matlab和labview混合编程在控制系统仿真中的应用
基于Labview与Matlab混合编程的应用研究
基于Labview与Matlab混合编程的应用研究
袁培铎
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2007(036)006
【摘要】介绍了Labview与Matlab混合编程的方法,通过两个实例,介绍了利用Matlab script节点实现混合编程的应用.Labview与Matlab编程软件的结合运用,可实现优势互补,有利于控制系统程序的仿真,提高编程效率,也是一条开发智能虚拟仪器的有效途径.
【总页数】4页(P129-131,153)
【作者】袁培铎
【作者单位】河海大学,电气工程学院,江苏,南京,210098
【正文语种】中文
【中图分类】TP311.11
【相关文献】
bVIEW和MATLAB混合编程在内螺纹冷挤压信号分析中的应用研究 [J], 梁瑜轩;黎向锋;左敦稳;黄小龙;史大彬
2.Matlab与LabVIEW混合编程方法应用研究 [J], 徐何;李滔;李勇
bVIEW和MATLAB混合编程在内螺纹冷挤压信号分析中的应用研究 [J], 梁瑜轩;黎向锋;左敦稳;黄小龙;史大彬
4.一种基于LabView与Matlab的混合编程技术的试飞监测系统设计 [J], 肖娜; 孔祥伟
5.基于LabVIEW和MATLAB混合编程的实时自适应滤波系统 [J], 任静宜; 古琳; 龙盛蓉
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
LabVIEW与Matlab_Simulink混合编程方法及应用_黄世奎
(b)LabVIEW的 ActiveX编程运行效果 图 3 LabVIEW的 ActiveX编程与运行效果
基于 ActiveX自动化技术的开发方式可以更加灵 活地对 Matlab进行控制 , 方便地使用 Matlab的各种工 具箱 , 适合于较大的应用程序开发 , 但在调用大型算法 时 , 经常会遇到数据类型的转换 , 尤其是变体与其他类 型的转换 , 因此 , 必须明确输入 、输出数据的具体类型 , 而且要尽量减少数据传输量和启动 Matlab自动化服 务器的次数 。 2.3 利用 COM组件技术
1 引 言
LabVIEW是目前应用最广 、发展最快 、功能最强 的图形化虚拟仪器软件开发集成环境之一[ 1] , 尽管如 此 , 它对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应 用仍显得有些力 不从心[ 2] 。 而 Matlab是一个为科学 和工程计算专门设计的高级交互式的软件包 。 Matlab 集成了各种领域的数据处理工具包 , 是一个可以完成 各种计算和数学处理的可视化 、强有力 、易于使用和理 解的工具 [ 3] , 但在 循环处 理 、图形 界面 开发 、信号 测 量 、网络通信 、硬件控制等方面明显逊色于 LabVIEW。 因此 , 将 LabVIEW与 Matlab/Simulink混合编程 , 实现 两者相互通讯 、优势互补 , 对于开发功能更为强大的智
(a)fuzzyPID程序框图
(a)LabVIEW的 ActiveX编程
(b)模糊控制系统的输入 、输出曲线 图 2 基于 MatlabScriptNode混合编程技术的应用实例
该 实例中 的 fuzzyPID算法是 由 Matlab/Simulink 构建 , 然后通过在 MatlabScriptNode中编写脚本程序 使之能在 LabVIEW环境下运行 。
基于LabVIEW和MATLAB的过程控制虚拟仿真平台研究
第28卷 第2期2006年4月电气电子教学学报J OU RNAL OF EEEVol.28 No.2Apr.2006基于LabVIEW和MAT LAB的过程控制虚拟仿真平台研究郭一楠,程 健,陈 颖(中国矿业大学 信息与电气工程学院,徐州江苏221008)摘 要:过程控制课程内容涉及面广,且与生产实际结合紧密。
为有效促进学生对课程内容的理解,培养学生的创新意识和实践能力,开发了基于虚拟仪器技术和仿真技术的过程控制虚拟仿真平台。
该平台以现有多媒体教学的静态模式为基础,采用面向实例的交互式动态教学模式,将课程内容和实践分析方法、静态与动态教学模式相结合,构成为一种立体综合教学平台。
平台采用LabVIEW和MA TLAB开发研制,有机融合了上述工具的各自优点,实现了动态显示和仿真分析的有机结合。
实际运行表明,该平台可以有效地扩展教学内容,激发学生学习兴趣。
关键词:虚拟仿真;LabV IEW;MA TLAB;过程控制中图分类号:TP273;TP39119 文献标识码:A 文章编号:1008-0686(2006)02-0061-05Development of Virtual Simulation Platform for ProcessControl System B ased on LabVIEW and MAT LABGU O Yi2nan,CHENG Jian,CHEN Yin(S chool of I nf ormation and Elect ronic Engineering,China Univercit y of Mining&Technolog y,X uz hou221008,Chi na)Abstract:Courseπs content s of process