《精通labview程序設(shè)計(jì)》

1、《精通LabVIEW 程序設(shè)計(jì)》一書隨書課件,清華大學(xué) 張桐 2008.12,11.1 概述11.2 控制系統(tǒng)的建模11.3 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析11.4 控制系統(tǒng)的頻域分析11.5 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析,第 11章 LabVIEW在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,內(nèi)容提要,主要講述LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包主要內(nèi)容 控制系統(tǒng)的建模、轉(zhuǎn)換方法； 常見的經(jīng)典和現(xiàn)代控制原理分析方法。學(xué)習(xí)目的 讀者能掌握La

2、bVIEW在控制系統(tǒng)中的基本應(yīng)用，加深對控制系統(tǒng)的理解和應(yīng)用，為熟練應(yīng)用LabVIEW來解決一些自控方面的問題打下基礎(chǔ)。,11.1 概述,借助LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包（LabVIEW Control Design Toolkit），可以方便快速地對系統(tǒng)進(jìn)行建模、轉(zhuǎn)換、分析、求解等各種操作；可將煩瑣的計(jì)算和繪圖過程交給計(jì)算機(jī)去完成，并快速得到正確的分析結(jié)果。安裝了LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包后，出現(xiàn)相應(yīng)的“控制設(shè)計(jì)與仿真”子選板，其

3、中包含了控制設(shè)計(jì)工具包所有的VI庫，如圖,11.2 控制系統(tǒng)的建模,在LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包VI庫中的子VI庫“Model Construction”下“CD Construct Transfer Function Model.vi”“CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi”“CD Construct State-Space Model.vi”,11.2.1.1 傳遞函數(shù)模型,具體步驟如下：

4、（1）在前面板上添加自定制的電阻、電容和電感控件。（2）在框圖中添加While循環(huán)結(jié)構(gòu)，并在循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)添加“CD Construct Transfer Function Model.vi”。（3）在框圖中添加“CD Draw Transfer Function Equation.vi”，繪制出該模型的傳遞函數(shù)形式，并在圖中顯示出來。,前面板和框圖,11.2.1.2 零極點(diǎn)增益模型,11.2.1.3 狀態(tài)空間模型,11.2.2 模型

5、轉(zhuǎn)換,各種形式模型之間的轉(zhuǎn)換可以采用“CD Convert to Transfer Function Model.vi”、“CD Convert to Zero-Pole-Gain Model.vi”和“CD Convert to State-Space Model.vi”等VI來實(shí)現(xiàn)。,舉例,基本步驟（1）生成狀態(tài)空間模型。（2）添加“CD Convert to Transfer Function Model.vi”，將狀態(tài)空間模

6、型轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)模型；添加“CD Draw Transfer Function Equation.vi”，繪出傳遞函數(shù)模型的具體形式。（3）添加“CD Convert to Zero-Pole-Gain Model.vi”，將傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)換為零極增益模型；添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，繪出零極增益模型的具體形式。（4）添加“CD Convert to State-Space Mode

7、l.vi”，將模型轉(zhuǎn)換回狀態(tài)空間模型；添加“CD Draw State-Space Equation.vi”，繪出新的狀態(tài)空間模型的具體形式。,前面板和框圖,11.2.3 模型連接,,舉例,具體步驟如下：（1）添加若干個(gè)“CD Construct Transfer Function Model.vi”并輸入恰當(dāng)?shù)膮?shù)就可實(shí)現(xiàn)這些單元的傳遞函數(shù)模型。（2）添加“CD Parallel.vi”，通過多態(tài)VI選擇器選為“TF and TF

8、”型，將這兩個(gè)單元進(jìn)行并聯(lián)。（3）添加“CD Series.vi”，通過多態(tài)VI選擇器選為“TF and TF”型，將該單元與上一步驟中得到的并聯(lián)結(jié)果進(jìn)行串聯(lián)。（4）添加“CD Feedback.vi”，通過多態(tài)VI選擇器選為“TF and TF”型，將該單元作為負(fù)反饋回路傳遞回上一步驟中得到的串聯(lián)結(jié)果的輸入點(diǎn)。（5）再添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，并將上一步驟中得出的總結(jié)果輸入給該

