基于Labview的控制系统设计与仿真.docx

本 科 生 毕 业 设 计 ( 论 文 )题目： 基于 Labview 的控制系统设计与仿真姓名：基于 Labview 的控制系统设计与仿真摘 要虚拟仪器是基于计算机的仪器，它是电子测量和计算机测试的先进技 术它具有优秀的分析和强大的数据采集和运算功能，基于 Labview 平台， 虚拟仪器将在控制和仪表领域的研究和应用大大提高在控制理论教学和实验过程中 ,存在着诸多的问题 ,如设备短缺 ,单调的 教学方法等因此，可以使用虚拟仪器有效地解决这些问题本文介绍了基 于 Labview 的控制系统设计与仿真研究,提出并确定实施方案的基于虚拟仪器 的控制系统仿真应用 NI 公司的 Labview 2009、控制设计工具包作为软件开 发工具，实现了控制系统的建模、分析与设计,这一系列过程可在计算机中仿 真用户可以在控制系统建模、性能分析、 PID 设计等设计和其他方面做研 究它将提供教学的质量和加快实验领域改革和创新本课题基于虚拟仪器技术，应用控制设计仿真模块，实现常见的典型控 制系统的仿真理论分析和算法分析系统的每一个子模块和虚拟仪器程序编 写的主要部分关键词： 控制系统；仿真； Labview；虚拟仪器技术ABSTRACTVirtual instrument is a computer-based instrument, it is an advanced electronic measurement technology and computer tests It has excellent analytical and powerful data collection and computing capabilities, based on Labview platform, virtual instruments and applied research in the field of control and instrumentation greatly improvedIn the process of control theory teaching and experiment, there are many problems, such as shortage of equipment, monotonous teaching methods, etc Therefore, we can use the virtual instrument to solve these problems effectively This paper introduces the design and simulation of control system based on Labview, the determination and implementation plan of control system simulation based on virtual instrument The NI Company Labview application, control design kit 2009 as a software development tool, and implements the modeling, analysis and design of the control system of this series of process computer simulation The user can control the system modeling, performance analysis, PID design, design and other aspects of the research It will provide the quality of teaching and accelerate the experimental field of reform and innovationThis topic is based on virtual instrument technology, the application of control design and simulation module; realize the simulation of typical control system of common Each sub-module theoretical analysis and algorithm analysis systems and virtual instrument are written in the main part of the programKeywords: Control System; Simulation; Labview； Virtual