cont rol relate to numerous fields and combine wit h act ual p roduc2 tion.In order to facilitate st udent s to comprehend courseπs content s effectively and t rain t heir innovation a2 bility,virt ual simulatio n platform of process co nt rol based on virt ual inst rument and simulation technology is developed.Based on existing static multimedia teaching mode,dynamic interactive teaching mode is a2 dopted in t he platform.So an integrated teaching platform is formed,which combines content wit h practi2 cal analyses met hods and integrates static teaching mode wit h dynamic teaching mode.The platform is de2 veloped by LabV IEW and MA TLAB.It integrates t he advantages of above tools and realizes dynamic dis2 play of variables in t he process and simulatio n analyses.Act ual run indicates t he platform can extend con2 tent s and inspire st udent sπlearning interest.K eyw ords:virt ual simulink;LabV IEW;MA TLAB;p rocess control0 引言“过程控制”课程教学内容涉及面广,既有仪表原理电路分析,又有控制算法理论分析,推理演绎较多,同时课程要求理论与实际相结合,紧跟学科发展前沿。
MATLAB 和LabVIEW混合运用
MATLAB Script 节 点 使 得 用 户 既 可 以 将 MATLAB 程 序 导 入 到 流 程图中， 又可以在流程图中根据 MATLAB 程序的语法 编 辑 MATLAB 程 序 。 具 体 选 择 该 节 点 的 操 作 方 式 为 ：Functions >>Mathematics >> FormulaPalette>>MATLAB Script，即从框图窗口中的 Functions 选项板
科技信息
○I T 论坛○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2011 年 第 21 期
MATLAB 在虚拟仪器平台 LabVIEW 中的调用研究
武 剑 1 杜云刚 1 甘世明 2 （1.内蒙古工业大学理学院 内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学机械学院 内蒙古 呼和浩特 010051）
基于LabVIEW与MATLAB混合编程的自抗扰控制系统设计与仿真
基于LabVIEW与MATLAB混合编程的自抗扰控制系统设计与仿真李思远;谷海宇;徐大富;赵阳【摘要】Using DC torque motor as a control obj ect,to compensate the inadequacies of the classic PID control system,ADRC control system is built by MATLAB/Simulink,and it is imported LabVIEW through Simulation Interface Toolkit.Finally NI PXIe-8135 controller is used as the next crew for real-time simulation.The simulation results show that the ADRC control system which can compensate for deficiencies in the classic PID control system with rapidity,accuracy and disturbance resistance and other aspects,and the feasibility of the system.%以直流力矩电机作为控制对象,对经典PID控制系统进行改进,采用LabVIEW与MATLAB/Simulink的混合编程方法搭建了自抗扰控制系统,并通过仿真接口工具包将其导入LabVIEW,以NI PXIe-8135控制器为下位机进行实时仿真,验证了自抗扰控制系统相比经典PID控制系统提高了系统的快速性、精度及抗扰能力,同时验证了联合仿真的可行性.