【正文】 展望盡管已經(jīng)基本完成了本課題最初的規(guī)劃，本設(shè)計仍存在一些不足之處，需要繼續(xù)地改進和完善。其中“LabVIEW運行引擎2009”是執(zhí)行可執(zhí)行程序所必需的，必須選擇該附加軟件。因此，應該向最終用戶發(fā)布獨立的安裝包或可執(zhí)行文件。通過動態(tài)載入VI，只有在VI需要運行時才從磁盤載入內(nèi)存，這樣可以減少內(nèi)存的使用[4]。時間（輸出）用于表示時間步長的數(shù)組。程序開始時，通過上一小節(jié)的“”獲得閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)，同時給出輸入量的值和初始狀態(tài)的值。閉環(huán)系統(tǒng)建模的MathScript節(jié)點代碼如下：%求狀態(tài)反饋后的系統(tǒng)sysstate Ac=AB*K。（418）(2) 閉環(huán)系統(tǒng)模型基于LQR方法設(shè)計的控制系統(tǒng)實際上是采用狀態(tài)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計后的閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖420所示。這是二次型指標泛函[26,28]，要求S、Q、R是對稱矩陣，且S 和Q應是非負定的或正定的，R應是正定的。 B=[0。用戶變更系統(tǒng)參數(shù)時，可立即獲得相應的系統(tǒng)模型及相關(guān)分析，實現(xiàn)了程序的實時交互。通過對倒立擺系統(tǒng)的研究，不僅可以解決控制中的理論問題，還能將控制理論所涉及的三個基礎(chǔ)學科：力學、數(shù)學和電學（含計算機）有機的結(jié)合起來，在倒立擺系統(tǒng)中進行綜合應用[39]。利用本小節(jié)中編寫的程序，可以通過經(jīng)驗試湊法整定PID控制器參數(shù)。在程序框圖中使用分支結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時域分析與頻域分析的選擇，同時采用了屬性節(jié)點控制前面板上相關(guān)控件的顯示與隱藏。系統(tǒng)模型可通過相應的模型繪制VI以圖片形式顯示出來。根據(jù)傳遞函數(shù)可得到系統(tǒng)的微分方程（初始松弛），選擇適當?shù)臓顟B(tài)變量便可以得到相應的狀態(tài)空間表達式。用戶重新選擇典型環(huán)節(jié)類型、變更對應的參數(shù)，即可獲得相應的系統(tǒng)模型及相關(guān)分析?；拘盘柾ㄟ^“”產(chǎn)生、典型信號中的脈沖信號利用“”產(chǎn)生，其他信號則通過“”產(chǎn)生、公式設(shè)定信號也通過“”產(chǎn)生，其公式可在程序運行時設(shè)定。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。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。可用于實現(xiàn)復雜、實時應用系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)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。(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)。②定義測試功能的流程圖軟件程序。主要研究內(nèi)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。 控制系統(tǒng)仿真的意義隨著計算機仿真理論與技術(shù)的發(fā)展，目前各個科學與工程領(lǐng)域均已開展了仿真技術(shù)的研究。輸入相關(guān)參數(shù)，即可得出仿真結(jié)果；將抽象的、靜態(tài)的理論知識轉(zhuǎn)化為具體的、動態(tài)的演示模型。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(shè)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。⑵I/O接口設(shè)備：主要完成被測信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。(3) 可重復性：傳統(tǒng)儀器有使用壽命、使用次數(shù)的限制。新版的LabVIEW控制設(shè)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(shè)計工程人員提供了更加完整的工具組件。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(shù)學計算工具方面事實上的標準。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。用戶更改信號類型和參數(shù)，可立即獲得相應信號的波形。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(guān)參數(shù)，建立起傳遞函數(shù)模型和零極點增益模型。設(shè)阻尼器的摩擦力與成正比，彈簧彈力與y成正比。 d=[0]。(3) 能觀測性分析根據(jù)能觀測性的秩判據(jù)來判斷系統(tǒng)的能觀測性：計算，如果系統(tǒng)的能觀測性矩陣滿秩，則系統(tǒng)能觀測。