Instrument Technology目录第 1 章 绪论 11.1 课题背景 11.2 控制系统仿真的意义 11.3 控制系统仿真的研究现状 21.4 本课题研究内容 31.5 本章小结 3第 2 章 LABVIEW 软件介绍 52.1 LABVIEW 简介 52.2 虚拟仪器(VI) 72.2.1 虚拟仪器的概念 72.3 LABVIEW 编程语言的特点 82.3.1 图形化编程 82.3.2 数据流驱动 122.4 LABVIEW 的应用领域 122.5 控制设计工具包 132.6 本章小结 15第 3 章 控制系统设计与仿真 163.1 LABVIEW 软件的控制设计工具包 163.1.1 控制设计工具包中的创建传递函数模型 163.2 时间响应选板 173.2.1 传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应 183.3 频率响应选板： 203.3.1 波特图曲线 203.3.2 奈奎斯特曲线 213.3.3 系统的增益和相位余量 223.4 动态特性选板 233.4.1 根轨迹曲线 243.5 锅炉液位控制系统的校正与比较 253.6 本章小结 28第 4 章 结论与展望 304.1 结论 304.2 不足之处及未来展望 30参考文献 3 1第 1 章 绪论1.1 课题背景控制理论是众多工科专业普遍开设的一门专业基础课，由于控制理论较 抽象、课堂教学手段单一，学生接受起来较为困难而随着高等教育规模的 不断扩大， 原有教学仪器设备资源相对短缺， 也无法满足实验教学的需要 旧 的实验教学模式越来越不适应时代发展的要求，教学和实验的体制和模式的 改革势在必行1在控制理论教学中，实验能够使学生加深对所学知识的理解，提高将理 论应用于实践的能力，是教学活动中不可缺少的环节，对于培养学生的综合 素质和实践技能都至关重要采用虚拟实验的方式，一方面能够给学生提供 更充分的时间和更多的机会来接触和研究所做的实验，打破了传统的实验模 式，给学生更多思考和分析时间，培养学生理论联系实际的思维方式；另一 方面由于虚拟实验可以为硬件(实验设备)和软件(数据分析)的结合，这 样可以激发学生的兴趣来自己设计和改进虚拟实验的程序，给他们更多的自 主性，调动创新意识，培养创新能力2本课题是基于虚拟仪器技术，实现常见的典型控制系统的仿真输入相 关参数，即可得出仿真结果；将抽象的、静态的理论知识转化为具体的、动 态的演示模型根据教学需要，将控制理论中常见的、典型的实例利用相关 软件工具(如 Labview、 MATLAB 等)实现建模、分析、设计过程的仿真， 一方面有利于理论教学工作的开展；另一方面对于实验教学会起到一定的指 导作用；此外控制系统的综合设计也将有利于学生综合掌握控制理论，而不 是将控制理论看作章节割裂的理论以上几点对于教学实际具有非常现实的意义1.2 控制系统仿真的意义随着计算机仿真理论与技术的发展，目前各个科学与工程领域均已开展 了仿真技术的研究系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在或设 计中的系统系统仿真技术已经被公认为是一种新的实验手段，在科学与工 程领域发挥着越来越重要的作用2早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来但随着控制理 论的迅速发展，只利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计 算机辅助设计方法控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相 当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视“控制系统仿真”就是利用计算机研究控制系统性能的一门学问， 它依赖于 现行自动控制原理课程的基础知识，但侧重点不同3 控制系统仿真更侧 重于控制理论问题的计算机求解，可以解决以往控制原理不能解决的问题， 使学生或科研工作者将主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是花费 在没有太大价值的底层重复性机械劳动上这样可以对控制系统建模、分析、 设计过程有较好的整体了解， 避免“只见树木， 不见森林”的认识偏差， 提高控制器设计的效率和可靠性41.3 控制系统仿真的研究现状控制系统仿真的研究与计算机仿真理论与技术的发展是密不可分的，国 际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：软件包阶段、 交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段其中影响较大、具有代 表性的软件有：瑞典 