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利用LabVIEW软件进行控制设计和仿真入门


利用 LabVIEW 软件进行控制设计和仿真入门
这个章节将集中介绍 LabVIEW 软件中的控制系统设计的基本特性。我们在这里假定读者们已经熟悉了 LabVIEW 软件的其它部分。 (如果你对 LabVIEW 软件的其它部分不熟悉,请参考 Robert H. Bishop 的 ‘Learning with LabVIEW’) 。 每一章的专用信息会包含在那一章的简介中

在我们开始之前, 请确保你的计算机上已经安装了可使用的控制设计和仿真工具包。 它们不是 LabVIEW 基本软件的一部分,而是需要单独购买的。 LabVIEW软件的控制设计工具包 控制设计工具包可以在结构框图的All Functions选板中找到。

下面将简要介绍控制设计选板中每个单独工具的用法。我们将介绍在子选板中出现的函数。如需进一步 的描述,请查看 LabVIEW 软件的帮助文档。 当帮助菜单中的文字帮助窗口被打开时,你可以在相应的文字帮助窗口中看到关于每个函数的描述。 模型创建选板:

这节中的函数用于创建各种类型的模型,例如状态空间模型、传递函数模型和零点/极点/增益模型等。 下面将讨论创建状态空间模型和创建传递函数模型函数。

控制设计工具包中的创建状态空间模型

函数的端子如上图所示。如果采样间隔端子没有连接,那么系统被默认为是连续采样。将一个值连到采 样间隔端子上会使系统变为离散系统,它使用给定的时间作为采样间隔。状态空间模型的A、B、C、D 矩阵都有对应的端子。一旦LabVIEW软件创建了状态空间模型(其输出端子可用),该模型就可以用于 其它函数并且可以转化成其它的形式,在这一节里我们将进行更加深入的讨论。 下面就是创建状态空间模型的一个例子。它的输出端可以连接到控制设计工具包中很多其它函数上,作 为它们的输入端。

输入端子既可以是常数(在结构框图中),也可以是控制量(在前面板中)。为了使这个手册更容易理 解, 我们演示的大多数例子都是在结构图中使用常数, 但是, 使用前面板上的控制量时常会使效率更高。 常数、控制量和指示器都可以通过在需要的端子上点击右键,并且在弹出菜单的选项中选择进行创建。 控制设计工具包中的很多特殊函数和数据结构, 使得它成为正确创建控制量和指示器的一个非常有用的 快捷方式。

许多控制设计函数,包括创建状态空间模型都是多项式形式的。一个多项式形式的函数在图标(在上面 的图表中,标记为 Numeric)下有额外的菜单结构。这表示模型的输入将是数字形式的。相同的函数也 可以以符号的形式输入,代表输入可以是变量,而变量值是由前面板来控制的。要选择这个选项,只需 要用操作工具点击底部的图标,然后选择符号选项。在后面我们将更加深入地讨论符号选项的细节。

控制设计工具包中的创建传递函数模型

端子如上图所示。重要的端子为分子和分母。与前一个例子一样,一旦模型被创建,那么它既可以被显 示在前面板中,也可以连接到其它函数上。在这个例子中,也有一个符号输入选项,它的例子在后面的 章节中将会使用到。 示例:如果传递函数是

5s 2 + 3s + 1 ,那么分子和分母需要按照以下方式进行输入。 6s 2 + 4s + 3

注意事项:在LabVIEW软件中,数组的第一个元素为 s 的系数,第二个元素为 s 的系数,第三个元素 为 s 的系数,……
2

0

1

控制设计工具包中的绘制传递函数方程
这个函数用来创建传递函数方程,它可以通过创建指示器来在前面板中显示。

上面创建的传递函数模型通过方程指示器将结果显示在前面板上。

请再一次注意分子和分母的系数,然后比较他们在结构图中输入的次序不同。 模型转换选板:

这个子选板中的函数用于把系统模型从一种形式转化为另一种形式 (例如把状态空间形式转化为传递函 数形式或者极点/零点/增益形式,反之亦然)。连续模型和离散时间模型也可以从一种形式转化为另一 种形式。这个选板还有可以把用于控制设计的模型转化为仿真模型的函数,反之亦然。 为了把前面讨论过的状态空间模型转化为传递函数模型,你可以使用如下图所示的结构图。

除此之外,如果你想把传递函数模型转化为状态空间模型,那么需要做如下连接。

这个子选板中的其他函数可以按照类似的方法进行连接。 模型互联选板:

这个子选板中的函数可被用于在不同的配置方式(如串行、并行和反馈模式)下连接不同的模型。 在前面创建的状态空间模型和传递函数模型现在按照串行的方式连接。

这个例子还显示了函数的多项式形式特性。请注意,控制设计串行虚拟仪器底部的多项式VI选择器已经 改变了,它显示着SS和TF,表示输入之一为状态空间模型,另一个输入为传递函数模型。LabVIEW软 件会自动地完成这种改变。 按照相同的方法,如果你想把传递函数模型连接到状态空间模型的反馈路径中,那么需要使用CD Feedback函数。