【期刊名称】《测试技术学报》【年(卷),期】2016(030)006【总页数】6页(P461-466)【关键词】PID控制;自抗扰控制;混合编程;实时仿真【作者】李思远;谷海宇;徐大富;赵阳【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨 150001;上海宇航系统工程研究所,上海 201108;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TP273.2在目前工程控制领域中，经典PID控制仍然作为主要的过程控制方法，是因为其工作原理与结构简单易于实现，但是在工程实际应用中存在许多缺陷，例如，直接对给定信号和输出信号取误差常常会在系统初始的时候出现很大的超调；对误差信号、误差微分信号与误差积分信号的线性加和并不是最佳的组合方式；在扰动随时间变化的情况下，控制效果不理想等[1]. 自抗扰控制是韩京清研究员运用特殊非线性效应发展而来的一种不依赖于被控对象精确数学模型的新型实用的控制方法，可以很好地解决PID控制在工程中存在的缺陷[2,3].常用的编程语言MATLAB具有十分强大的计算、仿真、绘图等功能，但是它在界面开发、仪器连接控制和网络通讯等方面都不如LabVIEW，若将两者结合起来，则可以充分利用两种语言的优势，更好地解决各个领域的问题[4]. Simulink是MATLAB最重要的组件之一，是一种可视化的仿真工具，用于实现动态系统建模、仿真和综合分析. 本文采用LabVIEW与Simulink混合编程的方法，对以直流力矩电机为控制对象的自抗扰控制器进行设计与仿真，解决控制系统快速性、精度及抗扰能力，并提供简洁的操作界面.NI LabVIEW仿真接口工具包Simulation Interface Toolkit，是LabVIEW专门为调用MATLAB/Simulink的工具，用户可以利用LabVIEW丰富的界面作为Simulink的输入、输出，同时可以利用LabVIEW数据采集程序或其它测量程序连接Simulink[5]. LabVIEW仿真接口工具包的组件如下：1) Model. 一个以图形化形式、源代码形式或者编译过的形式仿真结构图，该模型包括数据的输入输出接口、控制参数和可见信号.2) Host VI. 包括前面板和程序框图，可使用前面板控制模型参数.3) SIT Server. 使用TCP/IP在Host VI和模型之间传输数据的服务器. 首先必须在运行仿真之前启动SIT Server，默认情况下在端口6011上运行.4) Host Computer. 运行Windows NT/2000/XP等操作系统的PC.5) Execution Computer. 运行MATLAB软件、 SIT Server和仿真的计算机.本文以NI PXIe-8135作为 Execution Computer. NI PXIe-8135是基于Intel Core i7-3610QE处理器的高性能嵌入式控制器，结合2.3 GHz基频、 3.3 GHz 四核处理器和双通道1 600 MHz DDR3内存，具有8 GB/s系统带宽和4 GB/s 插槽带宽，2个Super Speed USB端口、 4个高速USB端口、 2个千兆以太网端口、 GPIB、串口和其他外设. 工作流程如图 1 所示.首先，Host VI使用TCP/IP发送新的参数给SIT服务器，SIT服务器传送这些参数给Model模型. 然后由Model模型再使用这些新的参数去执行更新信号值，SIT服务器检测已建立映射的模型信号. 最后SIT Server传输新的信号值给Host VI更新前面板的指示器.2.1 直流电机系统模型本文以直流力矩电机为控制对象，对其进行建模[6]，直流力矩电机的电磁平衡方程与转矩方程为式中： Um为电枢电压； Tm为电磁转矩； Cm，Km为转矩常数； Im为电枢电流； Lm为电枢电感； Rm为电枢电阻. 电机额定运行存在摩擦，以及转子与负载具有一定的质量惯量，电机转矩平衡方程为式中： Tf为机械摩擦及其他损耗造成的阻转矩； TL为电机的负载转矩； TJ为由电机转子和负载的转动惯量产生的力矩； B为粘滞系数；ω为角速度. 由直流力矩点及的转矩平衡和电磁平衡的方程经过拉普拉斯变换可推导出传递函数式中： J为电机转动惯量； Ke为反电动势系数，可继续得出电机位置环的数学模型式中：θ为电机转角，其他符号含义与上面公式相同.2.2 自抗扰控制系统结构自抗扰控制器是在经典PID控制器的基础上发展得出的新控制理念，它继承了经典PID控制的精华，并将其控制缺陷进行了改进[7]. 自抗扰控制系统结构如图 2 所示.利用二阶最速开关系统构造出非线性跟踪微分器，采用离散形式，可以更好地跟踪不连续信号，并提取其近似的微分信号，其表达式为式中： v(k)是第k时刻的输入信号；δ是决定微分器跟踪速度的参数；fst(·)函数是最速控制综合函数式中：通过以上的设计可以使跟踪微分器的输出同时可以过滤噪声信号.扩张状态观测器的作用[8,9]是将控制对象尚未完全已知的系统模型，转化成含有未知扰动的积分串联环节，同时对其进行观测，其中所测得的信号当中就有对扰动的实时估计值. 