【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW 圖形編程方式能夠節(jié)省 85％以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出極高的效率。運(yùn)行 LabVIEW 程序，出現(xiàn)如圖 22 的初始界面： 圖 22 LabVIEW 運(yùn)行界面其中各個(gè)選項(xiàng)功能如下：New… Create a new virtual instrument for putation, user interface, or a report. LabVIEW 供用戶創(chuàng)建/設(shè)計(jì)虛擬儀器的工作環(huán)境的，在按下下拉按鈕后會(huì)有空白模板和軟件提供的其他模板供用戶選擇。Open… Open an existing virtual instrument.LabVIEW 用于給用戶已設(shè)計(jì)好的各個(gè)層次不同類型的 VI 以及用于各種不同目的的軟件模塊的存放環(huán)境的，用戶命名過(guò)的虛擬儀器也可以存放其中。通過(guò)該下拉按鈕用戶可以打開(kāi)最近使用的 VI 程序。Configure… Configure NI measurement and control tools.可以對(duì)軟件以及通訊進(jìn)行初始化。Help… Open the labview help for stepbystep instructions and reference information. 7 提供詳細(xì)的使用指南，是最好的工具書(shū)，并且提供了大量的實(shí)例給用戶參考。 LabVIEW 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)使用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱 VI。VI 包括三個(gè)部分：前面板（Front Panel） 、框圖（Block Diagram） 、圖標(biāo)（Icon）及圖標(biāo)/ 連接端口（Connector） 。（1） 、程序前面板 Front Panel圖 23 是 LabVIEW 程序前面板，其中中包含常見(jiàn)的菜單欄以及常見(jiàn)的工具欄。前面板是設(shè)計(jì)者與用戶交互的界面，設(shè)計(jì)者在前面板放入控件面板（Controls） ，如圖 24，上的控件。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。在程序前面板上，輸入量被稱為控制件，輸出量被稱為顯示件?？刂萍惋@示件是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上的，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。 圖 23 LabVIEW 前面板 圖 24 控件面板 Controls（2） 、后面板程序框圖 Block Diagram圖 25 是 LabVIEW 程序框圖，框圖程序用 LabVIEW 圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，可以把它理解為傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來(lái)傳遞程序前面板的控制數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令。而連線代表程序執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流方向。程序框圖中的節(jié)點(diǎn)都在函數(shù)模板（Functions Palette）中如圖 26。 8 圖 25 LabVIEW 框圖窗口 圖 26 函數(shù)模板（3） 、圖標(biāo)/連接端口 Connector:圖標(biāo)/連接端口是子 VI 被其它 VI 調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子 VI(SubVI)在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式。而連接端口則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須制定連接端口與前面板的控制件和顯示件一一對(duì)應(yīng)。 本章小節(jié)本章主要介紹了虛擬儀器的發(fā)展背景、概念，基本功能；以及 NI 公司開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW軟件的主要控制設(shè)計(jì)工具包和仿真模塊的內(nèi)容。利用這些工具，本文研究了經(jīng)典控制系統(tǒng)的一些特性，并最終進(jìn)行了 PID 控制器參數(shù)整定和離線仿真。 9 第三章 二階控制系統(tǒng)分析雖然現(xiàn)實(shí)中很少存在真正意義的二階控制系統(tǒng)，但對(duì)它的分析有助于加深對(duì)分析和設(shè)計(jì)更高階系統(tǒng)的理解。因此本章將研究如何使用 LabVIEW 對(duì)二階系統(tǒng)進(jìn)行分析。 典型二階系統(tǒng)典型的二階控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 (31)??2nGss????令其分母為 0，可得其特征方程： (32)??220nss??它的兩個(gè)根分別為： (33)?? 21,21nisj??????當(dāng) 取不同值時(shí)，典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)將出現(xiàn)不同情況。