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3

461

3522++++s s s s ，那么分子和分母需要按照以下方式进行输入。

注意事项：在LabVIEW 软件中，数组的第一个元素为0

s 的系数，第二个元素为1

s 的系数，第三个元素

为2

s 的系数，……

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。