本文采用二阶扩张状态观测器，其结构如式(8)状态空间表达式式中： y为系统输出； b0为系统控制输入的增益； f(x1,x2,t)为系统全部未知扰动的总和，并将其扩张，所以得出从而对其建立扩张状态观测器式中： z是扩张状态观测器的各输出状态； e1是扩张状态观测器对系统输出信号跟踪误差； z3则逼近系统的未知扰动f(x1,x2,t).2.3 自抗扰控制器控制律设计自抗扰控制器中的控制律设计在传统PD算法的基础上加以改进，保留其基本的误差反馈形式，在局部采用非线性算法，构成了非线性PD控制算法[10]，其表达式为式中：fal(·)函数是为了避免高频振荡，将幂函数|e|αsign(e)转化成在原点附近具有线性段的连续幂次函数，即饱和函数，δ为线性段的区间长度，其表达式为根据以上推导，若令x1=θ，x2=ω，由式(4)和式(5)，可得到电机位置环的状态方程再利用MATLAB/Simulink中的S函数将各个部分模块化[11]，连接，得到控制系统模块图，如图 3 所示，其中包含TD跟踪微分器输出与实际信号的对比，以及位置、位置误差、速度、扰动估计等输出量，并与经典PID算法进行对比. 3.1 系统仿真界面设计利用LabVIEW编辑界面，并将Simulink模型导入[12]后，得到控制面板如图 4 所示，而前面板界面可以对模型参数进行设置，对输出结果进行显示，如图 5 所示.3.2 系统仿真结果仿真实验采用的直流力矩电机型号为55LY54，额定电压27 V，电枢电阻8.5 Ω，电枢电感1.57 mH，堵转转矩0.126 N·m，转矩常数0.036 4 N·m/A，反电动势系数0.015 3 V·s/rad，转动惯量4.4×10-5 kg·m2，最大转速1 500 r/m. 自抗扰控制器扩张状态观测器参数为β1=300，β=4 000，β3=20 000，h=0.001，α图6 系统阶跃响应Fig.6 Step response of system1=0.25，α2=0.5，δ=0.002 5，非线性PD取值KP=40，KD=5，经典PID取值同样为Kp=40，Ki=1，Kd=5，仿真时间设为5 s. 系统在负载扰动为2sin(2t+30°) N·m的正弦量与3 s处突加幅值为2 N·m的混合扰动下的阶跃响应如图 6 所示，输出信号的误差如图 7 所示，扩张状态观测器对系统扰动的估计如图 8 所示.图 6 系统阶跃响应Fig.6 Step response of system通过，LabVIEW操作界面可修改期望值与扰动值，在仿真试验中可以看出自抗扰控制器在对突变信号的响应速度上，相较经典PID控制的快速性更好，能够更好地跟踪适应突变的信号，通过误差比较，可得到经典PID最大误差为0.004 rad，而自抗扰控制器输出的最大误差不到 0.001 rad，所以自抗扰控制得到的控制精度更高，且不需要积分调节，在突加扰动时只有少许波动，控制效果很好. 扩张状态观测器对负载扰动的观测基本与输入的扰动值相符，可以很好地补偿扰动. 同时，系统在LabVIEW软件调用下，运行稳定，可以方便地添加与实际设备的输入输出接口，有利于实际应用.本文采用LabVIEW与MATLAB/Simulink混合编程的方法搭建了自抗扰控制系统，通过仿真分析验证了系统的可行性与其良好的控制效果，LabVIEW具有简洁的操作界面，方便更改参数，并且可以进行实时仿真，同时仿真接口工具包含有与外界实物的接口，可将控制对象或控制器替换为实物，从而有针对性地解决实际应用问题.【相关文献】[1] 苏思贤. 自抗扰控制器及其应用研究[D]. 无锡：江南大学，2011.[2] 韩京清. 自抗扰控制技术——估计补偿不确定因素的控制技术[M]. 北京：国防工业出版社，2009.[3] 黄一，薛文超. 自抗扰控制：思想、应用及理论分析[J]. 系统科学与数学，2012，32(10)： 1-21. Huang Yi, Xue Wenchao. ADRC control： ideology, application and theoretical analysis[J]. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences, 2012, 32(10)： 1-21. (in Chinese)[4] 袁培铎. 基于LabVIEW与MATLAB混合编程的应用研究[J]. 机械制造与自动化，200(6)： 15-37. Yuan Peiduo. Application based on LabVIEW and MATLAB[J]. Machine Building, 200(6)：15-37. (in Chinese)[5] 吴成东，孙秋野，盛科. LabVIEW 虚拟仪器程序设计及应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2008.[6] 叶恭宇. 基于自抗扰控制的机器人关节控制系统[D]. 浙江：浙江大学，2013.[7] Han Jingqing. From PID to active disturbance rejection control[J]. IEEE Trans. Ind.Electron，2009，56(3)： 900-906.[8] 黄一，韩京清. 非线性连续二阶扩张状态观测器的分析与设计[J]. 科学通报， 2000， 45(13)：1373-1378. Huang Yi, Han Jingqing. Analysis and design of second order nonlinear continuous ESO[J]. Science Bulletin, 2000, 45(13)： 1373-1378. (in Chinese)[9] 韩京清. 自抗扰控制技术[J]. 前沿科学，2007，1(1)： 24-31. Han Jingqing. ADRC control technology[J]. Frontier of Science, 2007, 1(1)： 24-31. (in Chinese)[10] 韩京清. 