huán)節(jié)類型、變更對應的參數，即可獲得相應的系統(tǒng)模型及相關分析。建立傳遞函數模型后，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)的傳遞函數模型和零極點增益模型。將系統(tǒng)模型直接連接到“CD Step ”、“CD Impulse ”和“CD Initial ”，三個子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)的時域響應曲線，采用2個“XY圖”控件，分別以單曲線形式和多曲線形式顯示。頻域分析VI的前面板及程序框圖如圖48所示：（a）（b）圖48