注意事项: 在这个例子中, 模型连接的次序十分重要。 位于反馈路径中的模型被连接到第二个端子上 (模 型2)。

因此,如果我们需要把状态空间模型连接到传递函数模型的反馈路径中,那么输入连接需要反向。 模型化简选板:

这个选板中包含了可以用来进行传递函数模型中极点/零点对消和减少状态空间模型中状态数目的函数。 在这篇手册中,我们很少会涉及这些函数。 时间响应选板:

在这个选板中被经常使用的虚拟仪器包括控制设计阶跃响应和控制设计冲击响应。他们也是多项式函 数。 下面的结构图显示了传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应。 我们可以在阶跃响应和脉冲响应函数的输出 端子上创建指示器,来获得输出曲线图。

前面板上显示了输出曲线图:

频率响应选板:

这个子选板中被使用得最频繁的函数是CD Bode、CD Nyquist和CD Gain and Phase Margins。这些函 数被频繁使用在第六章中,它们也是多项式形式的。 CD Bode.vi: 这个函数给出了系统的幅度和相位的波特图曲线,其输入是一个开环模型。

我们感兴趣的输出端子是那些用来绘制幅度和相位曲线的端子。 它们可以通过在相应的端子上创建指示 器来绘制。幅度曲线如下图所示。

CD Nyquist.vi: 这个函数给出了系统的奈奎斯特曲线。

请注意,当你右键点击CD Nyquist的输出端子时,弹出的菜单中有一个额外的选项,用来在前面板上创 建奈奎斯特曲线。在输出上单击右键,并且选择Create?Special (Indicator)选项。 在默认情况下,奈奎斯特曲线显示的是奈奎斯特坐标格。为了把它改成笛卡尔坐标,在结构图的奈奎斯 特曲线的图标上点击右键,然后选择‘Show Cartesian Grid’选项,并且取消对‘Show Grid’选项的选择。 注意事项:坐标格只能从结构图中更改,不能在前面板中更改。 CD Gain and Phase Margin.vi: 这个函数给出了系统的增益和相位余量,同时还有幅度和相位曲线图,用来显示增益和相位余量发生的 位置。

增益和相位余量被显示在下面的数字指示器中。

从结构图中得到的幅度曲线图显示在下面。在曲线中标出了幅度的零相交点。

相位曲线图也有着相似的外观。 动态特性选板: 这些函数用来查找系统的动态特性,如根轨迹、直流增益、时间响应参数等。

这个子选板中使用得最频繁的函数是CD Root Locus。这个函数绘制了反馈增益从零到无穷大闭环极点 的轨迹。 CD Root Locus.vi: 这个函数给出了系统的根轨迹曲线。这个多项式形式的函数接受任何模型的输入,包括传递函数模型、 状态空间模型或者极点/零点/增益模型。这个虚拟仪器的指示器的创建方法与CD Nyquist相同,同时坐 标的类型只能在结构图中进行更改。

下图显示了前面板中的根轨迹。

DC Gain.vi: 这个函数计算系统的直流增益。

下图显示了前面板中的系统的直流增益。

CD Parametric Time Response Data.vi: 这个函数计算系统的瞬态响应,如上升时间、峰值时间、建立时间、超调量和稳态增益等。第二个输出 端子(时间响应参数)给出了以上所有的信息。

前面板的输出如下所示:

另外还有两个选板是 State-Space Model Analysis 和 State-Feedback Design 选板。

LabVIEW仿真工具包 仿真工具包是程序框图中All Functions选板中的一个选板。

仿真选板中所有的函数都必须在仿真环路中创建和放置,然而您仍然可以在仿真环路中使用其它的 LabVIEW函数。

在仿真环路中单击右键, 选择配置仿真参数选项以打开如下图所示的配置面板。 这个窗口用于选择时间、 方法(如Runge-Kutta方法、欧拉方法等)、以及仿真步长。如果您的仿真输出与预想的不符,那么请 尝试改变诸如默认时间步长或者解决方法等参数。

下面将简要描述仿真选板的各个子选板。 线性系统选板 它包含了各种虚拟仪器,用于为系统创建积分器、微分器,添加延时,或者创建状态空间模型、传递函 数模型或者极点/零点模型等。

把积分器与传递函数串连起来,结构图如下所示:

默认的传递函数为

1 ,需要改变传递函数,在函数上双击,启动下面的配置页面。 1+ s

如果参数源被保持为配置页面,那么分子和分母需要在这个页面中输入。如果端子选项被选中,则为传 递函数创建了一个输入端子。因此传递函数可以从结构图的其它部分进行外部输入。 注意事项: ‘Configuration page’和‘Terminal’选项与仿真选板中其它有配置窗口的虚拟仪器的工作方式大 致相同。 在这里演示的是一个使用端子选项创建传递函数的例子。在这里,我们在传递函数图标上创建了一个端 子用于输入传递函数。

