基于LabVIEW的直流电机速度控制系统的设计与分析.doc

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1、本科生毕业论文(设计)题 目： 基于LabVIEW的直流电机速度 控制系统的设计与分析 院 系: 机电工程学院 专 业: 班 级: 学生姓名: 姜京元 指导教师: 二一五 年 五 月学术诚信声明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料均真实可靠。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生姓名： 姜京元 日期：2015年6月18日 写在前面的话这篇论文与其理

2、解为一个 基于LabVIEW的直流电机速度控制系统设计与分析的学术论文，倒不如理解其是一个LabVIEW新手指导教程。本论文详细介绍了LabVIEW基本操作方法，Simulation & Control Design工具包、PID工具包中的各种工具和使用方法，DAQ系统的建立和使用方法。这是一个非常适合本科大学生初次使用LabVIEW时进行学习的材料。我在写这篇论文的过程中走了很多弯路但是好在最终结果还算令人满意。在这里我把我总结的LabVIEW各部件作用及使用方法系统的介绍给大家，方便大家学习和使用LabVIEW。摘 要直流电机由于具有传动比分级精细，转速型谱宽，电机结构紧凑，承受过载能力强

3、，等优势，实现对直流电机的精确速度和位置控制一直是国内外研究的焦点。本次实验设计借助NI公司的LabVIEW2013软件构建直流电机速度控制程序实现直流电机的速度控制。设计过程主要分为四部分，第一部分为虚拟电机模型的构建。通过对电机的电气方程和机械方程的拉数学处理求得电机转速与输入电压之间的传递函数。查阅直流电机用户手册上的相关参数值代入传递函数获得电机数学模型。第二部分为模型匹配过程，通过向真实电机和虚拟电机发送相同的控制信号，并比对响应波形进行模型参数调整达到模型匹配要求。第三部分为PID控55制器设计，即PID参数试凑部分，借助于虚拟电机传递函数进行PID参数的试凑，获得一套可以使电机控

4、制系统性能指标达到设计要求的PID参数。第四部分为真机测试，将PID试凑获得的参数代入实际控制系统的PID控制器中进行实际电机速度控制，观察分析响应波性是否达到设计指标。上述四部分中，后面三部分都需要在LabVIEW软件上面进行，通过编写相应的VI达到功能要求。需要掌握的基础知识有：LabVIEW基本操作方法，利用Simulation & Control Design工具包、PID工具包构建控制系统，DAQ系统的建立和使用，PID参数的整定方法，DCMCT实验板的硬件结构及使用方法。关键词：直流电机；速度控制；LabVIEW；PID；DAQ；DCMCTAbstractFor the reaso

5、n that DC motor equips the advantages of fine transmission ratio classification, wide speed type spectral, compact motor structure and overload bearing, the research of precise velocity and position control of DC motor has always been the experimenting focus. This experiment established DC motor vel

6、ocity control system based on the LabVIEW2013 by NI company.The overall system design process can be divided into 4 sections. The first section is model construction. By the mathematical deductions on the motor electrical equations and mechanical equations of the motor, the transfer function with pa

7、rameters is obtained, following the reference of the user manual of DCMCT in order to find out the parameter values, which helped to build up the mathematical model. The second part is model validation, in which the model and the real motor receive the same input signal. By comparing the differences

8、 between the outputs of model and read motor, the parameter values of the model are determined. The next is PID controller construction and the most important part in this stage is the estimation of PID gains. Finally, the last part of this experiment is the realization of control system. The PID ga

9、ins calculated are put into the real control system and the final result of the control system is analyzed.In the four sections above, all of the last three stages are operating on LabVIEW. By programming different VIs to accomplish the requirements respectively. The demands of this experiment are t

10、hat students should master the operation of LabVIEW basic functions, as well as the use of Simulation & Control Design toolkit, PID toolkit, NI DAQmx, QNET DCMCT and the method of parameter setting.Keywords: DC motor; velocity control; LabVIEW; PID; DAQ; DCMCT目 录第1章 绪论11.1 本课题的研究背景和意义11.2 课题的研究现状11.

