【正文】 對(duì)其中一些行文細(xì)節(jié)可能適當(dāng)進(jìn)行小的修補(bǔ)。指導(dǎo)教師意見：第 3 次檢查學(xué)生總結(jié)： 論文格式以及一些圖表設(shè)置上存在一定問(wèn)題需要更正，已基本完成。但仍有許多行文，實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)等問(wèn)題需要修改。學(xué)生簽名： 年 月 日指導(dǎo)教師意見： 同意開題（ ） 修改后開題（ ） 重新開題（ ） 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日附表二、畢業(yè)論文過(guò)程檢查情況記錄表指導(dǎo)教師分階段檢查論文的進(jìn)展情況（要求過(guò)程檢查記錄不少于 3 次）：第 1 次檢查學(xué)生總結(jié)： 對(duì) LabVIEW 的使用還不夠熟練，所編程序存在一些問(wèn)題，需要繼續(xù)努力學(xué)習(xí)和練習(xí)。 2022 年 4 月，在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所需的實(shí)驗(yàn)后，完成論文初稿，并提交導(dǎo)師檢查。 2022 年 2 月到 3 月，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)以便能熟練使用LabVIEW。相關(guān)支持條件：指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)，其它相關(guān)課本以及學(xué)術(shù)雜志，自己掌握的知識(shí)，以及實(shí)驗(yàn)軟件等。研究方法為：首先使 LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包以及仿真工具包等，設(shè)計(jì)相應(yīng)程序，以研究一些經(jīng)典控制系統(tǒng)的特性的。研究思路為：使用 LabVIEW，通過(guò)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行作圖以及仿真等工作，對(duì)二階系統(tǒng)，時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行特性分析。最后，還要感謝我的父母，感謝我所有的親人和朋友。 40 致謝其次，要感謝在完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給我很大幫助的師兄和師姐們，感謝他們?cè)诖似陂g對(duì)我工作的指導(dǎo)以及生活上的幫助。最后，在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真方面本文只進(jìn)行了離線仿真，而 LabVIEW 還支持硬件在環(huán)仿真，即把實(shí)際的控制器加入到仿真環(huán)中。首先，本文所研究的控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，也比較單一。并用經(jīng)過(guò) PID 參數(shù)整定的控制系統(tǒng)進(jìn)行了離線仿真。最后研究了時(shí)滯系統(tǒng)模型的頻域特性。（2） 、以一個(gè)時(shí)滯系統(tǒng)模型為例，研究了如何使用 LabVIEW 對(duì)其進(jìn)行延時(shí)信息合并。因而掌握虛擬儀器應(yīng)用知識(shí)是十分必要，也是十分迫切的。并取得了較好的結(jié)果。在此背景下，本章首先介紹了如何在 LabVIEW 軟件環(huán)境下使用臨界比例度法進(jìn)行控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)整定。圖 58 離線仿真曲線 如圖，該控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線能比較符合輸入，故所設(shè)計(jì)的 PID 控制器能很好的控制該時(shí)滯系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成功。由圖 55，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間約為 38 ，故設(shè)定方波輸入周期至少為 ，所以現(xiàn)設(shè)定方波輸入周期為 ，??20s對(duì)它的設(shè)定可在后面板程序框圖中相應(yīng)的函數(shù)發(fā)生器中設(shè)定。其中控制器傳遞函數(shù)如式 54。圖 56 LabVIEW 仿真環(huán)和仿真工具包以下將以上節(jié)中的時(shí)滯控制系統(tǒng)為例進(jìn)行離線仿真。在 LabVIEW 中，可以用控制設(shè)計(jì)包中的 Simulation 面板中的仿真函數(shù)或其它的 LabVIEW函數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖，并將所有的仿真函數(shù)和仿真子系統(tǒng)放在仿真環(huán)里。實(shí)時(shí)仿真的一部分是由實(shí)時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連，從而進(jìn)行仿真，比如被控過(guò)程系統(tǒng)是硬件，而控制器用軟件模擬?？捎蓤D中直接讀出此時(shí)的 PID 控制器傳遞函數(shù)為： (54)???? 37 離線仿真LabVIEW 提供了強(qiáng)大的仿真功能，包括離線仿真和實(shí)時(shí)仿真。再次整定后的階躍響應(yīng)情況如圖 55。所以此時(shí)的 PID 控制rs?6s?? 36 器不可用，需要再次調(diào)整 PID 參數(shù)。由圖知代入整定后 PID 參數(shù)后結(jié)果仍然不合要求，需再次整定，結(jié)果如圖 55。求得了 ， ， 的值后，我們現(xiàn)在使用這三個(gè)值來(lái)設(shè)置控制器 PID 參數(shù)。 