接下來(lái)本文將使 LabVIEW 畫(huà)?出各種 不同取值時(shí)的根位置圖以及響應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線圖。其中，令 。程序框圖2n??如圖 31，各 數(shù)值時(shí)的根位置及階躍響應(yīng)曲線如圖 32 到圖 37。圖 31 程序框圖 10 圖 32 時(shí)，過(guò)阻尼1??圖 33 時(shí)，臨界阻尼1??圖 34 時(shí)，低阻尼01?? 11 圖 35 ，無(wú)阻尼0??圖 36 ，負(fù)阻尼10??? 圖 37 ，低阻尼1??? 12 從圖中可看出，隨著 的減小，響應(yīng)變得更加振蕩， 。當(dāng) 時(shí)，階躍響應(yīng)不存在超調(diào)。?1??而在實(shí)際應(yīng)用中，只有 所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定的系統(tǒng)猜有應(yīng)用價(jià)值。0? 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模建立數(shù)學(xué)模型的方法有分析法（又稱理論建模）和實(shí)驗(yàn)法（又稱系統(tǒng)辨識(shí)） 。分析法是根據(jù)系統(tǒng)中各元件所遵循的客觀（物理、化學(xué)、生物等）規(guī)律和運(yùn)行機(jī)理，列出微分方程式。實(shí)驗(yàn)法是人為的給系統(tǒng)施加某種測(cè)試信號(hào)，記錄其輸出相應(yīng)，并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近。LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包可以用下列三種形式表示動(dòng)態(tài)系統(tǒng)：傳遞函數(shù)模型，零極點(diǎn)增益模型，狀態(tài)空間模型。經(jīng)典控制設(shè)計(jì)中只使用傳遞函數(shù)模型與零極點(diǎn)增益模型。本文主要討論單輸入單輸出。 二階系統(tǒng)建模以圖 38 所示 RLC 電路為例，介紹如何建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。圖為由電阻 ，電感 ，RL電流 ，電容 和電容電壓 和輸入電壓 組成的 RLC 電路。)(tiCcvivRLrucuiC 圖 38 RLC 電路對(duì)于本例中的 RLC 電路，其二階微分方程來(lái)表示電容輸出電壓 和輸入電壓 之間的關(guān)系cviv如下： (34)icccvRCvL????對(duì)其左右求拉氏變換，可得到表示電容輸出電壓 和輸入電壓 之間關(guān)系的傳遞函數(shù)：iv 13 (35)????21ciVsLCHsRs???其中取 R= L= C=10μF，可求得傳遞函數(shù)為：50? (36)??62105???ssH 傳遞函數(shù)模型以上節(jié) RLC 電路為例，使用 CD Construct Transfer Function Model VI 來(lái)創(chuàng)建連續(xù)傳遞函數(shù)模型，如圖 39，其運(yùn)行結(jié)果如圖 310。 圖 39 創(chuàng)建連續(xù)函數(shù)模型 圖 310 傳遞函數(shù)模型CD Construct Transfer Function Model VI 的輸入端 Numerator 和 Denominator 輸入是索引為0 的數(shù)組。數(shù)組的第 i 個(gè)元素與多項(xiàng)式第 i 次的系數(shù)相對(duì)應(yīng)，系數(shù)采用升序排列。創(chuàng)建一個(gè)連續(xù)傳遞函數(shù)模型只有一種方法，而創(chuàng)建一個(gè)離散傳遞函數(shù)模型則有兩種方法，至采用哪種方法，取決于是否知道離散傳遞函數(shù)模型的系數(shù)。如果不知道離散傳遞函數(shù)模型的系數(shù)，則使用 CD Convert Continuous to Discrete VI 把連續(xù)傳遞函數(shù)模型變換成離散傳遞函數(shù)模型，如圖 311，其中采樣周期 ，運(yùn)行后可得離散傳遞10s?函數(shù)表達(dá)式如圖 312。 14 圖 311 連續(xù)傳遞函數(shù)模型到離散傳遞函數(shù)模型變換程序框圖 圖 312 離散傳遞函數(shù)如果知道離散傳遞函數(shù)模型的系數(shù)，則可以通過(guò)對(duì)輸入 Numerator, Denominator 的設(shè)置，并設(shè)定一個(gè)大于 0 的 Sampling Time(s)來(lái)得到離散傳遞函數(shù)模型，如圖 313，其中采樣周期為，運(yùn)行后得離散傳遞函數(shù)模型如圖 314。10s? 圖 313 離散傳遞函數(shù)模型創(chuàng)建 圖 314 離散傳遞函數(shù) 零極點(diǎn)－增益模型零極點(diǎn)增益模型在數(shù)學(xué)形式上與傳遞函數(shù)模型一樣。但是，零極點(diǎn) 增益模型顯示了系統(tǒng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置。以本章 RLC 電路為例，使用 CD Convert to ZeroPoleGain Model VI，將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為零極點(diǎn)增益模型，其程序框圖如圖 315，運(yùn)行結(jié)果如圖 316。 