【文章內(nèi)容簡介】 具有普遍性。其中控制、功能模板都有預(yù)留端， 用戶可將自己制做的子儀器圖標(biāo)放入其中，便于日后調(diào)用。 LabVIEW 的特點(diǎn) ? 具有圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言； ? 提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析與存儲的庫函數(shù)； ? 提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行等，同時提供獨(dú)具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察到程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試開發(fā)更為便捷； ? 32 位的編譯器編譯生成 32 位的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的 11 高速執(zhí)行； ? 囊括了 PCI、 GPIB、 PXI、 VXI、 RS232/48 USB 等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備和儀器； ? 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行鏈接的機(jī)制，諸如 DLL（動態(tài)鏈接庫）、 DDE（共享庫）、 ActiveX 等； ? 具有強(qiáng)大的 Inter 功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)。 LabVIEW 入門 啟動界面介紹 以 版本為例，進(jìn)入 LabVIEW 程序后，會顯示如圖 23 所示的界面，該對話框有用于操作的四個基本按鈕。 圖 23 LabVIEW 開始界面 “ New?”按鈕是 LabVIEW 供用戶創(chuàng)建 /設(shè)計(jì)虛擬儀器的工作環(huán)境的，在按下下拉按鈕之后會有空白模板和軟件提供的其他模板供用戶選擇。 “ Open?”按鈕是 LabVIEW 用于給用戶已設(shè)計(jì)好的各個層次不同類型的 VI 以及用于 12 各種不同目的的軟件模塊的存放環(huán)境的，用戶命名過的虛擬儀器也可以存放其中。通過該下拉按鈕用戶可以打開最近使用的 VI 程序。 “ Configure?”按鈕可以對軟件以及通訊進(jìn)行初始化。 “ Help?”按鈕提供了詳細(xì)的使用指南，是最好的工具書，并且提供了大量的實(shí)例給用戶參考。 前面板及程序框圖 設(shè)計(jì)一個虛擬儀器是在兩個窗口中進(jìn)行的。一個是前面板開發(fā)窗口，這也可以看做一個人機(jī)交換界面；另一個是流程圖編輯窗口，也叫程序框圖。 下面以一個空白的開發(fā)環(huán)境為例介紹前面板和程序框圖，以及取用模板和控件的方法。 前面板開發(fā)窗口如圖 24 所示。設(shè)計(jì)制作虛擬儀器前面板就是取用控制模板（ Control palette）中的相關(guān)控件，并擺放到窗口中的相應(yīng)位置。 圖 24 前面板開發(fā)窗口及控制模板 流程圖編輯窗口如圖 25 所示。虛擬儀器就是通過在流程圖窗口中添加功能模板（ Function palette）中的 相關(guān)圖標(biāo)并“連線”來設(shè)計(jì)制作虛擬儀器流程圖，以完成相應(yīng)的功能。 13 圖 25 流程圖編輯窗口及功能模板 此外，還有一個工具模板（ Tool palette）。它提供了用于操作、編輯前面板和流程圖上對象的各種工具。 示例 以一個“液位控制仿真系統(tǒng)”為例，圖 26 和圖 27 分別是其前面板和流程圖窗口。 圖 26 液位控制仿真前面板 14 圖 27 液位控制仿真流程圖 從示例可以看出，前面板可以用來顯示和操作，相當(dāng)于人機(jī)界面，流程圖則是后臺程序。通過兩個開發(fā)窗口的合理設(shè)置，可以方便的實(shí)現(xiàn) 虛擬儀器的功能，而且可以使顯示豐富化、操作簡便化、視覺形象化。 LabVIEW 的 VI 程序可以層層調(diào)用子 VI，使框圖程序的編寫不致太繁雜。 在液位控制仿真例子的程序框圖中，分別調(diào)用了 PID Advanced(DBL).vi和 Plant VI。下面分別示出。 圖 28 PID Advanced(DBL)子 VI 前面板 15 圖 29 PID Advanced(DBL)子 VI 程序框圖 圖 210 Plant Simulator 子 VI 前面板 16 圖 211 Plant Simulator 子 VI 程序框圖 這兩個子 VI 程序又各自調(diào)用了自己的子 VI 程序，這里就不再列出。只是需要指出，LabVIEW 的這種子 VI 層層調(diào)用的編程方式使編程工作得以化整為零、化繁為簡，而且使程序更有層次感，更易于使其他用戶讀懂程序。 第三章 控制系統(tǒng)的模型分析 17 控制系統(tǒng)概述 控制系統(tǒng)其本質(zhì)就是從控制信息流的角度出發(fā)，對系統(tǒng)或?qū)ο蟮妮斎胱兞颗c輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行研究。一個控制系統(tǒng)的基本組成部分有控制目標(biāo)、控制系統(tǒng)元件、結(jié)果或輸出。通過對控制系統(tǒng)的研究能夠采 取有效措施提高控制質(zhì)量。