从PID技术到“自抗扰控制”技术[J]. 控制工程，2002，9(3)： 13-18. Han Jingqing. From PID technology to “ADRC control”[J]. Scientific Journal of Control Engineering, 2002, 9(3)： 13-18. (in Chinese)[11] 王兵树，姜萍，林永君. Simulink中自抗扰控制技术自定义模块库的创建[J]. 系统仿真学报，2010，22(3)： 610-615. Wang Bingshu, Jiang Ping, Lin Yongjun. Simulink in disturbance rejection control technology to create a custom module library[J]. Journal of System Simulation, 2010, 22(3)： 610-615. (in Chinese)[12] 曲丽蓉，胡容，范寿康. LabVIEW、 MATLAB及其混合编程技术[M]. 北京：机械工业出版社，2011.。
MATLAB与LABVIEW的混合编程在飞机供电系统仿真中的应用
EXCHANGE OF EXPERIENCE 经验交流摘要：论文通过B777飞机供电系统实例介绍了MATLAB与LABVIEW的混合编程方法在供电系统仿真中的应用，搭建了供电系统MATLAB模型，并生成动态链接库DLL，通过在LABVIEW中调用该DLL实现了二者混合编程仿真，在LABVIEW平台上设计了供电系统的人机交互界面，与供电系统DLL共同进行了混合仿真验证，从仿真结果可以看出，MATLAB和LABVIEW混合编程方法应用于供电系统仿真可以快速地对设计进行验证，缩短开发周期，减少开发成本。
关键词：供电系统仿真；MATLAB；LABVIEW；混合编程一、前言随着现代飞机向着多电乃至全电飞机发展，机上供电系统容量越来越大，构型越来越复杂，供电系统在工作期间的切换逻辑复杂，硬线连锁控制交联器件多，需大量的测试来验证设计的合理性，传统验证方式是搭建实物环境进行实验，周期长、花费高，设计迭代困难。
与此同时，现代飞机玻璃化座舱取代了传统的仪表，各个机载系统不再通过大量的机械仪表来向飞行员显示自身工作状态，都通过航电显示屏上直观的系统图形、颜色变化、提示语音等多媒体方式显示自身的运行状态，因此，系统显示画面的设计也成为供电系统设计的重要一环，直接关系到飞行员能否快速正确地获取供电系统的运行状态，而验证其设计合理性需与航电设备进行交联试验，也不利于快速的验证和迭代。
机载设备研发周期长、费用高，如果设计方案必须在机载设备研制出来再进行验证，迭代过程必然导致研制费用增加，且研制进度难以控制，因此开发一种简单敏捷的验证方式势在必行。
二、供电系统混合仿真验证方法对供电系统的仿真验证可使用MATLAB/Simulink来实现，Simulink是MATLAB的一个强大的建模仿真分析组件，它的电力系统模型库SimPowerSystems集成了丰富的电力系统模型，可以方便地搭建出供电系统模型，并结合MATLAB强大的数字运算能力进行仿真，但是MATLAB并不适合开发较复杂的人机交互接口，因此不适用于开发电源控制模块和航电画面页[1]。
LabVIEW与MATLAB的结合强大的数据分析工具
LabVIEW与MATLAB的结合强大的数据分析工具LabVIEW与MATLAB的结合：强大的数据分析工具在科学研究和工程领域，数据分析是十分重要的环节。
为了更好地分析和处理数据，科学家和工程师们经常使用多种工具和软件。
LabVIEW和MATLAB是两个常用且功能强大的数据分析工具。
本文将探讨LabVIEW和MATLAB的结合，介绍它们在数据分析方面的优势。
一、LabVIEW介绍及其在数据采集和控制方面的应用LabVIEW是国际上广泛使用的一种图形化编程环境。
它以数据流为基础，在数据的采集、控制和处理方面具有独特的优势。
LabVIEW可以将传感器和仪器的数据直接输入到计算机，通过图形化界面进行实时监控和控制。
它提供了丰富的工具箱和模块，使得用户能够轻松地进行数据采集、处理和控制。
在数据分析方面，LabVIEW提供了强大的信号处理和模拟工具。
用户可以通过图形化编程方式，快速构建数据分析的算法和模型。
LabVIEW支持多种图形化表示方式，可以清晰地展示数据的变化和趋势。
用户还可以根据需要，将数据导出到Excel、CSV等格式的文件中，方便与其他软件进行进一步的分析和处理。
二、MATLAB介绍及其在数学计算和数据分析方面的应用MATLAB是一种数学计算和编程环境，被广泛应用于科学、工程和商业领域。
它提供了丰富的数学函数和工具箱，支持矩阵运算和符号计算。
MATLAB的语法简洁明了，易于学习和使用，使得用户可以根据自己的需求，编写复杂的数据分析和算法。
在数据分析方面，MATLAB提供了丰富的统计和机器学习工具。
用户可以使用MATLAB进行数据预处理、特征提取、聚类分析和分类模型的构建。
MATLAB还支持数据可视化，用户可以通过绘制图表和曲线，更直观地展示数据的特征和规律。
此外，MATLAB还具有丰富的数据导入和导出功能，方便与其他软件进行数据交换和共享。