11、3 本课题的工作内容21.4 本文的结构安排2第2章 硬件介绍42.1 DCMCT实验板42.1.1 实验板基本组件介绍42.1.2 实验板DAQ系统介绍62.2 NI ELVIS II72.2.1 NI ELVIS II结构介绍7第3章 虚拟仪器与LabVIEW介绍83.1 虚拟仪器83.1.1 虚拟仪器简介83.1.2 虚拟仪器的优势83.2 LabVIEW83.2.1 LabVIEW概述83.2.2 LabVIEW编程语言9第4章 NI - DAQmx114.1 DAQmx简介114.1.1 传统DAQmx工具114.1.2 传统虚拟通道建立过程134.2 DAQ助手的使用15第5章 基

12、本控制系统和PID控制器的构建175.1 基本控制系统的构建175.1.1 使用Simulation选项卡工具构建控制系统175.1.2 使用Control Design选项卡工具构建控制系统205.2 PID控制器的构建225.2.1 基本的PID控制器构造235.2.2 使用CD工具构造PID控制器23第6章 直流电机模型的构建和模型匹配过程256.1 建立直流电机仿真模型256.1.1 直流电机的电气方程和机械方程256.1.2 建立开环模型266.1.3 查阅参量数值并带入传递函数关系式276.2 模型匹配286.2.1 模型匹配VI简介286.2.2 模型匹配过程介绍306.2.3

13、模型匹配触发波形幅值选择316.2.4 可变参数传递函数构建316.2.5 电机停转控制33第7章 直流电机控制器设计与控制结果分析347.1 控制器设计347.1.1 确立系统类型347.1.2 建立闭环传递函数357.2 PID参数整定357.2.1 参数整定VI介绍357.2.2 PID参数试凑法377.2.3 动态系统方框图及系统性能指标自动计算387.3 直流电机控制器实现407.3.1 电机速度手动控制系统响应分析407.3.2 电机速度控制系统响应分析417.3.3 LabVIEW中波形发生器实际频率求取447.3.4 系统响应结果分析447.3.5 结果分析457.3.6 簇的

14、构建46第8章 结论48致谢48参考文献49第1章 绪论1.1 本课题的研究背景和意义虚拟仪器技术（Virtual instrument）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。Error! Referen

15、ce source not found.因此，其研究的意义非常重要。直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。直流电机的定子是一个固定磁场，直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场，从而在定子内转动。在工业企业中，由于直流电源相对比较可靠，直流电机一般用于要求能够可靠运行的备用机械或保安机械；而由于直流电机随着输入电压的变动转速也能变动，所以需要经常调速的地方采用直流电机也不少，如电车、电力机车等等。Error! Reference source not found.在此基础上，研究直流

16、电机的基于虚拟仪器的速度控制将有极大的意义。1.2 课题的研究现状直流电机由于具有传动比分级精细，选择范围广，转速型谱宽，电机结构紧凑，体积小，造型美观，承受过载能力强，能耗低，性能优越，振动小，噪音低等优势，实现对直流电机的精确速度和位置控制一直是国内外研究的焦点。但是在NI公司的LabVIEW软件面世之前，直流电机的控制系统设计和研究由于体系不规范，通用性不强等原因，普通高校通常情况下并没有涉足。我国基于LabVIEW和QNET DCMCT实验板的直流电机速度控制系统设计，手头可以找到最早的是在2008年由中山大学出版的虚拟仪器教学实验简明教程，书中已经有过对此控制系统的完整的介绍。除此之

17、外这本书还详细介绍了其他各种基于LabVIEW的虚拟仪器和控制理论实验设计。但是直到目前很多最新发表的本科甚至硕士论文还都在照搬中山大学教程中的VI图以及显示结果，而由于早年创建的VI使用的LabVIEW版本过低，新版本的软件已经无法支持，对于初学者学习LabVIEW的使用和控制系统的建立造成了较大阻碍。在此我通过对直流电机控制的理论知识的认真学习以及对LabVIEW使用的大量练习，运用LabVIEW2013版本中新加入的实用工具，独立重建了一系列新的VI，实现直流电机控制，方便后人参考学习。1.3 本课题的工作内容（1） 介绍了LabVIEW软件的基本使用方法。（2） 介绍了QNET DCM

18、CT实验板的结构。（3） 介绍了NI DAQmx的使用方法。（4） 介绍了Control Design & Simulation工具包，PID工具包的使用以及控制系统在LabVIEW中的多种建立方法。（5） 介绍了虚拟仪器数学模型的构建过程。（6） 在LabVIEW的开发平台上搭建了直流电机转速控制VI及多个子VI。通过计算机与QNET CDMCT实验板相连接实现直流电机速度控制。（7） 介绍了PID控制系数整定方法，并应用于直流电机速度控制系统PID参数整定当中。1.4 本文的结构安排本论文主要分八章：第1章 前言，介绍课题的研究背景、本课题的研究现状、本文内容以及架构；第2章 硬件介绍，介

