基于LabVIEW的控制系统仿真(毕业设计论文)

基于LabVIEW的控制系统仿真

摘要

在控制理论教学和实验中，存在着设备短缺、教学手段单一等问题，采用虚拟控制系统实验方式可有效地解决这些问题。本文对控制系统仿真的意义与研究现状作了介绍，提出并确定了基于LabVIEW的控制系统仿真的实施方案。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的计算机仿真。经过编写程序和发布应用程序，最终开发出了一种交互式实验教学系统。该系统包含信号发生器、典型环节、质点－弹簧－阻尼器系统和一级倒立摆系统四个子模块，用户可进行控制系统建模、性能分析、PID设计、LQR设计等方面的研究。各个子模块运行良好，整个系统具有操作简单、界面友好和实时交互的特点；对于教学和实验的改革和创新具有一定的指导意义。

文中详细介绍了该实验教学系统的设计思路与设计过程。主体部分是对系统各个子模块的理论分析、相应的算法分析和虚拟仪器程序的编写，此外还涉及程序的动态调用和发布应用程序等容。

关键词：控制系统；仿真；LabVIEW；倒立摆；实时交互

Simulation of Control System Based on LabVIEW

Abstract

In the teaching and experimental process of control theory, there exist problems such as equipment shortages, monotonous teaching methods and etc. We can use Virtual Instrument to solve these problems effectively. This paper introduces the significance and research status of the control system simulation, puts forward and determines the implement scheme of the Control System Simulation Based on LabVIEW. Use NI's products (LabVIEW 2009, Control Design Toolkit) as software development tools to realize computer simulation of the control system modeling, analysis and design process. After writing programs and publishing applications, we can achieve an interactive experimental and teaching system. The system consists of four sub-modules: signal generator, typical elements, the mass-spring-damper system and the single inverted pendulum system. Users can do research in control system modeling, performance analysis, PID design, LQR design and other aspects. Each sub-module of the system runs well, the whole system has the features as follows: simple, friendly interface and real-time interactive. It will provide the teaching and experiment field with reform and innovation.

This paper describes the thinking and design process of the system in details. Theoretical analysis and algorithm analysis for the sub-module and Virtual Instrument programs writing are the main parts. It also discusses the dynamic program invocation and publishing applications and so on.

Keywords:Control System; Simulation; LabVIEW; Inverted Pendulum; Real-Time Interaction

目录

1 绪论.................................................................... I

1.1 课题背景 ................................................................. - 1 -

1.2 控制系统仿真的意义........................................................ - 1 -

1.3 控制系统仿真的研究现状.................................................... - 2 -

1.4 本课题研究容 ............................................................. - 2 -

2 LabVIEW概述........................................................ - 4 -

2.1 虚拟仪器技术 ............................................................. - 4 -

2.2 控制设计工具包 ........................................................... - 5 -

3 系统方案的选定...................................................... - 7 -

3.1 系统概述 ................................................................. - 7 -

3.2 系统方案的比较与选定...................................................... - 7 -

3.3 系统子模块的规划.......................................................... - 9 -

4 系统设计........................................................... - 10 -

4.1 信号发生器 .............................................................. - 10 -

4.1.1 确定方案............................................................ - 10 -

4.1.2 VI设计 ............................................................. - 10 -

4.2 典型环节 ................................................................ - 13 -

4.2.1 建模及理论分析...................................................... - 13 -

4.2.2 VI设计 ............................................................. - 14 -

4.3 质点－弹簧－阻尼器系统................................................... - 18 -

4.3.1 建模与模型转换及其VI设计........................................... - 18 -

4.3.2 模型分析及其VI设计................................................. - 21 -

4.3.3 PID设计及其VI设计 ................................................. - 25 -

4.4 一级倒立摆系统 .......................................................... - 29 -

4.4.1 建模与分析及其VI设计............................................... - 30 -

4.4.2 LQR设计及其VI设计 ................................................. - 36 -

4.4.3 实时仿真及其VI设计................................................. - 41 -

4.5 动态调用VI的设计........................................................ - 44 -

4.5.1 VI的动态调用 ....................................................... - 44 -

4.5.2 VI设计 ............................................................. - 45 -

5 发布应用程序....................................................... - 47 -

5.1生成独立可执行应用程序................................................... - 47 -

5.2生成安装程序............................................................. - 49 -

6 总结和展望......................................................... - 52 -

6.1 总结 .................................................................... - 52 -

6.2 展望 .................................................................... - 52 - 参考文献............................................................. - 53 -附录................................................................ - 54 -致.................................................................. - 70 -

1 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。

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。

本课题是基于虚拟仪器技术，开发一种交互式实验教学模块，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。

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[9]。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。

1.3 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m o str A Karl

.. 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CLADP

● NASA 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；清华大学增圻、袁曾任教授的著作和程序；化工学院吴重光、成林教授的著作和程序，以及中科院自动化研究所马纪虎研究员主持开发的CSMP-C 仿真语言等[8]。

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，最终将开发出一种交互式实验教学模块。主要研究容有以下几个方面：

(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