基于LabVIEW的控制系统仿真毕业设计

1 绪论 (1)

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 (55)

致谢 (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

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。

(4)程序的动态调用

对(3)中设计的VI进行动态程序控制，实现在程序运行时VI的调用，从而达到将各个子模块集成在一起，形成一个综合的实验教学系统。

(5)应用程序发布

优化人机界面，发布应用程序，生成独立可执行应用程序和安装程序。

2 LabVIEW概述

2.1 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是近年来诞生并迅速发展的一种新型网络测控技术，它主要应用于由传感器或其他数据采集设备得到的数据的远程传输与通信，与一般的信息网络技术不同。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义的模式，用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统。它使测量仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代。随着微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的高度发展和远程虚拟仪器技术的普及，系统的测量、分析、输出、测控等部分可以实现空间上的分离。

1986年，美国国家仪器公司（National Instruments Corp，NI）首先提出了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念。虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得用户在操作这台计算机时，就像是在操作一台专用的传统电子仪器。

虚拟仪器是传统仪器功能与外形的模块化和软件化，通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，也可分为硬件平台和软件平台。构成虚拟仪器的硬件平台有两大部分：⑴计算机：一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。⑵I/O接口设备：主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换。构成虚拟仪器的软件平台包括应用软件和I/O 驱动软件：⑴应用软件。包含两个方面的程序：①实现虚拟面板功能的前面板软件程序。

②定义测试功能的流程图软件程序。⑵接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信[1,4]。

在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，粗略地说这种结合有两种方式：一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓的智能化仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指后一种方式。图2-1反映了常见的虚拟仪器方案[2]。

图2-1 常见的虚拟仪器方案

由于采用了通用的硬件和计算机，使得系统的成本下降，开发周期缩短，维护的成本降低。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下几个特点：

(1)开放性：在一定的通用硬件模块和软件环境支持下，用户可以根据实际情况设

计出自己的测试方案，以完成不同的测试任务。

(2)模块化：各种测量数据可以由不同的处理模块进行处理。

(3)可重复性：传统仪器有使用寿命、使用次数的限制。而用LabVIEW创建的虚拟仪器，可重复使用，完全不受时间、地点、使用次数的制约。

(4)自定义性：用户能够根据自己的需要定义仪器功能。

(5)低价位：现代计算机性能价格比的不断提高，使得越来越多的用户认可并接受虚拟仪器系统。应用虚拟仪器系统技术，用户可以用较少的资金、时间、系统开发和维护费用，开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。

(6)灵活性：它可以很方便地通过选择不同的硬件配置和改变软件来实现各种测控功能，使得硬件资源具备了再用性。

虚拟仪器作为现代仪器仪表发展的方向，己迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用己经十分普及。从90年代开始，国的一些大学也相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，虚拟仪器的研究也被列为国家自然基金优先资助领域。今后，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。2.2 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、SignalExpress 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2-2所示：