34 圖 51 臨界比例度法 PID 參數(shù)整定程序框圖圖 52 出現(xiàn)等幅震蕩的整定結(jié)果圖圖 53 原時(shí)滯系統(tǒng)階躍響應(yīng) 35 由以圖 可得到 =， =?？紤]一介時(shí)滯系統(tǒng)傳遞函數(shù) (52)??12sGe???現(xiàn)用臨界比例度法設(shè)計(jì)科學(xué)型 PID 控制器對(duì)其進(jìn)行控制（方便進(jìn)行 PID 參數(shù)整定，使用LabVIEW 提供的離線仿真功能） 。r cr（3） 、利用 和 值，按表 中的相應(yīng)計(jì)算公式，求控制器各整定參數(shù) 、 和 的數(shù)crT cKiTd值。iT??i dTcK（2） 、增大比例增益 ，直到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)出現(xiàn)等幅振蕩，即所謂臨界振蕩過(guò)程。表 51 是臨界比例度法的經(jīng)驗(yàn)公式。它通過(guò)并不復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，即臨界比例增益 和臨界振蕩周期 ，利用一些經(jīng)驗(yàn)公crKcrT式便能迅速獲得控制器的近似最佳參數(shù)。接下來(lái)我們將使用臨界比例度法整定一個(gè)時(shí)滯系統(tǒng)的 PID 參數(shù)。其傳遞函數(shù)為： (51)sKsGdipc??)(其中 P 為比例項(xiàng)、I 為積分項(xiàng)，D 為微分項(xiàng)。 整定 PID 參數(shù)研究一個(gè)被控系統(tǒng)的最終目的是設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，以使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性滿足一定要求。 32 第五章 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真上兩章中我們對(duì)研究了如何應(yīng)用 LabVIEW 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，這是研究一個(gè)被控系統(tǒng)的第一步。時(shí)滯模型是工業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)的被控模型之一，具有一定實(shí)際意義。圖 411 時(shí)滯系統(tǒng)頻域特性程序框圖圖 412 時(shí)滯系統(tǒng)幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng) 31 圖 413 時(shí)滯系統(tǒng)增益裕度和相位裕度圖 414 時(shí)滯系統(tǒng) Nyquist 和 Nichols 曲線由以上幾圖均可知該系統(tǒng)穩(wěn)定，這于上節(jié)所得情況相同。 30 頻域特性 使用 LabVIEW 對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行離線特性分析的方法與前章對(duì)二階系統(tǒng)分析時(shí)相似。其程序框圖如圖 47；各響應(yīng)圖如圖 48 到圖 410。圖 43 時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)域分析程序框圖圖 44 階躍響應(yīng)圖 45 脈沖響應(yīng) 28 圖 46 初始響應(yīng)由以上幾圖可知，系統(tǒng)的響應(yīng)情況符合時(shí)滯系統(tǒng)響應(yīng)的理論預(yù)期形式，且易知系統(tǒng)穩(wěn)定。圖 41 合并延時(shí)信息的程序框圖圖 42 合并延時(shí)信息前后的傳遞函數(shù) 27 時(shí)域特性 現(xiàn)在使用 LabVIEW 對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。數(shù)學(xué)模型合并延時(shí)后，模型屬性就不再包含延時(shí)信息，而延時(shí)信息在往后任何對(duì)模型的分析中均起作用。本章將對(duì)含有延時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行分析。 26 第四章 時(shí)滯系統(tǒng)特性 在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的延時(shí)是指動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入與輸出通常不是立即響應(yīng)激勵(lì)。然后對(duì)一個(gè) RLC 控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了建模，得到一個(gè)二階系統(tǒng)，然后分析了其時(shí)域特性，頻域特性，開環(huán)特性。圖 330 開環(huán)特性分析程序框圖 25 圖 331 RLC 電路根軌跡圖 332 RLC 電路零極點(diǎn)位置及相關(guān)參數(shù)由圖可知，系統(tǒng)根軌跡以及零極點(diǎn)均位于左半平面，故系統(tǒng)穩(wěn)定，這于上兩節(jié)分析結(jié)果相同。以下本文將以本章 RLC 電路為例，應(yīng)用 LabVIEW 研究二階系統(tǒng)的開環(huán)特性。由于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)零極點(diǎn)相關(guān)，如果極點(diǎn)響應(yīng)隨著時(shí)間變化而衰減，則該極點(diǎn)穩(wěn)定，如果極點(diǎn)響應(yīng)隨著時(shí)間變化而增大，則該極點(diǎn)不穩(wěn)定，如果極點(diǎn)響應(yīng)隨著時(shí)間變化而保持不變，則該極點(diǎn)臨界穩(wěn)定。如果一個(gè)離散系統(tǒng)至少包含一個(gè)在復(fù)平面單位圓外的極點(diǎn)，則該系統(tǒng)也不穩(wěn)定。