圖 315 傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為零極點(diǎn) 增益模型程序框圖 圖 316 零極點(diǎn)增益模型 系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)提供了系統(tǒng)對(duì)特定輸入的響應(yīng)信息。我們可以通過(guò)分析時(shí)域響應(yīng)以確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及控制器的性能。Lab VIEW 控制設(shè)計(jì)工具包中的 Time Response VIs 分析系統(tǒng)對(duì)階躍和脈沖輸入的響應(yīng)，通過(guò)設(shè)定各種初始條件。還可以對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)。 本節(jié)將以上述 RLC 電路為例，介紹使用 LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包測(cè)量分析系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) 15 的方法。 階躍響應(yīng)分析 系統(tǒng)階躍響應(yīng)就是當(dāng)輸入一個(gè)形如 的單位階躍信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)情況。????。10)(tu??t動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)是衡量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)響應(yīng)特性的途徑。 圖 317 為典型的單位階躍響應(yīng)曲線：圖 317 階躍響應(yīng)曲線及相關(guān)參數(shù)圖中各參數(shù)的含義為：? 上升時(shí)間(Rise time)——?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)從下限到上限所需的上升時(shí)間。下限的默認(rèn)rt值為穩(wěn)定值的 10%而上限為 90%。? 超調(diào)量(Maximum overshoot)——?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)值超過(guò)穩(wěn)定值最大的量，以百分pM數(shù)的形式表示。? 峰值時(shí)間(Peak time) ——?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)響應(yīng)值第一次超調(diào)達(dá)到峰值所需要的時(shí)間。pt? 調(diào)節(jié)時(shí)間(Settling time)——?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)響應(yīng)值達(dá)到并保持在穩(wěn)定值限定范圍內(nèi)所需的s時(shí)間。默認(rèn)的限定范圍為 1%。? 穩(wěn)態(tài)增益(Steady state gain)——?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的最終響應(yīng)穩(wěn)定值。LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包中 CD Step Response VI 可以產(chǎn)生一個(gè)階躍響應(yīng)的曲線圖，而 CD 16 Parametric Time Response VI 則可求響應(yīng)曲線中各參數(shù)。以上述 RLC 電路為例設(shè)計(jì)階躍響應(yīng)程序框圖如圖 318 所示，運(yùn)行結(jié)果階躍響應(yīng)曲線以及各參數(shù)如圖 319 所示。 圖 318 RLC 電路階躍響應(yīng)程序框圖圖 319 RLC 電路階躍響應(yīng)曲線及各參數(shù) 由圖 319 中明顯可看出其階躍響應(yīng)曲線與理論曲線能完全符合，且其傳遞函數(shù)有 ，01??處于低阻尼狀態(tài)。 脈沖響應(yīng)分析脈沖響應(yīng)是衡量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)脈沖輸入信號(hào)響應(yīng)特性的途徑。CD Impulse Response VI 可以計(jì)算動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖輸入的響應(yīng)特性。由于脈沖信號(hào)激勵(lì)了整個(gè)頻域而且信號(hào)的持續(xù)時(shí)間可以無(wú)限小，因此脈沖響應(yīng)也可認(rèn)為是系統(tǒng)的自然響應(yīng)。對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，脈沖響應(yīng)也稱為 Dirac delta 函數(shù)。連續(xù)脈沖輸入是幅值趨于無(wú)窮并在特定時(shí)刻內(nèi)的持續(xù)時(shí)間趨于無(wú)窮小的單位面積信號(hào)。在其他任意時(shí)間，輸入信號(hào)的值為零。以上述 RLC 電路為例，用 LabVIEW 繪制其響應(yīng)圖形，圖 320 為其程序框圖，圖 321 為響 17 應(yīng)曲線。圖 320 RLC 電路脈沖響應(yīng)程序框圖圖 321 RLC 電路脈沖響應(yīng)曲線 初始響應(yīng)分析 對(duì)一些初始狀態(tài)非零的系統(tǒng)，可