Lund 工学院的教授主持开发的一套交互式 CACSD 软件 INTRAC； 日本的古田胜久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持开发的 DPACS-F 软件 英国 Manchester 理工大学的控制系统计算机辅助设计软件包英国剑桥大学推出的线性系统分析与设计软件 CLADPNASA Langley 研究中心的 Armstrong 开发的 LQ 控制器设计的ORACLS 美国 Mitchell 与 Gauthier Associate 公司推出的仿真语言 ACSL美国 IBM 公司开发的仿真语言 CSMP美国学者 Cleve Moler 等人推出的交互式 MATLAB 语言 The MathWorks 公司推出的图形化的基于框图的 Simulink 仿真环境我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果有：中科院系统科 学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的 CADCSC 软件；清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序；北京化工学院吴重光、 沈成林教授的著作和程序，以及中科院沈阳自动化研究所马纪虎研究员主持 开发的 CSMP-C 仿真语言等5在上述软件中， MATLAB 语言能反映当今系统仿真领域的最高水平，同时也是最实用的软件当然，这并不意味着我们在控制系统仿真方面仅仅满 足于使用 MATLAB 语言而不考虑新的可行方案例如， Labview 控制与仿真 工具包既可实现控制系统仿真又弥补了 MATLAB 人机界面设计不方便、 无法 进行端口操作、不能实现实时监控等不足之处，在一定程度上可以替代MATLAB 成为控制系统仿真的有力工具1.4 本课题研究内容本课题结合控制理论教学与实验的实际需要，选取控制理论中常见的、 典型的实例应用 NI 公司的 Labview 2009、 Labview 控制设计工具包为软件 开发工具，实现控制系统的建模、分析、设计过程的仿真主要研究内容有 以下几个方面：(1) 控制系统仿真方案的选定提出“基于 Labview 的控制系统仿真”的可行性方案并对其进行分析、论 证，确定最终的实施方案(2) 控制理论中典型实例选择与理论分析选取控制理论教学和实验中常见的、典型的实例，完成其理论方面的建 模、分析、设计(3) 控制模型相应的仿真 VI 设计在(2)的基础上，基于 Labview 2009 平台，使用必要的工具包完成建模、 分析、设计的相应的 VI 设计，完成控制系统仿真的主要程序设计1.5 本章小结本章介绍了本课题研究的背景、控制系统仿真的意义、控制系统仿真的 研究现状和本课题研究的内容本课题是基于虚拟仪器技术，实现常见的典 型控制系统的仿真输入相关参数，即可得出仿真结果；将抽象的、静态的 理论知识转化为具体的、动态的演示模型第 2 章 Labview 软件介绍2.1 Labview 简介Labview 是一种所谓的编程语言， 与其他常见的编程语言相比， 图形化编 程语言是他的最大的特点常见的编程语言(如 C、 Java、 VB 等)都是文本 编程语言，它们使用的领域和方法虽然各不相同，但都有一个共同特点：都 是使用字母构成单词，用单词表示数据存储的地址或对数据的各种操作；再 由单词构成语句，用语句表示完整的对某个数据的赋值、计算等操作文本 编程语言由指令和语句的先后顺序来判断哪些程序先执行，哪些后执行；但 是数据流编程方式是 Labview 采用的方式，程序的执行顺序由程序框图中节 点之间的数据流向来决定， Labview 的函数用图标来表示， 它的数据流向用连 线来表示6Labview 平台提供了很多的控件，这与传统仪器(如万用表、示波器)外 观相似，可以提供便利为创建用户界面 Labview 中，用户界面就是我们常说 的前面板，在后端，我们可以使用连线和图表，用户界面上对象通过编程的 方式来实现对其的控制， 这就是图形化源代码， 也可称为 G (Graphics) 代码， 某种程度上而言， G 代码和数据流程图是差不多的，所以也被称为程序框图 代码，前面板上的控件都与程序框图中每一个对象相对应，控件会根据自己 的特性用某种固定的方式来显示出数据当有数据进来的时候，例如图形，数 字或开关7 图 2-1 和 2-2 就是一个 Labview 程序的前面板与程序框图，该例 模拟了一个温度采集系统图 2-1 Labview 前面板框图图 2-2 Labview 程序框图举例Labview 程序被称为 VI (Virtual Instrument)， 既虚拟仪器， 这是因为它的 很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器，例如示波器与万用表等 