PID控制器的設(shè)計可按以下步驟進行：獲取受控系統(tǒng)的開環(huán)響應，并確定哪些性能指標需要改進；添加比例控制，以改善上升時間；添加微分控制，以改善超調(diào)量；添加積分控制，以消除穩(wěn)態(tài)誤差；調(diào)整KP、KI和KD直到獲得理想的閉環(huán)響應。利用“CD ”可以獲得原系統(tǒng)模型與設(shè)計后的閉環(huán)系統(tǒng)模型的極點，作為系統(tǒng)設(shè)計的參考。(三) VI設(shè)計(1) 程序流程圖倒立擺系統(tǒng)的建模與分析部分程序流程圖如圖418所示。0 (I+m*l^2)*b/p m^2*g*l^2/p 0。二次型性能指標最優(yōu)控制的一個優(yōu)點是除了系統(tǒng)不可控的情況外，所設(shè)計的系統(tǒng)將是穩(wěn)定的。在此，假設(shè)控制向量u(t)是不受約束的?！癝tateSpace Model”端子接入系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；“Q”、“R”端子分別接入系統(tǒng)的狀態(tài)變量加權(quán)矩陣Q和輸入加權(quán)矩陣R；“Optimal Gain (K)” 端子輸出狀態(tài)反饋增益向量K；“Eigenvalues” 端子輸出閉環(huán)系統(tǒng)的極點。由于沒有倒立擺實物，將控制量加載到硬件這一步驟無法進行，本小節(jié)所設(shè)計的程序?qū)⑼瓿善渌鞑襟E。默認的變量為t。在打開主VI的同時就會將子VI載入內(nèi)存。程序框圖中主要采用了一個事件結(jié)構(gòu)，該事件結(jié)構(gòu)的觸發(fā)條件來源于用戶單擊前面板上10個按鈕中的任何一個；譬如當用戶單擊標簽為1的按鈕時，程序?qū)⒄{(diào)用對應的“”，并在Subpanel中顯示其前面板，用戶可進行相關(guān)操作。由于只需要安裝可執(zhí)行文件，所以將“項目視圖”欄中的“控制系統(tǒng)仿真”添加到目標視圖的相應目錄下，如圖56所示，表示把可執(zhí)行文件安裝在指定目錄下的“控制系統(tǒng)仿真”文件夾中。每進行一步操作，都可以立即觀察到其仿真結(jié)果，虛擬實驗過程直觀形象?？梢愿鶕?jù)實際需要再選擇控制理論的相關(guān)實例，開發(fā)出對應的子模塊，不斷完善和更新本系統(tǒng)。然后點擊“生成”按鈕，即可完成安裝程序的生成。獨立可執(zhí)行應用程序（EXE）即常見的EXE文件，最終用戶無法查看或更改程序代碼。相比之下，后一種方式在程序運行時，界面更為簡潔一些。 頂層索引是時間數(shù)組中指定的時間步長，底層索引是元素x[10], …, x[n]。(2) 子VI的選擇本程序中主要用到了“”，該VI通過龍格庫塔方法求解帶初始條件的常微分方程。原系統(tǒng)模型sys，輸入?yún)?shù)Q、R分別連接至“CD Linear Quadratic ”的“StateSpace Model”、“Q”、“R”端子。當v不為零時，系統(tǒng)不會穩(wěn)定在坐標原點，此時需要設(shè)計非零給定點調(diào)節(jié)器，其過程為：先按照上面(1)中的方法計算出反饋增益K，再在控制規(guī)律中增加Nv一項，即u=NvKx；輸入v通常為施加在小車上的階躍信號，此時可證明N和K向量中與小車位置x對應的那一項相等，即N=K1。積分中的第一項表示對于一切的，對狀態(tài)的要求。m*l/p]。將系統(tǒng)模型連接至“CD Draw Transfer Function ”和“CD Draw StateSpace ”，可將其繪制出來。這樣，可將該系統(tǒng)抽象成由小車和勻質(zhì)剛性桿組成的系統(tǒng)，如圖416所示。(二) VI設(shè)計(1) 程序流程圖圖414 Mkf系統(tǒng)PID設(shè)計的程序流程圖Mkf系統(tǒng)的PID設(shè)計部分程序流程圖如圖414所示。添加“CD Controllability ”和“CD Observability ”，并將系統(tǒng)模型連接至這兩個VI，計算出該系統(tǒng)的可控性矩陣和可觀測性矩陣，同時這兩個VI也可以分別通過輸出參數(shù)“Is Controllable?”和“Is Observable?”給出可控性和可觀測性的判定結(jié)果。為實現(xiàn)程序的實時性，可將通過上述步驟獲得的程序放入While循環(huán)結(jié)構(gòu)，加入布爾按鈕控制程序停止。在此只討論將狀態(tài)空間表達式轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)。采用分支結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對典型環(huán)節(jié)的選擇，并利用屬性節(jié)點控制這三個變量所對應的輸入控件的顯示，使得選擇某一個典型環(huán)節(jié)之后，只顯示出與之對應的參數(shù)，方便用戶的輸入。各個典型環(huán)節(jié)及其形式如表42所示：表42 典型環(huán)節(jié)及其形式名稱傳遞函數(shù)G( s )頻率特性G( jω)比例環(huán)節(jié)KK微分環(huán)節(jié)sjω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)延遲環(huán)節(jié)建立典型環(huán)節(jié)數(shù)學模型后，可進行時域和頻域的相關(guān)分析。 