9、VI，以便繪出整個(gè)系統(tǒng)的零極增益模型，同時(shí)也求出了零極分布。（6）最后在前面板上增添適當(dāng)?shù)男揎棥?前面板和框圖,11.3 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析,“Dynamic Characteristics”和“Time Response”VI庫,動(dòng)態(tài)分析VI,時(shí)域分析VI,11.3.2 控制系統(tǒng)時(shí)域分析舉例,具體步驟如下：（1）新建“二階連續(xù)系統(tǒng)的多種響應(yīng)曲線.vi”，首先利用例11-1中已經(jīng)介紹過的建模方法使用“CD Construct Tra

10、nsfer Function Model.vi”對這個(gè)二階連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，在此使用符號(hào)化變量的表達(dá)式，以便對固有頻率和阻尼系數(shù)賦值。（2）再對建好的模型調(diào)用“CD Impulse Response.vi”、“CD Step Response.vi”、“CD Initial Response.vi”和“CD Linear Simulation.vi”分別繪出系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)曲線、階躍響應(yīng)曲線、零輸入響應(yīng)曲線和正弦激勵(lì)下的響應(yīng)曲線。,前面

11、板和框圖,二階系統(tǒng)性能分析實(shí)例,系統(tǒng)根軌跡圖繪制實(shí)例,11.4 控制系統(tǒng)的頻域分析,“Frequency Response”VI庫,,11.4.2 控制系統(tǒng)頻域分析舉例,具體步驟如下：（1）新建“阻尼系數(shù)對二階連續(xù)系統(tǒng)Bode圖的影響.vi”，對系統(tǒng)進(jìn)行傳遞函數(shù)模型建模。（2）添加“CD Bode.vi”，并將建好的模型連接至該VI，以繪出系統(tǒng)Bode圖。為了保留多次繪制的結(jié)果，在程序中須將每次的繪制數(shù)據(jù)添加至一個(gè)歷史數(shù)據(jù)數(shù)組中，再

12、傳給波形圖進(jìn)行繪制。,前面板和框圖,Nyquist圖的繪制及判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)例,具體步驟如下：（1）首先對系統(tǒng)進(jìn)行建模，使用傳遞函數(shù)模型即可。（2）然后判斷系統(tǒng)在右半s平面是否有極點(diǎn)以及右半s平面極點(diǎn)的個(gè)數(shù)，實(shí)際上利用LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具包中的“CD Poles.vi”就可以很容易地得到系統(tǒng)的極點(diǎn)分布情況了（3）繪制系統(tǒng)的Nyquist軌跡圖。要使系統(tǒng)穩(wěn)定，Nyquist圖必須沿逆時(shí)針方向圍繞（-1，0）點(diǎn)兩次。使用“CD

13、Poles.vi”分析系統(tǒng)極點(diǎn)和使用“CD Nyquist.vi”繪制系統(tǒng)Nyquist圖。（4）判斷軌跡繞向。初步繪出的Nyquist圖中并未直接給出軌跡的繞行方向，這就需要使用“CD Get Frequency Data.vi”配合，得到Nyquist圖上各點(diǎn)的精確坐標(biāo)。,前面板和框圖,系統(tǒng)穩(wěn)定裕量計(jì)算實(shí)例,11.5 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析,“State-Space Model Analysis”VI庫,11.5.2 狀態(tài)空間分析

14、舉例,具體步驟如下：（1）新建“系統(tǒng)的可控性和可觀性判定.vi”，添加“CD Construct State-Space Model.vi”，對該系統(tǒng)建立狀態(tài)空間模型。（2）添加“CD Controllability Matrix.vi”和“CD Observability Matrix.vi”，并將建好的模型連接至這兩個(gè)VI，計(jì)算出該系統(tǒng)的可控性矩陣和可觀性矩陣，同時(shí)這兩個(gè)VI也可以分別通過輸出參數(shù)“Is Controllable