Labview 的核心概念就是软件即是仪器，即虚拟仪器概论8 Labview 中 提供了大量的函数与工具进行存储与显示、分析和数据采集等这些工具都是面向用户的工具，我们只需要按照提示去做，参数的设置和仪器的连接就 不难实现但是我们不需要去花时间来记住这些函数，这些函数被集成在 Labview 的函数面板上并且以图标和名称的形式显示出来 使用时， 先在函数 面板上面找到需要的函数，再把它拖到程序框图中就完成了没有图形化的 编程语言，这一切就不可能实现工业界、研究实验室和学术界广泛地使用 Labview 这个软件，把它当作 一个标准的生产设备控制软件和数据采集软件 Labview 提供了 ActiveX 、 TCP/IP 等软件的库函数以便于应用，并且提供了数据采集卡通信的所有作 用它还提供了 VXI、 GPIB 和串口通信协议 Labview 是一个功能强大并且 灵活的软件9可以利用 Labview 便捷地设计虚拟仪器按自己的需要 Labview图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣2.2 虚拟仪器(VI)2.2.1 虚拟仪器的概念Labview 软件提供了强大的虚拟仪器功能 Labview 早期是专为模拟测试 测量仪器而设计的， Labview 的第一个版本始于 1986 年把相关的数据采集 卡插在一台计算机上，再配上一段 Labview 程序，就成了一台可以完成一定 的测量功能的虚拟仪器 因此， Labview 的源代码文件的后缀名在保存时采用 了 VI (虚拟仪器 Virtual Instrument 的首字母缩写) 10虚拟仪器指的是为实现各种仪器的功能而依托通用的计算机硬件和操作 系统虚拟仪器是建立在计算机上面的仪器，随着计算机技术的快速发展， 虚拟仪器的功能也得到很大的发展虚拟仪器可以用来完成仿真、控制、测 量测试等各种功能，其借助于高性能的模块化硬件和灵活通用的软件NI 公司提出了虚拟仪器理念的核心思想即“软件即是仪器”概念被这 思想的感染，使用 I/O 部件、软件和工作站或个人电脑来创建虚拟仪器 I/O 部件可以是传感器、数据采集板(DAQ)、模块化仪器或独立仪器 NI 提供 的虚拟仪器产品有 VXI 控制产品、 数据采集产品、 信号处理产品、 DSP 产品、 图像采集产品和软件产品(如 Labview)等2 2 2 虚拟仪器技术的优势虚拟仪器技术与其他技术比起来具有四个优势11：1 高性能在 PC 技术的基础上发展起来的虚拟仪器技术包含了现代 PC 技术的优 点， 包含文件 I/O 和性能强大的处理器， 在磁盘高速导入数据的同时可以对数 据进行分析还有，虚拟仪器技术得益于计算机网络的不断发展，其优势正 在不断加强2拓展性好NI 硬件和软件工具， 使我们不再受到现有技术的限制 感谢 NI 软件的灵 活性，倘若要改进整个系统，只需要少量硬件上面的投入和极少甚至不需要 软件上的升级用户可以把最新的技术集成到现有的测量设备中，这将最终 使成本较低，并加快产品上市时间3开发周期短在应用和驱动两个层面上， NI 高效的软件构架能方便地与计算机和虚拟 仪器的最新技术结合在一起 为了方便用户的操作就是 NI 设计这一软件构架 的目的同时提供了强大的功能和灵活性，让用户可以轻松地配置、创建、 修改和维护控制和测量解决方案，这个方案拥有高性能和低成本的特点4无缝集成从本质上来说虚拟仪器是一个集成了软硬件的系统随着产品功能的不 断复杂化，测试需求也不断提高，测试需要的设备也不断增加，而不同设备 的连接和集成一般会消耗比较多的时间 NI 的虚拟仪器平台定义了标准的接 口，所有的设备都是用标准的接口，借助于这一点，可以轻松的把多个测量设备集成到一个系统，使复杂的任务简单化122.3 Labview 编程语言的特点在学术界和工业界中普遍使用 Labview 作为仪器分析软件、控制软件和 开发数据采集系统的标准语言，在工程应用和科学研究领域使用是很理想 的工程师和科学家们利用它种类丰富的函数库可以便捷快速地搭建功能复 杂的测控系统数据流驱动和图形化编程是 Labview 编程语言最主要的两个 特点132.3.1 图形化编程Labview 是一种编程语言， 与其他常见的编程语言相比， 最大的特点就在 于它是一种图形化编程语言 Labview 不是唯一的图形化编程语言， 却是当今 最完善、影响力最大的一种图形化语言常见的编程语言(如 C、 Java、 VB等)都是文本编程语言，它们使用的领域和方法虽然各不相同，但都有一个 共同特点：都是使用字母构成单词，用单词指定数据存储的地址或对数据的 各种操作；再由单词构成语句，用语句表示完整的对某个数据的赋值、计算 等操作14 这几种计算机语言都借鉴了人类的自然语言，尽管他们比自然语 