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括建立受控對象的模型，分析受控對象開環(huán)動態(tài)特性并設(shè)計(jì)控制器使動態(tài)系統(tǒng)得到特定的動態(tài)特性。 不考慮擾動作用，典型控制系統(tǒng)的方框圖如圖 31 所示。其中 ()Rs 是輸入信號， ()Es是偏差信號， ()Cs是輸出信號， ()Bs 是反饋信號； 1()Gs可看作是 控制器， 2()Gs可看作是受控對象， ()Hs則可看作是檢測反饋機(jī)構(gòu)。 )(1 sG )(2 sG)( sH)( sC)( sR)( sB)( sE 圖 31 典型控制系統(tǒng)方框圖 傳遞函數(shù)表達(dá)式 研究一個自動控制系統(tǒng)，除了對系統(tǒng)進(jìn)行定性分析外，還必須進(jìn)行定量分析，進(jìn)而探討改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的具體方法。因此首先需要建立其數(shù)學(xué)模型 — 描述系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 數(shù)學(xué)模型有多種形式，如微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號流圖 、頻率特性及狀態(tài)空間描述等，本文主要以傳遞函數(shù)的形式表達(dá)控制系統(tǒng)的模型。 所謂傳遞函數(shù)，即線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換 ()Cs與輸入量的拉氏變換 ()Rs 之比。傳遞函數(shù)不僅可以表征系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且可以用來研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。經(jīng)典控制理論中廣泛應(yīng)用的頻率法和根軌跡法，就是以傳 18 遞函數(shù)為基礎(chǔ)建立起來的，傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中最基本和最重要的概念。 傳遞函數(shù)一般表達(dá)式為 11 1 011 1 0()mmmmnnnnb s b s b s bGs a s a s a s a????? ? ? ?? ? ? ? ? ()nm? 建模示例 首先建立微分方程的模型，然后通過拉氏變換把以線性微分方程式描述系統(tǒng)的動態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為在復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)模型。 常用的列寫系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的動態(tài)微分方程式的方法有兩種：一種是機(jī)理分析法，即根據(jù)各環(huán)節(jié)所遵循的物理規(guī)律（如力學(xué)﹑電磁學(xué)﹑運(yùn)動學(xué)﹑熱學(xué)等）來編寫。另一種方法是實(shí)驗(yàn)辯識法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理編寫。這里介紹機(jī)理分析法。 利用機(jī)理分析法列寫元件微分方程式的步驟 可歸納如下： （ 1）根據(jù)元件的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用，確定其輸入量和輸出量； （ 2）分析元件工作中所遵循的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律，列寫相應(yīng)的微分方程； （ 3）消去中間變量，得到輸出量與輸入量之間關(guān)系的微分方程，即數(shù)學(xué)模型。 一般情況下，應(yīng)將微分方程寫成標(biāo)準(zhǔn)形式，即與輸入量有關(guān)的項(xiàng)寫在方程的右端，與輸出量有關(guān)的項(xiàng)寫在方程的左端，方程兩端變量的導(dǎo)項(xiàng)均按降冪形式排列。 下面以一個 RLC 電路為例子，介紹如何建立這個動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 圖 3 2 所示為由電阻 R ，電感 L ，電流 i ，電容 C 和電容電壓 cu 和輸入電壓 ru 組成的 RLC 電路。 R Lru cui C 圖 32 RLC電路 (1) 明確輸入量、輸出量 網(wǎng)絡(luò)的輸入量為電壓 ()rut， 輸出量為電壓 ()cut。 (2)列出原始微分方程式。根據(jù)電路理論得 )()(1)()( tRidttiCdt tdiLtu r ? ??? 19 而 ?? dttiCtuc )(1)( 式中 ()it 為網(wǎng)絡(luò)電流，是除輸入量、輸出量之外的中間變量。 (3)消去中間變量 ,整理得 )()()()(22 tutudt tduRCdt tudLC rccc ??? （ 31） 顯然，這是一個二階線性微分方程，也就 是圖 32 所示 RLC 無源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。 對以上微分方程進(jìn)行拉氏變換， 2( 1 ) ( ) ( )crLC s R Cs U s U s? ? ? 其傳遞函數(shù)模型為： 2 1() 1Gs L C s R C s? ?? （ 32） 為了便于以后的仿真，這里不妨設(shè)置一個具體的二階電路。