19、绍了DCMCT实验板基本组件及其DAQ系统，并对NI ELVIS II作了简单介绍；第3章 虚拟仪器与LabVIEW介绍，介绍了虚拟仪器和LabVIEW编程语言。第4章 NI DAQmx的功能介绍及使用方法；第5章 介绍Control Design & Simulation工具包，PID工具包及基本控制系统和PID控制器的多种构建方法；第6章 介绍直流电机模型的构建方法和模型匹配过程。第7章 直流电机速度控制系统的控制器设计与控制结果分析。第8章 结论。第2章 硬件介绍本次进行直流电机速度控制实验使用到的硬件主要是NI公司的QNET DCMCT实验板以及安装实验板的平台NI ELVIS II和

20、一台PC机。DCMCT实验板是专门用于直流电机控制教学训练的实验设备，除此之外同系列的设备还有HVAC、MECHKIT、MYOELECTRIC、ROTPEN以及VTOL实验板，分别用于温度实验教学、物理传感器介绍、肌动电流信号处理、单摆控制和平衡控制实验。这些实验板同属于NI QNET控制与仿真系列教学板卡。ELVIS II实验平台是所有实验板发挥其效能的基础，没有这个基础所有实验板都无法独自发挥作用。ELVIS II的最主要功能就是内置了一块数据采集卡，可以方便的实现PC机和实验板之间的通讯。图 2-1 DCMCT实验板和ELVIS II2.1 DCMCT实验板2.1.1 实验板基本组件介绍

21、DCMCT即DC Motor Control Trainer直流电机控制训练板，是专门设计用来进行直流电机控制系统设计训练的教学设备。在这个实验板上面可以实现直流电机速度和位值控制训练，也非常适合PID控制器的应用训练。要实现这些功能，需要一个安装有相应应用的电脑以及NI ELVIS II实验平台。 DCMCT实验板上面集成的器件可参照表格 2-1和图 2-2、图 2-3。表格 2-1 实验板各组件编号及名称编号名称编号名称1直流电机5PCI插槽2高分辨率编码器6运放和编码器3电机金属框架7电源入口4转动负载8电阻丝图 2-2 实验板电机结构图 2-3 实验板结构系统的板载放大器作用是驱动电机

22、转动，并进行数模转换。板载放大器的最大输出电压是24V，放大倍数为2.3V/V，也就是说计算机的输出电压要小于10V。但是实际上，在向实验板输出6V电压时实验板发热已经较为剧烈，震动也非常明显，在实际使用中应限制计算机输出电压的绝对值在4V以下为宜。2.1.2 实验板DAQ系统介绍实验板的DAQ系统布局如图 2-4所示，从图上我们可以获知，这个实验板共有四个接口，三个输入一个输出（相对计算机而言）。分别是： AO#0（模拟信号输出0口），控制电压输出口，控制电机转动的电压输入实验板的接口。 AI#0（模拟信号输入0口），电机电枢电流输入口，电机的点数电流被从实验板读出的接口。 DI#0（计数器

23、信号输人0口），板载编码器的输出，计算机从这个接口读入信号。 AI#4（模拟信号输入4口），板载速度传感器输出口，输出信号为电压信号，需要经过一定的数学运算得到电机转速。需要特别提到的是，通常搭载实验板的NI ELVIS II的数据采集卡上面只有一个计数器时钟，同时输出电流和速度传感器的采样信号需要两个计数器提供采样时钟。因此同时输出这两个信号不能简单地实现，尤其是不能用DAQ助手实现，具体内容将在下面第四章DAQmx介绍中提到。图 2-4 实验板DAQ系统简图2.2 NI ELVIS IIELVIS II实验平台是所有实验板的基础平台，其内置一块数据采集卡，可以将实验板上的信号进行收集和处理