三、LabVIEW与MATLAB的结合：优势与应用案例LabVIEW和MATLAB作为两款独立的软件，在数据分析方面各有其优势。
基于LabVIEW和Matlab的自动控制虚拟实验系统
收稿日期:2008-07-04作者简介:陈 飞(1978-),女,讲师,硕士,主要从事自动控制原理、计算机先进控制技术的教学和研究工作。
基于Lab V I E W 和Matlab 的自动控制虚拟实验系统陈 飞,陈惠侠(常熟理工学院信息与控制工程系,江苏常熟 215500)摘要:开发了基于Lab V I E W 和M atlab 的自动控制虚拟实验系统,该实验系统包含了自动控制原理课程中常见的实验项目。
实验系统采用Lab V I E W 和Matlab 混合编程实现,利用Lab V I E W 设计用户图形界面,实现“虚拟仪器”的面板;利用Matlab 在后台提供算法供Lab V I E W 调用。
从而实现了动态显示和仿真分析的有机结合。
实际运行表明,该平台可以有效地提高实验的准确性和可靠性。
关 键 词:Lab V I E W 软件平台;M atlab 语言;自动控制原理;虚拟实验系统中图分类号:TP39119;G424131 文献标识码:B 文章编号:1672-4550(2009)01-0075-03Auto mati c Control Theory Vi rtual Exper i m ent Syste m Based onLabVI E W and Matl abCHEN Fei,CHE N Hui 2xia(Depart m ent of I nf or mati on and Contr ol Engineering,Changshu I nstitute of Technol ogy,Changshu 215500,China )Abstract:The virtual experi m ent syste m includes common experi m ents in aut omatic contr ol theory 1The syste m is p r ogra mmed by Lab 2V I E W and M atlab and is realized by using Lab V I E W and Matlab m ixed p r ogra mm ing .This syste m can realize “virtual instru ment ”window thr ough LABV I E W designing cust omers graph window;and p r ovides calculating method f orLABV I E W modulati on .It integrates the advantages of above t ools and realizes combinati on of dynam ic dis p lay and si m ulati on analyses .Actual run indicates the virtual ex 2peri m ent syste m can p r omote efficiently the accuracy and the reliability of experi m ent .Key words:Lab V I E W;Matlab;aut omatic contr ol theory;virtual experi m ent syste m1 引 言随着现代软件和硬件技术的飞速发展,仪器的智能化和虚拟化已经成为未来各级实验室以及研究机构发展的一个方向,“Soft is I nstru ments ”(软件就是仪器)被广大的科技、教学工作者逐渐接受[1]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第25卷 第1期 桂林工学院学报 Vol.25No.1 2005年1月 JOURNAL OF G U I L I N UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGY Jan12005文章编号:1006-544X(2005)01-0081-03Ma tl ab和Labvi ew混合编程在控制系统仿真中的应用张烈平,牛秦洲(桂林工学院电子与计算机系,广西桂林541004)摘 要:控制系统控制算法的验证和系统性能指标的评价及比较等都要求先选择有效的计算机工具来进行仿真.分析了Matlab和Labvie w两种编程语言的特点和混合编程技术,结合直流电机旋转运动控制系统实例,采用两者混合编程技术实现了该控制系统的有效仿真,给出了混合编程的具体实现过程.实践证明,Matlab和Labview编程软件的结合运用,可实现优势互补,有利于控制系统程序的仿真,提高编程效率.关键词:Matlab;Labvie w;混合编程;控制系统仿真中图分类号:TP39119 文献标识码:A控制理论的教学内容理论性强,涉及大量抽象概念,内容丰富、信息量大,同时,响应曲线等各类图形曲线一直贯穿在整个教学过程中.采用传统的教学手段,教师上课时必须花费大量课堂时间绘制这些图形曲线,而获得的效果却很有限[1].