言要简略、死板、严格，但是他们的词法、语法等概念和自然语言是一样的文本语言它的优点是效率高，用简短的文字就可以表达丰富的含义；它 的缺点也很明显：文本不够直观，也不容易学习在使用文本语言编程之前， 必须花费较多的时间学习并熟记其关键字、数据的表示方法、语法等目前，多数高级的编程语言都引进了可视化设计的方式在进行程序界面 设计时，或者成为所见即所得的设计方式编程者就不需要敲入文本得命令， 直接使用鼠标就可以调整和选择应用程序的界面，直接看到程序运行时的结 果但是，这样的编程语言仍不能被称为图形的编程语言，他们在设计界面 时虽然采用了图形的方式， 但程序功能依然通过文本编程来实现 Labview 不 但在程序界面设计时采用了与其他高级语言类似的图形化方式，更重要的是 在编写程序代码、 实现程序功能的同时， 使用的也是图形化的操作方式15 打 开 Labview 的程序，由许多条彩色线段连接起来的、各式各样的小图形块而 不是逐行的文本这种全新的编程方式由于图形比文字更为直观，因而 Labview 比其他编程语言更适合初学者学习Labview 的编程效率之高也是文本的编程语言所无法比拟的 Labview 拥 有丰富的工具包，可以为编程者提供其所需的大部分功能，尤其是针对测控、 仿真等领域因此，在 Labview 的程序中，有时几个非常简单的图形和连线 就能够完成文本语言中的几十行甚至上百行代码才能完成的功能在 Labview 软件启动时，将出现一个未命名的前面板窗口该窗口是 VI 代码的接口界面，也是组成 VI 的两种 Labview 窗口之一另一个窗口是程序 框图，其中包含了各种以图形方式(诸如图标、连线等)表示的程序代码图 形对象组成了前面板和程序框图前面板提供了了很多指示器和控件(即输 出和输入)前面板上的指示器和控件对应于程序框图中包含的端子，程序框 图中还提供连线、结构、子VI、函数以及常量程序的控制元素(比如While 循环和 For 循环)是结构如图 2-3 所示的是一个典型的正在运行的 VI 实例的前面板，前面板表示的是一个温度采集系统的仿真界面前面板主要包括菜单项、前面板工具条、 控件选项板和工具选项板等，如前面板图中所示的各部分 VI 前面板组合了 指示器和控件控件仿真普通仪器上的输入设备类型，如开关和旋钮，并通 过一个通道将输入从前面板发送到程序框图指示器包括字符串指示器、数字、布尔型、图表和图形图 2-3 温度采集系统的前面板前面板是 VI 的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用 户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、 图形、表格等各种不同方式显示出来如图 2-4 所示的是温度采集系统的仿真前面板对应的程序框图 利用其作 为一个 Labview 的虚拟仪器功能应用的一个简单例子，通过该实例，介绍 Labview 的虚拟仪器功能程序框图主要包括菜单项、框图工具条、函数选项 板和工具选项板等，如框图中所示的各部分，由框图组成的图形对象共同构 成出通常说的程序代码而此处并不是一般的文本程序代码，而是图形化编 程的图标语言所以 Labview 的框图(表面上类似于计算机程序流程图)与 文本编辑语言中的文本行相对应事实上，框图是实际的可执行代码，编程 时代码及时编译，当出现错误时则立即反馈，例如不兼容的数据类型连线错 误框图是通过将完成特定功能的对象连接在一起构建出来的框图的组件 属于以下三类对象之一： 1节点(Nodes)：程序执行元素； 2端子(Terminals)： 在框图和前面板之间以及框图节点之间数据传输通过的端口； 3连线(Wires)： 端子间的数据路径图 2-4 温度采集系统程序框图图标是 VI 图形的符号，连接器则用来定义输入和输出的，每一个 VI 都 有图标和连接器 用户要做的工作就是适当地设置参数， 并连接各个子 VI用 鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程是编程一般步骤，与烦琐枯燥 的文本编程相比更为简单、生动和直观图 2-5 所示的是一个子 VI 的图标和连接器，以及通过连线进行编程的过程图 2-5 虚拟仪器(VI)的图标和连接器如果拿传统仪器与虚拟仪器做个比较，传统仪器的操作和显示面板就相 当于虚拟仪器前面板，提供相关数据的显示和参数的设置，程序框图就像是 仪表内部的控制器，对输入的参数进行运算而得到结果并输出，而图标和连 接器就相当于控制器的各个元件这些东西组合在一起，使仪器能够提供用 户所需要的功能2.3.2 数据流驱动Labview 是数据流驱动的编程语言： 数据在数据线上流动， 每个节点通过 输入端的连线接收到数据，对其进行处理，再把结果传给输出端连线为了 符合数据流的概念，多数情况下 Labview 函数(或子 VI)使用的传递参数方 