如果系統(tǒng)只包含一個(gè)在原點(diǎn)的極點(diǎn)而沒有正極點(diǎn)，則系統(tǒng)臨界穩(wěn)定。如果一個(gè)離散系統(tǒng)的所有極點(diǎn)都在復(fù)平面的單位圓內(nèi)，則該系統(tǒng)穩(wěn)定。0?K??系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于系統(tǒng)的零極點(diǎn)位置。根軌跡是一個(gè)根據(jù)增益 K 的可能變化，在實(shí)軸 虛軸上表示極點(diǎn) s 位置的圖，起始于開環(huán)極點(diǎn)（ ） ，終止于 。KH 以本章 RLC 電路為例，用 LabVIEW 設(shè)計(jì)其 Nichols 頻域和 Nyquist 穩(wěn)定性特的程序框圖，如圖 327 運(yùn)行后可得 Nyquist 和 Nichols 曲線分別如圖 328 圖 329 23 圖 327 RLC 電路的 Nichols 和 Nyquist 頻域分析程序框圖圖 328 Nyquist 圖及參數(shù) 圖 329 Nichols 圖及參數(shù) 系統(tǒng)未環(huán)繞 點(diǎn)，故系統(tǒng)穩(wěn)定，這于該系統(tǒng)時(shí)域分析情況相同。如果檢驗(yàn) 的 Nyquist 圖，可以看環(huán)繞點(diǎn) 的圈數(shù)，其中 與環(huán)繞點(diǎn)（??s??,1K?s1，0）的 相同。??sY??sU (311)KHU??1閉環(huán)極點(diǎn)為方程 的根。確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的增益值的范圍。如果被控過(guò)程有一個(gè)不穩(wěn)定開環(huán)極點(diǎn)，則有一個(gè)負(fù)的順時(shí)針的環(huán)繞。可以使用該判據(jù)來(lái)確定被控過(guò)程需要環(huán)繞多少圈才能達(dá)到閉環(huán)穩(wěn)定。 Nyquist 圖包括頻率響應(yīng)的實(shí)部和虛部，預(yù)示給定的開環(huán)系統(tǒng)（包括增益 K）的閉環(huán)穩(wěn)定性。與此類似，也可以通過(guò)相位軌跡與開環(huán)曲線的交點(diǎn)來(lái)確定閉環(huán)相位響應(yīng)。檢驗(yàn) Nichols 圖來(lái)確定增?益裕度、相位裕度、帶寬和增益的變化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)行為的影響。幅值和相位的開環(huán)響應(yīng)曲線常為分析 Nichols 圖提供參考點(diǎn)。增益裕度為無(wú)窮大，所以系統(tǒng)穩(wěn)定，帶寬為 。以本章 RLC 電路為例，用 LabVIEW 設(shè)計(jì)其 Bode 頻域分析程序框圖如圖 324，圖 325 和圖 326 分別為幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)、增益裕度和相位裕度以及各參數(shù)。相位裕度也預(yù)示系統(tǒng)距離不穩(wěn)定多近。數(shù)學(xué)上，相位裕度表示當(dāng)增益為 0dB 時(shí)，相位超過(guò) 180176。 ， 的幅值小于 0dB 時(shí)，??sKH系統(tǒng)才穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)的 為增益 和動(dòng)態(tài)模型 串聯(lián)時(shí)，經(jīng)常使用這個(gè)分析。? 增益裕度增益裕度表示在閉環(huán)系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定前，所能夠增加的增益。Bode 圖也給出了系統(tǒng)的帶寬，也就是輸出幅值下降 3dB 或者降為原來(lái)的 %時(shí)的頻率。處理相位信息時(shí)使用線性刻度。描繪這兩個(gè)方程，將得到兩個(gè)圖——幅頻Bode 圖和相頻 Bode 圖。通過(guò)取響應(yīng)的絕?????對(duì)值可以得到幅值，通過(guò)取響應(yīng)的反正切得到相位。單位幅值，零相位的正弦輸入作用于系統(tǒng)時(shí)，可得： (38)????????ieAiH?其中 是響應(yīng)的幅值，是 的函數(shù)； 是相位。 接下來(lái)將應(yīng)用 LabVIEW 控制設(shè)計(jì)工具包進(jìn)行系統(tǒng)開環(huán)特性的 Bode 頻域分析，Nichols 頻域分析和 Nyquist 穩(wěn)定性分析。單位幅值，零相位的正弦輸入作用于系統(tǒng)時(shí)，頻率 決定了正弦輸出：? (37)???????ieAiH?其中 是響應(yīng)的幅值，是 的函數(shù)； 是相位。 18 圖 322 RLC 電路初始響應(yīng)程序框圖圖 323 RLC 電路初始響應(yīng)曲線圖由圖可知，系統(tǒng)的初試響應(yīng)符合理論預(yù)期值。下面以本章中的 RLC 電路為例，分析其初始響應(yīng)情況。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。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)。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)。 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。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。? 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。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。? 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。 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