因此,应当选择一种十分有效的计算机工具,以更好地进行控制系统的仿真.M atlab具有强大的数值分析、计算和绘图功能,拥有强大的控制算法工具箱,可完成复杂控制系统的设计、计算、分析和仿真,已广泛应用于控制系统的建模、仿真等方面,但其缺点是不能实时操作和控制,能与之直接通讯的硬件设备不多.Lab2 vie w是N I公司的一种编译型图形化编程语言,能够方便地编写出友好的用户界面,对各个输入输出参数进行即时设置和调试,程序运行结果直观,但它在数值处理、分析和算法工具等方面的效率不高.本文将两者相结合,实现优势互补,应用于控制系统的仿真,取得较好的效果.1Matlab和Labview软件简介M atlab是M athworks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值运算、矩阵运算、信号处理和图形显示为一身,构成了一个界面友好方便的用户环境.M atlab具有数据可视化功能、强大的数值运算功能、丰富的工具箱,可进行数学计算、数据与数字信号处理、自动控制模拟、动态分析、2D/3D的绘图功能,可以与Fortran、C/C++进行数据链接.Labvie w是N I公司推出的一种虚拟仪器软件开发平台,采用编译型图形化编程语言———G语言,用户设计好程序框架后,如同画流程图一般,只需将系统提供的各种图形化功能模块连接起来,就可得到所需的应用软件.它除了具备常规函数功能外,内部还集成了大量的生成图形界面的模板,如各种表头、旋钮、开关、LED指示灯、图表等,以及对RS232、GP I B、VX I、数据采集板卡和网络等多种硬件的设备驱动功能,并免费提供数十家世界知名仪器厂商的几百种源码级仪器驱动,大大方便和简化了用户的设计开发工作.Labvie w使得过去烦琐、枯燥的软件开发变得简单、方便,已经成功应用到虚拟仪器设计与开发、数据采集与处理、自动测量与测试及工业过程控制与自动化等各个领域.收稿日期:2004-06-21基金项目:广西科学基金资助项目(桂科基0236065)作者简介:张烈平(1971-),男,硕士,副教授,研究方向:计算机应用和信号处理.2Matlab 和Labview 混合编程的实现在M atlab 与Labvie w 的混合编程中,通常用Labvie w 设定用户界面,负责数据的采集和网络通讯,而用M atlab 在后台对数据进行复杂的分析和处理,处理结果供Labvie w 调用[2],混合编程的参数调用过程如图1所示.混合编程的实现方法通常有2种[3]:使用M atlab Scri p t 节点和使用Active函数模板,其中通过M atlab Scri p t 节点进行通讯的方式具有容易实现、多输入多输出、一次处理的信息量大、可以事先将M atlab 程序调试好等特点,用户比较容易掌握,也是Labvie w 开发组推荐使用的方式.下面在M atlab 611和Labvie w 6i 环境下具体介绍用M atlab Scri p t 节点来实现M atlab 与Lab 2vie w 的混合编程技术,其实现步骤如下.第1步:运行Labvie w 6i,建立一个Labvie w 程序.第2步:打开M atlab 脚本节点,在脚本节点中输入脚本.Labvie w 的每个程序就是一个V I,包括前面板、框图窗口和图标/连接端口3部分,可以从框图窗口Functi on 选项板的M athe matics/For 2mula 子选项板上访问M atlab 脚本节点,把脚本节点放置到框图上并调节到合适的大小.然后,使用Operating 或Labeling 工具直接向M atlab 脚本节点中输入脚本,也可以在M atlab 脚本节点的快捷菜单中选择I m port 来导入已经写好的脚本.第3步:定义Labvie w 与M atlab 的传递参数及其数据类型,连接并仿真.M atlab 脚本节点与它外部Labvie w 框图程序靠脚本节点的输入输出来连接,可以在脚本节点的快捷菜单中选择Add I nput /Add Out put 添加输入输出.图1 M a tl a b 和Labvi ew 混合编程参数调用过程Fig 11 Parameter transferring course of Matlab and Labviewm ixed p rogramm ing3 Matlab 和Labvie w 混合编程应用举例以一个直流电机旋转运动系统[4]为例(图2),其中转子转动惯量J =0101kg ・m /s 2,机械阻尼参数为b =011N ・m ・s,电流-力矩常数K =01001N ・m /A ,电枢电阻R =1Ω,电枢电感L =015H,以供电电压U (1V )为输入,转子转速n 为输出,稳态输出为1rad /s,在P I D 控制器(K p =100,K i =200,K d =10)作用下,分析系统转子转速n 的单位阶跃响应性能指标能否满足调节时间小于2s,超调量小于5%,稳态误差小于1%.图2 直流电机旋转运动系统Fig 12 Rotating s port system of direct current machine311基于La bvi ew 的控制系统仿真程序设计Labvie w 中的程序称为V I (V irtual I nstru 2ment ),每个V I 由前面板、框图程序和图标/连接端口3个部分组成,其中前面板用于模拟真实仪器的用户面板,完成仪器的操作控制、设置输入参数和观测输出量,常由开关、旋钮、按钮、图形、图表等构成;框图程序用于与每一个前面板相对应,利用图形编程语言对前面板上的控件对象进行控制,将系统所需要的功能模块进行有序的安置,并定义连接各个模块的输入输出端口,以确定框图内数据流动方向;图标/连接端口用于把Labvie w 程序定义成一个子程序,从而实现模块化编程.