式是值传递：就仿佛是整个数据在连线上流动，遇到一个节点，便一股脑都 传到节点中去必要时，譬如数据线分叉的时候，数据便生成一个副本，这 样就有了两份同样的数据，沿着不同的分支继续传递在 Labview 中选择“高亮显示执行过程”，就可以以动画方式来显示程序 框图的执行过程， 如图 2-6 所示， 可以观察到数据流驱动的方式 数据用有色 的小圆点来表示，在节点间的连线上按照设定的方向移动，图中液罐的体积 和底面积的值被传送到除法器运算过后再把结果发送到下一个节点，这就是数据流驱动方式图 2-6 数据流驱动方式2.4 Labview 的应用领域Labview 编程语言有很多优点， 尤其在某些特定领域， 它的优势更加明显 15测试测量： Labview 当初本意就是为了测试测量而设计的，因而当前 Labview 被应用得最广泛的领域就是测试测量经过多年发展， Labview 在测 试测量领域获得了广泛的支持至今，使用 Labview 可以非常便捷地控制这 些硬件设备因为大多数主流的测试仪器、 数据采集设备都拥有专门的 Labview 驱动程序用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的 Labview 工具包同时用户也可以十分方便地控制这些硬件设备 18 这些工具包几乎 覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础之上再开发程序就容 易多了有时甚至只需要简单地调用工具包中的函数，就可以组成一个完整 的测试测量应用程序快速开发：根据统计，完成一个与这功能类似的大型应用软件，熟练的 Labview 程序员所需的开发时间， 大概只是熟练的 C 程序员所需实践的 1/5 左 右所以如果项目开发实践紧张，应该优先考虑使用虚拟仪器，以缩短开发 时间跨平台：如果同一个程序需要在多个硬件设备之上运行，也可以优先考 虑使用 Labview因为 Labview 具有良好的平台一致性 Labview 代码不需要 任何的修改就可以运行在常见三大台式机操作系统上： Windows、 Mac OS 及 Linux 除此之外， Labview 还支持各种嵌入式设备和事实操作系统，比如常见的 PDA、 FPGA 以及运行 VxWorks 和 PharLap 系统的 RT 设备2.5 控制设计工具包(1) 组成Labview 控制设计工具包(Control Design Toolkit)共有五部分： PID Control 工具包、 Control Design and Simulation 工具包、 Simulation Interface 工具包、 System Identification 4 0 系统辨识工具包、 Signal Express v3 0(Windows 版) 交互式测量软件工具包本课题主要使用 Control Design and Simulation 工具 包，因此在这里重点对该模块作一些介绍在正确安装了 Labview 控制设计工具包后，函数选板中会出现相应的“控 制设计与仿真(Control Design &Simulation)”子选板， 其中包含了控制设计与仿真所有的 VI 库，如图 2-7 所示：图 2-7 控制设计工具包的 VI 库控制设计与仿真工具包中所包含的 VI 库是相当丰富， 涵盖了控制系统数 学模型的建立、转换，各种时域和频域分析方法，以及经典和现代控制理论 中所涉及的其他许多分析和设计方法，使得该工具包完全可以成为控制设计 和仿真领域内一个独特和强大的工具平台(2) 特点Labview 控制设计工具包(Control Design Toolkit)是一个用于分析、 设计和 实现控制系统的工具与数学函数集合3,7 借助该工具包， 可以方便快速地对 系统进行建模、转换、分析、求解等各种操作；可将烦琐的计算和绘图过程 交给计算机去完成，并快速得到正确的分析结果作为 NI Labview 图形化系 统设计平台的组成部分， 该工具包具有高性能、实时运行及高级 Kalman 滤波 等功能，有助于工程和科研人员快速进行控制系统的设计及最终实现新版的 Labview 控制设计工具包(Version 2 1)进一步增强了 Labview 的 图形化开发环境，为控制设计工程人员提供了更加完整的工具组件可计算 分割 I/O 延迟， 从而实现更加精确的模型和整体增强的闭环系统性能 该软件 还无缝集成了 Labview 的仿真模块(Simulation Module)，可帮助设计人员描述 非线性和连续系统，并完整实现其设计过程的验证可用于实现复杂、实时 应用系统的建模、分析和设计，适用于汽车、航空、复杂机械控制及硬件在 环(hardware-in-the-loop)等应用， 其中高级 Kalman 滤波功能对于无人车辆的实 时导航系统非常有用(3) 与 MATLAB 