24、并从特定的通道输出，也可以对来自计算机的信号进行数模转换进而控制电机旋转。通过PC机上面安装的DAQmx驱动程序方便的实现控制终端与被控对象之间的通信。除此之外，ELVIS II实验板还集成了12个常用仪器的功能，典型的有示波器，函数发生器，数字万用表等等。这些仪器设备统一通过安装在计算机上的ELVIS II驱动程序实现在计算机显示器上面显示仪器前面板，在ELVIS II上面并没有显示设备。这种设计方法大大简化了物理结构设计难度，降低了设备成本。除此之外，这些常用仪器的集成方便了控制系统的构建和拓展，使得ELVIS II在配合原型实验板的时候不但可以实现普通的教学任务，在实际工程应用中的控制系

25、统搭建及测试环节也可以占据一席之地。2.2.1 NI ELVIS II结构介绍NI ELVIS II的各个接口和开关的介绍可以参照表格 2-2和图 2-5。表格 2-2 NI ELVIS II各部分介绍编号介绍编号介绍1实验平台4平台已准备好提示 LED2实验平台电源开关5平台电源接口3电源提示LED6USB线缆接口图 2-5 NI ELVIS II第3章 虚拟仪器与LabVIEW介绍3.1 虚拟仪器3.1.1 虚拟仪器简介20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器（Virtual Instrument）在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于

26、其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器

27、产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。3.1.2 虚拟仪器的优势同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成。3.2 LabVIEW3.2.1 LabVIEW概述LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发

28、测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。与 C 和BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用

29、图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。图 3-1 NI LabVIEW工作界面3.2

30、.2 LabVIEW编程语言LabVIEW采用的是一种图形化的编程语言。它的全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验虚拟仪器工程平台）。具体来说，它是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又易于使用的基于图形化的编程语言G的开发环境。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制，可

31、以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计虚拟仪器，可以提高效率410倍。同时，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和更新自己的虚拟仪器系统。图 3-2 LabVIEW编程语言第4章 NI - DAQmx4.1 DAQmx简介DAQmx 是NI数据采集设备的驱动程序，这使得在LabVIEW中建立连接物理设备的虚拟通道变得容易。目前常用的虚拟通道建立方法是手动建立虚拟通道方式和DAQ助手协助建立虚拟通道方式两种。DAQmx工具在LabVIEW后面板的FunctionsMeasurement I/ONI-DAQmx选项卡中。如下图 4-1：

32、图 4-1 DAQmx工具面板下面分别对常用的一些工具以及建立物理通道的过程进行介绍：4.1.1 传统DAQmx工具建立虚拟通道子VI外部信号通过物理通道进入计算机，在开始数据处理前的第一步就是要建立虚拟通道。常用的输入方式有两种，一种是直接建立物理通道，并将物理通道连接建立虚拟通道子VI的physical channels端口。另一种是建立设备（Device）端口，由格式字符串转换工具Format to String分选出其中的一个通道连接physical channels端口，如下图所示。其中常量0和ctr代表选择的是ctr0通道。建立虚拟通道子VI下方的选项卡选择建立虚拟通道的类型，他必

33、须与连接的物理通道类型相对应。图 4-2 虚拟通道构建子VI图 4-3 从设备接口中选取通道时钟子VI建立一个时钟，在此作为采样时钟工作。采样频率通常定义为1000Hz，每个通道的采样个数通常定义为采样频率的十分之一。对于连续运行的提醒通常采用连续采样方式。采样时钟是信号读取配置中最关键的配置之一。由于QNET DCMCT实验板所连接的NI ELVIS II自带的数据采集卡只有一个时钟，所以同一个VI中不能同时调用两个时钟，这一点在使用过程中要特别注意。图 4-4 时钟子VI图 4-5 时钟子VIDAQ读取子VIDAQ读取函数。将虚拟通道的信息读取出来以数据形式输出，可以简单看做一个信号转换工

34、具。它将物理通道中各种格式的数据转换成十进制数据输出，大大简化了对不同物理通道信号的读取和转化配置过程。图 4-6 DAQ读取子VI图 4-7 DAQ读取子VIDAQ写入子VIDAQ写入函数，将数据转换成物理通道或者任务所需的信号。与上面的read工具相对应。图 4-8 DAQ写入子VI图 4-9 DAQ写入子VI4.1.2 传统虚拟通道建立过程下面通过一个例子来介绍传统虚拟通道的建立过程，如图 4-10所示。一个完整的模拟信号采集过程，也就是虚拟输入通道，由虚拟通道建立子VI，时钟子VI，任务开始子VI，数据读取子VI，任务清除子VI组成。图 4-10 信号采集基本通道从理论上讲任务开始子V