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。方法②較方法①更為復雜，適用于較大的應用程序開發(fā)。在二者基礎(chǔ)上都可以進行二次開發(fā)，開發(fā)出實驗教學系統(tǒng)或是CAI課件。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。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(guān)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。(4) 程序的動態(tài)調(diào)用對(3)中設(shè)計的VI進行動態(tài)程序控制，實現(xiàn)在程序運行時VI的調(diào)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)。早期的控制系統(tǒng)設(shè)計可以由紙筆等工具容易地計算出來。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(zhì)和實踐技能都至關(guān)重要。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(shè)計軟件包l 英國劍橋大學推出的線性系統(tǒng)分析與設(shè)計軟件CLADPl NASA Langley 研究中心的Armstrong 開發(fā)的LQ控制器設(shè)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(shè)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]。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。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。(2) 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)學函數(shù)集合[3,7]。 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：(1) 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；(2) 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。在LabVIEW中發(fā)布應用程序是比較簡單的，利用“LabVIEW Application Bulider”這一應用程序生成工具可以很方便地完成。 VI設(shè)計(1) 程序流程圖信號發(fā)生器的程序流程圖如圖42所示。以頻率為參變量，將幅頻與相頻特性同時表示在復平面上，即得到Nyquist圖（極坐標圖）。由此設(shè)計出的時域分析子程序如圖46所示： 圖46 時域分析子程序框圖這段時域響應程序在后面的程序設(shè)計中還會多次用到，因此將其用順序結(jié)構(gòu)做成一個模塊，用到的時候稍作修改即可使用。 b=[0。利用線性變換，可得到便于應用且簡單的狀態(tài)空間表達式[17]。三種控制作用對閉環(huán)系統(tǒng)的影響總結(jié)于表46中。利用“CD Construct PID ”建立PID控制器的模型，“CD Construct PID ”的輸入端為KP、KI和KD，輸出為PID控制器的傳遞函數(shù)模型，將該模型連接至“CD Draw ZeroPoleGain ”，可將PID控制器模型以零極點形式繪制出來。(3) 能觀測性分析根據(jù)能觀測性的秩判據(jù)來判斷系統(tǒng)的能觀測性：計算，如果系統(tǒng)的能觀測性矩陣滿秩，則系統(tǒng)能觀測。 gspo=tf(numpo,denpo)。，此處不再贅述。矩陣Q和R的相對大小，確定了誤差和能量損耗的相對重要性。用戶變更系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)計參數(shù)時，可立即獲得相應的系統(tǒng)模型及相關(guān)分析，實現(xiàn)了程序的實時交互。最終可確定一組設(shè)計參數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)達到預期的性能指標，此時系統(tǒng)的設(shè)計部分完成。X0描述開始條件的向量，x[10], …, x[n0]。按照程序流程圖，通過以上的步驟，可完成一級倒立擺實時仿真部分VI的設(shè)計，其前面板及程序框圖如圖427所示：圖427 “”的前面板和框圖 動態(tài)調(diào)用VI的設(shè)計 VI的動態(tài)調(diào)用本章的前四小節(jié)已經(jīng)完成了系統(tǒng)各個子模塊的設(shè)計，這也是本課題所研究的主體。利用Subpanel實現(xiàn)動態(tài)載入界面，載入子VI時既可通過按鈕實現(xiàn)，也可通過菜單或下拉列表實現(xiàn)，在本程序中利用按鈕方式。生成獨立可執(zhí)行文件后，可以將可執(zhí)行文件和相關(guān)支持軟件（如LabVIEW RunTime引擎、儀器驅(qū)動等）打包在一起作為一個安裝程序發(fā)布，這樣就可避免讓用戶再麻煩地單獨安裝LabVIEW RunTim