因为不能直接创建传递函数,所以我们必须创建一个控制设计模型,然后利用CD Convert Control Design这个转化VI把它转化为仿真模型。这样,它就可以被连接到需要的传递函数的端子上了。 非线性系统选板: 这个选板包含了用于仿真非线性效应的VI,如饱和、后冲、延时,量化器等。

这些VI将会在遇到的时候进行讨论。 离散系统选板: 这个选板包含了线性系统选板的离散等效化VI,同时还包含了零阶保持、一阶保持等VI。它们会在需要 时进行讨论。

信号生成选板: 这个选板包含产生多种信号(如阶跃信号、正弦波信号、脉冲信号、滚降信号等)的VI。

上面所示信号的参数可以通过在它们的图标上双击然后改变配置参数进行选择。 它们也有配置页面 端子的输入选项。下面将讨论正弦波发生器。 Sine Wave: 这个VI创建了所需频率的正弦波信号。下图演示了一个连接到传递函数上的正弦波信号。



在正弦波信号的图标上双击会显示如下的配置窗口。

信号算数选板: 这个选板包含了用于求和、乘法和放大的函数。

在图标上双击会产生一个窗口,在这里您可以修改这些函数的端子。乘法函数的配置窗口如下图所示。

工具选板: 这个选板中使用得最频繁的VI是Collector。它在仿真的每个时间步长上采集信号,然后输出信号值和相 应的时间值。这样就可以把输出信号绘制在XY曲线图上。

下面演示的是一个简单的仿真例子。

在曲线图上绘制输出曲线时需要使用collector。XY曲线图既可以放置在仿真环路内,也可以放置在仿真 环路外。 曲线图工具选板和查表功能选板: 这些选板将会在需要的时候进行讨论。 在控制设计和仿真环境中绘图 在控制系统中,为某些计算绘制图形化的曲线经常是必要而且有益处的。在LabVIEW软件中,有很多种 类型的图表,而且有很多种方法来创建它们,但是所有的图表都会最终显示在前面板上。 典型的,在LabVIEW软件中绘制图形化的数据曲线时,您会用到图表、曲线图或者XY曲线图。如下图 所示,这些工具可以在前面板的控制选板或者全部控制选板中找到。

三个曲线图的不同之处在于它们可以接收的数据和数据曲线是如何绘制的。 需要了解在LabVIEW软件中 绘制曲线的更多信息,请查阅LabVIEW软件的帮助文档。 许多控制设计和仿真函数使用特殊图表,这些图表都是为在控制设计和仿真中使用而量身定做的。 其中一个例子就是CD Step Response函数所使用的图表。

阶跃响应曲线:

为了创建阶跃响应曲线,在阶跃响应曲线的输出端子上点击右键,并选择创建?显示控件选项。创建的 阶跃响应曲线图如下所示。

注意事项: 这个曲线图的默认外观与LabVIEW软件的原有外观不尽相同。 许多函数需要从前面板上使用 不同的方式来创建特殊的曲线。在很多例子中,在某个函数的输出上单击右键时,在弹出菜单中会显示 出另一个选项。这个选项,就是下图中显示的创建 (特殊)?显示控件选项。 奈奎斯特曲线: 绘制奈奎斯特曲线就是这种方法的例子之一。在把一个模型连接到CD Nyquist函数上后,在奈奎斯特曲 线输出端单击右键,可以看到下面弹出菜单。

从这个菜单中选择创建 (特殊)?显示控件选项。这就在前面板上创建了特殊的奈奎斯特曲线,如下图所 示。

默认情况下,这个曲线图使用奈奎斯特坐标格。要把它更改为笛卡尔坐标,在结构图上右键点击曲线图 标,取消对‘Show Grid’选项的选择,选择‘Show Cartesian Grid’选项(如下图所示)。 注意事项:坐标格不能在前面板中更改。

对于大部分时间响应和频率响应的选板VI来说,可以使用相似的选项,如根轨迹、尼科尔斯和极点-零点 等。 要在前面板上直接放置这些曲线图,您可以在All Controls?Control Design选板上找到这些曲线中的 大部分,如下图所示。

曲线图的性质: 需要更改曲线图的性质,我们可以在曲线图上点击右键并且选择性质窗口。性质窗口有很多选项,这些 选项大多数是不需加以说明的。

刻度、刻度的有效位数或者用科学技术法表示还是用十进制数表示都可以在性质窗口中更改。在这个窗 口中,刻度可以更改设定为对数形式的,或者转化为它们的极限范围。刻度也可以设定为自动刻度。曲 线项可以更改曲线的外观,如更改曲线类型(点、线,虚点等)、曲线宽度、颜色等。

您可以经常调整图表特性,使您的图表更加美观并且更加易懂。


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