35、I应该与任务结束子VI对应，但是在简单结构的VI中，如果While循环外部的内容不需要重复执行，则直接使用清除任务子VI即可。一个完整的模拟信号输出过程，也就是虚拟输出通道由虚拟通道建立子VI，任务开始子VI，写入读取子VI，任务清除子VI组成。如图 4-11：图 4-11 信号输出基本通道虚拟通道建立子VI除了可以连接物理通道外，还可以通过Device选择输入控件与字符串选择子VI的组合与外部物体通道建立联系，这使得在一个仪器连接多个通道时程序框图更加的明朗。这一部分已经在上面虚拟通道建立子VI的介绍中提到，这里不再赘述。注：在使用DCMCT实验板时，有时我们希望同时得到电机电流和转速传感器

36、的输出信号，这时通常情况下我们需要两个计时器工作以实现对两个频道信号的同时采样。但是DCMCT实验板上面只有一个定时器，同时建立两个计时器子VI系统会报错。这一情况的解决办法是通过构建字符串的方法将两个通道的信号分段串接在一起，由一个计时器统一采样。如图 4-12：图 4-12 同时采集两个传感器信号这里采用的是字符串转换子VI，从设备接口的信息中选出所需通道的信号。如图4-12在电流传感器的AI#0通道信息转换成字符串后，在每一段数据后串接一个“,”以实现同后面速度通道AI#4的信号分隔。从而组成了一个含有两个信息的字符串，在后续处理中只需要一个计时器子VI进行采样即可。如图 4-13所示。

37、图 4-13 电机角度控制VI虚拟通道构建子VI以上图片截取自QNET DCMCT实验板附赠光盘QNET Instructor Resources中的电机角度控制VI，有兴趣进一步深入学习的同学可以自行研究。4.2 DAQ助手的使用DAQ助手是LabVIEW刚加入不久的工具，它大大简化了虚拟通道建立和信号转换中的配置工作量，配置界面简单迅速，易于使用。但是DAQ助手只适用于基础的虚拟通道建立，对于采样或输出有额外要求的场合，由于它不能进行复杂的配置设定，QAD助手往往显得力不从心。图 4-14 DAQ助手DAQ助手的建立过程如下：新建立一个DAQ助手之后双击它进行配置，选择数据获取或者产生以及

38、信号的类型，如Error! Reference source not found.所示。选择完成后系统会自动跳入通道选择界面如图 4-16。选择好所需通道后进入第三个界面。至于什么信号选择什么通道，则需要事先了解被控对象的传感器信号形式和接口。比如QNET DCMCT实验板的数字编码器的输出口是计数器输入的边沿触发0通道，而速度传感器的输出是电压输入的4通道。图 4-15 选择信号形式图 4-16 选择通道第三个界面即为DAQ助手的工作面板，在这里选择DAQ的采样方式，采样频率和缓冲区大小。缓冲区大小的设置要十分谨慎。比如采样频率为1000Hz，缓冲区如果是100，则代表DAQ助手要花100m

39、s采集100个信号才输出一次，输出信号的频率是10Hz，而在很多情况下这种工作频率是过低的。图 4-17 DAQ助手工作面板第5章 基本控制系统和PID控制器的构建控制系统的构建方法和过程是控制理论能否成功实现的基础和必要途径。这在控制学科当中的重要地位不言而喻。本论文以LabVIEW软件为基础，借助Control Design & Simulation工具包和PID工具包简单的介绍基本控制系统的几种构建方法以及PID控制器的构建过程。5.1 基本控制系统的构建大多数控制系统都可以转化为控制系统方框图的形式，从而使得控制系统更为简明易懂，控制逻辑更加清晰。LabVIEW中控制系统的构建有两种形

40、式，分别使用Simulation选项卡和Control Design选项卡中的工具。使用Simulation选项卡中的工具构建的控制系统VI与传统控制系统方框图十分相似，而使用Control Design选项卡中的工具则与此完全不同。下面分别用两个例子介绍。5.1.1 使用Simulation选项卡工具构建控制系统Simulation选项卡所在的位置是：系统后面板FunctionsControl Design & SimulationSimulation。其中最常用到的是Continuous Liner Systems即线性定常系统子VI库。图 5-1 Simulation选项卡如图 5-2所