對 R 、 L 、 C 合理配置后得到的電路表達(dá)式如式（ 33）所示： 6262 1 0() 4 0 0 2 1 0Gs ss?? ? ? ? （ 33） 典型環(huán)節(jié)模型 自動控制系統(tǒng)種類很多，構(gòu)成環(huán)節(jié)的類型就其物理本質(zhì)可能差別很大。但從數(shù)學(xué)分析的觀點(diǎn)看，任何一個復(fù)雜的系統(tǒng)都僅由有限的幾個典型環(huán)節(jié)組成。因此，在研究系統(tǒng)動態(tài)特性時，熟悉和掌握各種典型環(huán)節(jié)，就有助于我們對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。 我們已知，任何線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)都可以用下列有理分式函數(shù)表示： 11 1 011 1 0()mmmmnnnnb s b s b s bGs a s a s a s a????? ? ? ?? ? ? ? ? ()nm? 如果知道它的分子分母的全部根（實(shí)根或共軛復(fù)根），則上式可寫為 12( ) ( ) ( )() ( ) ( ) ( )mmnnb s z s z s zGs a s p s p s p? ? ?? ? ? ? ()nm? 經(jīng)過變換，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式可寫為如下形式： 20 221 1 12211( 1 ) ( 2 1 )()( 1 ) ( 2 1 )i i i i ii i ivj j j jjjK s s sGss T s T s T s???? ?? ? ? ??? ? ???? ? ??? ? ?? ? ??? 式中 v —— 零根的數(shù)目；而 iK 是 系統(tǒng)總的放大倍數(shù)，它實(shí)際上就可用一個 K 來代替。 由于傳遞函數(shù)的這種表達(dá)式包含有六種因子，因此，任何控制系統(tǒng)都可以看作是這六種因子表示的環(huán)節(jié)在某種情況下的串聯(lián)組合。我們將這六種典型環(huán)節(jié)分別稱作： 比例環(huán)節(jié) ()Gs K? 積分環(huán)節(jié) 1()Gs Ts? 微分環(huán)節(jié) ()Gs s?? 慣性環(huán)節(jié) 1() 1Gs Ts? ? 振蕩環(huán)節(jié) 22 2 2 21() 2 1 2 n nnGs T s T s s s?? ? ? ???? ? ? ? 延遲環(huán)節(jié) () sG s e ??? 接下來會對這六種典型環(huán)節(jié)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。 （－）放大環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié)又稱比例環(huán)節(jié)。它的輸出量以一定的比例復(fù)現(xiàn)輸入量，而毫無失真和時間滯后。其運(yùn)動方程式為 ( ) ( )c t K r t?? 。 （二）慣性環(huán)節(jié) 在這類環(huán)節(jié)中，總含有儲能元件，以致對于突變形式的輸入來說，輸出不能立即復(fù)現(xiàn)，使它的輸出量的變化落后于 輸入量。其運(yùn)動方程式如下： () ( ) ( )dc tT c t r tdt ?? 傳遞函數(shù)為 ( ) 1()( ) 1CsGs R s Ts?? ? 式中 T —— 時間常數(shù)，它表示環(huán)節(jié)的慣性。 （三）積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的輸出量的變化速度等于輸入量，亦即輸出量 ()ct 與輸入量 ()rt 之間呈積分關(guān) 21 系。其微分方程式為 () ()dc t rtdt ? 或 ( ) ( )c t r t dt?? 進(jìn)行拉氏變換為 1( ) ( )C s R ss?? 即傳遞函數(shù)為 ( ) 1()()CsGs R s s?? （ 四）振蕩環(huán)節(jié) 振蕩環(huán)節(jié)包含有兩種形式的儲能元件，并且所儲存的能量能夠相互轉(zhuǎn)換，如位能和動能之間、電能和磁能之間的轉(zhuǎn)換等。因此，使得振蕩環(huán)節(jié)的輸出帶有振蕩性質(zhì)。振蕩環(huán)節(jié)的輸出和輸入之間的關(guān)系由下列微分方程來描述： 222( ) ( ) ( ) ( )kd c t d c tT T c t r td t d t? ? ? 傳遞函數(shù)為 22( ) 1() ( ) 1kCsGs R s T s T s?? ?? 令 2kTT ?? ，有 22( ) 1() ( ) 2 1CsGs R s T s T s??? ?? 式中 T —— 環(huán)節(jié)的時間常數(shù)； ? —— 阻尼比。 振蕩環(huán)節(jié)的所有特性取決于兩個參數(shù)：時間常數(shù) T 和阻尼比 ? 。應(yīng)該指出，只有當(dāng)阻尼比 01???時，即特征方程 22 2 1 0T s Ts?? ? ? 具有一對復(fù)根時，環(huán)節(jié)才產(chǎn)生振蕩，稱為振蕩環(huán)節(jié)。如果 1?? ，即特征方 程具有實(shí)根時，則不產(chǎn)生振蕩。這時，環(huán)節(jié)可以看成是由兩個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)