虚拟仪器条件下的自动控制系统分析方法研究.docx

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1、虚拟仪器条件下的自动控制系统分析方法研究虚拟仪器条件下的自动控制系统分析方法研究ronggang导语：本文阐述了在虚拟仪器软件LabVIEW环境下，用图形化的编程语言对控制系统进展分析与综合摘要：本文阐述了在虚拟仪器软件LabVIEW环境下，用图形化的编程语言对控制系统进展分析与综合。将LabVIEW用于分析经典控制理论中控制系统的根轨迹，线性定常系统的频域响应伯德图、乃奎斯特图和控制系统的校正,理论说明，虚拟仪器环境下对自动控制控制系统进展分析与综合具有界面友好，实现方便等优点，同时表达了虚拟仪器软件强大的数据处理才能和便捷的图形化编程的方法，为后台信息处理乃至网络化仪器的实现提供便利和支持

2、。关键词：虚拟仪器，自动控制系统，LabVIEWbalign=centerThestudyofanalyticalmethodofautomaticcontrolsystemundervirtualinstrumentenvironmentQIN-Haizhu,NIZi-qiang,JIANGBo/align/bAbstract:Inthispaper，agraphicalprogramminglanguageisbeingusedtoanalyzingandsynthesizingcontrolsystemundertheenvironmentofLabVIEWvirtualinstrume

3、ntsoftware。LabVIEWisappliedtoanalyzingrootlocus,frequencyresponseoflinearsystemsBadeGraph,NyquistDiagram,compensationofsysteminclassiccontrolprincipal.ItiswelldemonstratedfromthepracticebyusingvirtualinstrumentsoftwareincontrolsystemthatwecangetadvantagessuchasUser-friendly,easilyrealizeetc.Andalsoi

4、treflectsthepowerfuldata-processingcapacityandconvenientgraphicalprogrammingapproachesofLabVIEW，andthisbenefitthebackgroundinformatizationaswellastherealizationofvirtualnetworkequipment.Keywords:virtualinstrument,automaticcontrolsystem,LabVIEW0.引言LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境LaboratoryVirtualInstrumentEnginee

5、ringWarkbench的简称，是美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台软件，具有简洁的图形化编程环境。它内置信号收集、测量分析、数据显示功能并集成了上千个工程函数，摒弃了传统开发工具的复杂性，从简单的仪器控制到经过控制和工业自动化系统，labview都得到了广泛的应用。对于控制系统的分析和设计，NI公司开发了相应的工具包，借助于Labview便捷的图形化编程语言，使得控制系统的分析与综合更加方便;工程人员可将主要精力放在控制系统设计本身而不必太多的花时间在的编程语法和指令上。对于自动控制系统理论的初学者，LabVIEW提供了一个简单易学的仿真、分析平台，可帮助他们更好的理解和学习这么课程。1.

6、控制系统的根轨迹根轨迹法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系，当这一参数取特定值时，对应的特征根可在上述关系图中找到。进而很方便的观察到系统开环零、极点分布对系统性能的影响。增加开环零点对根轨迹的影响a.参加开环零点，改变渐近线的条数和渐近线的倾角;b.增加开环零点，相当于增加微分作用，使根轨迹向左挪动或者弯曲，进而进步了系统的相对稳定性。系统阻尼增加，过渡经过时间缩短;c.增加的开环零点越接近坐标原点，微分作用越强，系统的相对稳定性越好。增加开环极点对根轨迹的影响a.参加开环极点，改变渐近线的条数和渐近线的倾角;b.增加开环极点，相当于增加积分作用，使

7、根轨迹向右挪动或者弯曲，进而降低了系统的相对稳定性。系统阻尼减小，过渡经过时间加长;c.增加的开环极点越接近坐标原点，积分作用越强，系统的相对稳定性越差。增加开环偶极子的作用增加一对开环偶极子，对根轨迹几乎没有影响，但可以改善系统的稳态性能。2.控制系统的频率响应已知一单位反应系统的开环传递函数表达式：由自动控制理论，关于伯德图的分析，可知该系统由一个比例环节、一个一阶微分环节、一个积分环节、一个一阶惯性环节组成，首先该图形起始的幅值为,K为所对应的增益，转折频率分别为10、100。由于存在积分环节幅频起始斜率为-20dB,起始相角为-90,在w=10时，渐近线斜率变为-40dB，相角变为-1

8、80，由于微分环节的存在，使得斜率变为-20dB，相应的相角变为-90。在LabVIEW条件下所得的系统伯德图如图1所示。align=center图1LabVIEW条件下的系统伯德图/align我们知道只要系统的闭环极点全部位于s的左半平面，那么闭环系统是稳定的。在运行LabVIEW程序时，将其零点及极点全部设置在s的左半平面，使其增益在0.00110之内变化，可以发现无论其增益怎样变化，其乃奎斯特曲线都不会靠近-1，j0点，如图2所示。将控制系统的传递函数改为一型系统，由前面的典型环节的分析知，一型系统存在一个积分环节，而每当信号通过一个积分环节，相位将滞后90，乃氏曲线起始跟系统的型有关，

9、当=0sup+/sup时，Gj0sup+/sup=-90;当时，Gj0sup+/sup=0-90n-m,当传递函数时，由分析可知，开环乃氏曲线起始于-90，而n-m=0,所以乃氏曲线终止于00，详细图形如图3所示，系统为稳定的。align=center图2闭环极点全部位于s右半平面/alignalign=center图3I型系统的乃氏图/align3.控制系统的校正PID控制器设计的主要任务是对于给定的被控对象，快速确实定比例系数Ksubc/sub、积分系数Ksubi/sub、和微分系数Ksubd/sub,使系统知足相应的指标。对于稳定的系统，祈望系统存在一定的稳定裕量，通过LabVIEW条件

10、下的PID校正对处于临界稳定的系统或者是稳定裕量不知足要求的系统进展校正，举例讲明，如图4所示为未校正系统的相频，图5所示为校正装置的相频，图6为校正后系统的相频2。未校正系统的相位裕量如图4及传递函数可以看出，固然系统为稳定的，但其相位裕量并不大，只要参数有一定的变化，系统就有可能变为不稳定。align=center图4未校正系统的相频/align另外从传递函数可以看出有一位于s右半平面的零点，系统为在一定增益下的稳定。校正装置在低频段，主要是PI作用，在中频段主要是PD作用。因此PID调节器能改善系统的稳态性能和进步系统的动态性能。校正装置的传递函数为。由图6可以看出要校正系统的相位裕量明

11、显增加，系统的稳态性能明显改善。校正后系统的传递函数为。align=center图5校正装置的相频图6校正后系统的相频/align采用虚拟仪器平台进展控制系统的分析与综合，为控制系统的理论分析与设计提供了独特而可行的方法。理论证明，运用LabVIEW除了可以用于经典控制理论研究外，还可以用于当代控制理论，例如可以实现传递函数与状态空间表达式之间的转换、线性定常系统能观性能控性的判别、系统的状态反应和极点的任意配置等。1周求湛，钱志鸿.虚拟仪器与LabVIEW7Express程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2004年度9月，P1P1002胡仁喜，王恒海，齐东明等.LabVIEW8.2.1M.北京：机械出版社，2020年度1月3刘君华主编.基于LabVIEW的虚拟仪器设计M.北京：电子工业出版社，2003年度5月，P24P604杨乐平，李海涛，肖相生等.LabVIEW程序设计应用M.北京：电子工业出版社，2001年度5月，P24P605邹伯敏.自动控制理论M.北京：机械工业出版社，2006年度1月6NICorporation。PIDControlToolsetUserManual文摘类。2003.11。