控制系统工具箱的比较Labview 控制设计工具包与 MATLAB 控制系统工具箱 (Control System Toolbox)实现的功能很相似 它们都对控制系统， 尤其是线性时不变(LTI)系统 的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案，也避免了繁琐的编程工作， 是线性控制系统分析和设计的高效率工具在二者基础上都可以进行二次开 发，开发出实验教学系统或是 CAI 课件目前研究比较多的是利用 MATLAB 控制系统工具箱进行二次开发， 主要应用到 MATLAB 软件中的图形用户界面 (GUI)设计技术与之相比，利用Labview 控制设计工具包进行二次开发的优 势集中体现为用户界面设计比较方便，开发者可以把精力集中于程序的编写 上，这是由 Labview 软件“所见即所得”的特点所决定的2.6 本章小结本章详细介绍了 NI 公司的 Labview 软件，以及它的编程语言和应用领 域其中最关键的是 Labview 软件中的工具模块本课题主要用到的是控制 设计工具包，所以在本章中也详细介绍了控制设计工具包第 3 章 控制系统设计与仿真3.1 Labview 软件的控制设计工具包控制设计工具包可以在结构框图的控制设计与仿真选板中找到如图 3-1这些模块中的函数用于创建各种类型的模型，例如状态空间模型、传递函数模型和零点/极点/增益模型等图 3-1 控制设计模块3.1.1 控制设计工具包中的创建传递函数模型控制设计工具包中的创建传递函数模型在图 3-1 中的 Model Construction 模块中选择下图所示图块图 3-2 单输入单输出传递函数端子如上图 3-2 所示 重要的端子为分子和分母 与前一个例子一样， 一 旦模型被创建，那么它既可以被显示在前面板中，也可以连接到其它函数 上 示例： 如果传递函数是错误!未找到引用源。， 那么分子和分母需要按照以下方式进行输入如下图 3-3图 3-3 输入系数在 Labview 软件中，数组的第一个元素为错误!未找到引用源。 的系数，第二个元素为错误!未找到引用源。 的系数， 第三个元素为错误!未找到引用源。的系数，3.2 时间响应选板图 3-4 时间响应模块在这个选板中被经常使用的虚拟仪器包括控制设计阶跃响应和控制设计 冲击响应他们也是多项式函数如图 3-43.2.1 传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应下面的结构图 3-5 显示了传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应 如果传 递函数是错误!未找到引用源。，我们可以在阶跃响应和脉冲响应函数的输出端子上创建指示器，来获得输出曲线图，如图 3-6图 3-5 传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应的后面板图 3-6 传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应的前面板由此可见，同一系统中，不同形式的输入信号所对应的输出响应时不同 的，但对于线性控制系统来说，它们所表征的系统性能是一致的通常以单 位阶跃函数作为典型输入信号，可在一个统一的基础上对各种控制系统的性 能进行比较和研究3.3 频率响应选板：图 3-7 频率响应选板这个子选板中被使用得最频繁的函数是 CD Bode、CD Nyquist 和 CD Gain and Phase Margins这些函数被频繁使用，它们也是多项式形式的如图3-73.3.1 波特图曲线这个函数给出了系统的幅度和相位的波特图曲线，其输入是一个开环模型于是，我创建了一个如下的前后面板显示波特图，如图 3-8、 3-9图 3-8 系统 CD Bode 的后面板图 3-9 系统 CD Bode 的前面板从图 3-9 中可以看出，当 0 时，幅值趋向于-40db，相位趋向于 0； 当 时，幅值趋向于无穷，相位趋向于 -90；当= n=10s-1 时，频率 响应进入转折点，幅值最大，而相位为 03.3.2 奈奎斯特曲线这个函数给出了系统的奈奎斯特曲线如图 3-10、 3-11图 3-10 系统 CD Nyquist 的后面板图 3-11 系统 CD Nyquist 的前面板3.3.3 系统的增益和相位余量这个函数给出了系统的增益和相位余量，同时还有幅度和相位曲线图， 用来显示增益和相位余量发生的位置 如图 3-12 的后面板程序图，图 3-13 的前面板的仿真图图 3-12 系统 CD Gain and Phase Margin 的后面板图 3-13 系统 CD Gain and Phase Margin 的前面板3.4 动态特性选板这些函数用来查找系统的动态特性，如根轨迹、直流增益、时间响应参 数等如图 3-14