其中图标表示该V I 子程序的定义,连接端口表示该子程序的入口和出口.利用Labvie w 实现的控制系统仿真前面板如图3所示,可以在前面板窗口中选择w indow s >>show diagra m 进入流程图编辑窗口,图4是其对应的框图程序,表示了系统数据的流向,建立一个Labvie w 程序的具体方法和步骤参考有关书籍,这里不再叙述.312基于M a tla b 的控制系统仿真程序设计根据系统仿真要求,在M atlab 环境利用M atlab图3 控制系统前面板Fig 13 Fr ont board of control system28桂 林 工 学 院 学 报 2005年编写好该控制系统单位阶跃响应及计算其相应性能指标的程序并调试好后,在Labvie w 程序中的M atlab 脚本节点输入脚本文件,如图5所示.313定义输入输出节点及其数据类型,连线并仿真在脚本节点的快捷菜单中选择Add I nput /Add Out put 来添加M atlab 程序中的变量,定义chao (超调量)、w en (稳态误差)和y 1(系统的单位阶跃响图4 控制系统框图程序Fig 14 B lock diagram p rogram of contr olsystem图5 在M a tl ab 脚本节点输入脚本文件Fig 15 I nputting the scri p t file in the scri p t node of Matlab应)为输出量,定义的数据类型:chao,w en 为R ea l 型;y 1为Real Veact or 型.定义好输入输出节点后就可以连接各节点与各控件等连线,实现控制系统的仿真(图3).从实验仿真结果可以看出对系统加1V 电压,采用K p =100,K i =200,K d =10的P I D 控制器,系统转子转速n 的单位阶跃响应性能指标在时间为2s 时,超调量为0107%,远远小于5%,稳态误差为0.07%,也小于1%,这说明设计的P I D 控制器能够满足控制的需要.4结束语采用M atlab 和Labvie w 混合编程的方法,用Labvie w 编写良好的用户界面,通过界面设置或输入有关的参数,将参数通过Labvie w 与M atlab 接口传递给M atlab 程序,利用M atlab 控制系统工具箱完成系统仿真功能,最后将结果回传给Labvie w 进行显示,这将有利于控制系统程序的仿真,大大提高编程效率.参考文献[1]张烈平,牛泰洲.基于Matlab 的“自动控制原理”课程CA I 的实现[J ].桂林工学院学报,2002,22(4):499-453.[2]刘君华.基于Labview 的虚拟仪器设计[M ].北京:电子工业出版社,2003.[3〗裴锋,杨万生.Labview 与Matlab 混合编程[J ].电子技术应用,2004,30(3):4-6.[4〗黄文梅,杨勇,熊桂林,等.系统仿真分析与设计———Matlab语言工程应用[M ].长沙:国防科技大学出版社,2001.Appli ca ti on of M i xed Programm i n g w ith M a tl ab and Labv i ew i nCon trol System S i m ul a ti onZHANG L ie 2p ing,N I U Q in 2zhou(D epart m ent of E lectron ics and Co m puter Science,Guilin U niversity of Technology,Guilin 541004,China )Abstract:It is essential t o select computer t ools f or verificati on of the contr ol algorithm and app raisal compari 2s on of the syste matic functi on index .The p r ogra mm ing language characteristics ofM atlab and Labvie w are stud 2ied .A p ractical exa mp le of direct current machine r otating s port contr ol syste m si m ulati on is realized effectively with m ixed p r ogra mm ing method ofM atlab and Labvie w .It is shown t o be mutually comp le mentary in superi ori 2ty,t o si m p lify the p r ogra mm ing and i m p r ove p r ogra mm ing efficiency with M atlab and Labvie w m ixed p r ogra m 2m ing .Key words:M atlab;Labvie w;m ixed p r ogra mm ing;contr ol syste m si m ulati on38第25卷 第1期 张烈平等:Matlab 和Labvie w 混合编程在控制系统仿真中的应用。