41、示，利用Simulation选项卡中的工具构建出的控制系统是控制系统方框图的形式，界面简洁易懂，只需要一个控制&仿真循环工作区域以及各个传递函数子VI就可以构建。图 5-2 基本控制系统实例1下面对用到的各个子VI进行简单介绍：传递函数子VI显而易见，就是一个构建好了的传递函数。设定方法参考图右下角部分。Denominator是分母，Numerator是分子，字母a、b后面的数字代表s的阶次，如0代表s的0次方，1代表s的1次方。如果想要构建更为复杂的传递函数，如含参的可变传递函数则需要将Parameter source选项改为Terminal，即从外部获取参数。传递函数在这种方式下工作时仅由

42、Simulation选项卡中的子VI不能完成构建，这一部分会在下面Control Design选项卡的介绍当中提到。需要注意的是，这个传递函数的输入输出都是64位实数，也就是说传递函数自动完成了输入信号和输出信号的实数复数域转换，这给传递函数的使用提供了很多方便。图 5-3 传递函数子VI图 5-4 传递函数子VI属性界面函数波形发生器Control Design&Simulation工具包中自带了波形发生器工具，这给控制系统的建立带来了很多方便。在Signal Generation信号产生的选项卡中除了阶跃，矩形波，斜坡，正弦，调频波的发生器外，方波，锯齿波，白噪声使用第二排第一个子VI：S

43、ignal Generator（居然直接叫波形发生器）来产生。各个波形发生器的各种参数如幅值，频率，占空比，偏移量等均可在他们各自的属性界面中统一调整，也可以通过修改属性值，使得特定参数直接在使用构建在前面板的控件随时调整。图 5-5 函数发生器选项卡暂停仿真，仿真定时，数据收集在Utilities工具选项卡中有很多实用的工具。Halt Simulation工具可以简单的理解为与While循环中的停止循环有相同的作用。Collector收集器可以自动收集数据，并以簇的形式从输出，可以使用这个工具来构建波形。图 5-6 工具选项卡5.1.2 使用Control Design选项卡工具构建控制系统

44、Control Design（CD）选项卡与Simulation相邻，控制系统的构建方式却与后者完全不同。如图 5-7所示，在这个系统中进行了PID控制器的构建，传递函数的构建，传递函数分式的绘制，传递函数之间的连接以及反馈，最后部分还加入了对波形的时域指标进行自动测量计算的功能。图 5-7 基本控制系统实例2控制系统信息流动不再是简单的复数域信息的流动，反馈和不同传递函数之间的连接也需要专用的VI进行。下面对用到的几个子VI进行简单介绍：CD构建传递函数子VI可以根据输入输出量的多少以及是否含有可变参量工作在四种不同的模式。本实验设计中采用的是单输入单输出带可变参量的工作方式。这里着重介绍一

45、下传递函数分母的构建形式，分子构建方式与此相同。如图中采用的常量（这里的常量Constant对应于创建Create选项中的Control和Indicator）形式分母Denominator，从左向右依次为s的零次项，一次项，二次项分子分母中参量的值统一通过Variables接口输入子VI。图 5-8 CD构建传递函数子VI图 5-9 CD构建传递函数子VICD绘制传递函数子VI它可以自动计算出被构建的传递函数分子分母的最终形式并以图形的形式输出，常用在前面板的演示上面。图 5-10 CD绘制传递函数子VI图 5-11 CD绘制传递函数子VICD转换子VI当Control Design选项卡中的

46、子VI要与Simulation选项卡中的工具子VI通信时，必须通过这个工具。根据不同的情况工作模式也不同。相对应的，常用的还有一个Simulation to Control Design的转换子VI。图 5-12 CD转换子VICD模块连接工具与控制体统方框图中箭头的作用相同，连接两个模块。图 5-13 CD控制系统设计模块连接工具CD模块反馈工具Model1端口接反馈起始点之前的最后一个模块，Model2端口接反馈传递函数，如果Model2端口悬空则默认为单位负反馈。图 5-14 CD模块反馈工具CD时间响应性能指标获取工具这个工具连接在控制系统输出端，可以自动绘制控制系统输出波形并计算系统性能指标。可以提供的性能指标包括：上升时间，峰值时间，过渡时间，最大超调，稳态值和峰值。利用稳态值与输入量做差可以获得稳态误差。图 5-15 CD时间响应性能指标获取工具5.2 PID控制器的构建PID控制是各种控制方法中较为成熟的一种，它具有原理简单，适应性强，体系完善