昆明理工大学虚拟仪器在控制系统设计中的应用模块实验报告.docx
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昆明理工大学虚拟仪器在控制系统设计中的应用模块实验报告
昆明理工大学机电工程学院
虚拟仪器在控制系统设计中的应用
模块综合实验报告
专业：
机械工程及自动化
年级：
2011级
学期：
2014-2015学年上学期
模块名称：
机电系统设计
指导教师：
吴涛
学号：
1154
姓名：
蒋旭
实验起止时间：
2015年1月4日至1月15日
一.实验指导书
虚拟仪器在控制系统设计中的应用模块
综合实验指导书
第一部分控制系统设计基础验证性实验
实验一数学模型的创建
一、实验目的
1、掌握LabVIEW软件使用的基本方法；
2、熟悉LabVIEW软件的编程界面；
3、掌握使用LabVIEW软件创建系统的数学模型并实现数学模型之间的转换。
二、实验仪器与软件
1、PC机1台
2、LabVIEW8.5及以上环境
三、实验原理
1、控制系统的数学模型及其意义建立控制系统的数学模型是系统分析和设计的基础。
用来描述系统因果关系的数学表达式称为系统的数学模型。
控制系统的数学模型有多种表达形式：
时域中常用的有微分方程、差分方程；复域中常用的有传递函数、结构图；频域中常用的有频率特性。
2、建立控制系统数学模型的不同方法建立控制系统数学模型的方法有分析法和实验法。
实验法又称为系统辨识。
3、控制系统的不同模型表示及其转换实际工程中，要解决自动控制问题所需用的数学模型与该问题所给定的已知数学模型往往不一致；或者要解决问题最简单而又最方便的方法所用到的数学模型与该问题所给定的已知数学模型不同，此时，就要对控制系统的数学模型进行转换。
四、实验内容
1、LabVIEW软件的控制设计与仿真工具包
在讨论数学模型的创建之前，我们先了解一下LabVIEW软件的控制设计与仿真工具包。
控制设计与仿真工具包可以在结构框图的AllFunctions选板中找到，如图1.1所示。
图1.1控制设计工具包
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，可查看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。
模型创建选板如图1.2所示：
图1.2模型创建选板
图1.2中的函数用于创建各种类型的模型，例如传递函数模型、零点/极点/增益模型和状态空间模型等。
下面将讨论创建传递函数模型函数和创建状态空间模型。
2、控制设计与仿真工具包中的创建传递函数模型
图1.3创建传递函数模型
端子如图1.3所示。
重要的端子为分子和分母。
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。
例：
如果传递函数是，那么分子和分母需要按照以下方式进行输入。
图1.4创建传递函数模型（分子分母对应）
注意：
在LabVIEW软件中，数组的第一个元素为s0的系数，第二个元素为s1的系数，第三个元素为s2的系数…。
3、控制设计与仿真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。
图1.5创建传递函数模型的前面板
如图1.5所示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。
如图1.6所示。
图1.6传递函数模型的前面板
请再一次注意分子和分母的系数，然后比较它们在结构图中输入的次序不同。
4、控制设计与仿真工具包中的创建状态空间模型
图1.7创建状态空间模型函数
函数的端子如图1.7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。
下面是创建状态空间模型的一个例子，如图1.8所示。
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。
图1.8创建状态空间模型
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，如图1.9所示。
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。
图1.9弹出菜单的选项
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。
五、实验要求
1、熟悉LabVIEW界面、基本指令使用方法、工作环境；
2、创建以下系统的数学模型
（1）
（2）
实验二系统时域分析
一、实验目的
1、掌握使用LabVIEW进行控制系统的时域分析，绘制控制系统时域响应曲线图；
2、掌握使用LabVIEW进行系统时域暂态性能指标的计算。
二、实验仪器与软件
1、PC机1台
2、LabVIEW8.5及以上环境
三、实验原理
系统性能指标是指在分析一个控制系统时，评价系统性能好坏的标准。
总体来看，系统的性能要求可以归结为三个方面：
系统的稳定性；系统进入稳态后，应满足给定的稳态误差的要求；系统在动态过程中应满足动态品质的要求。
四、实验内容
1、时间响应选板
首先了解时间响应选板，如图2.1所示。
图2.1时间响应选板
2、响应曲线
在如图2.1所示的时间响应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脉冲响应。
它们也是多项式函数。
如图2.2所示的结构图显示了传递函数模型的阶跃响应和脉冲响应的连接。
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。
图2.2时间响应框图连接
前面板上显示了输出曲线图：
a）单位脉冲响应b）单位阶跃响应
图2.3时间响应曲线
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，会用到图表、曲线图或者XY曲线图。
如图2.4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。
图2.4时间响应选板
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CDStepResponse函数所使用的图表。
阶跃响应曲线与XY图的连接如图2.5所示。
图2.5阶跃响应曲线与XY图的连接
也可创建阶跃响应曲线，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图2.6所示。
图2.6创建阶跃响应曲线图
注意：
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。
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、奈奎斯特和极点-零点等。
如果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可以选择。
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。
可以经常调整图表特性，使你设计的图表更加美观并且更加易懂。
图2.7曲线图的性质
3、暂态性能指标
如图2.8所示，可以调用CDParametricTimeResponseData.vi这个函数计算系统的瞬态响应，如上升时间、峰值时间、调节时间、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。
图2.8暂态性能指标框图连接
前面板的输出如图2.9所示：
图2.9暂态性能指标前面板
五、实验要求
1、熟悉以上例子；
2、设单位负反馈系统的开环传递函数为
，试求系统单位阶跃响应；
3、设单位负反馈系统的开环传递函数为
，试求系统单位阶跃响应和系统动态性能指标。
4、创建如图2.10所示的控制系统结构图，修改图中参数，并观察前面板的输出。
图2.10控制系统结构图
实验三系统频率特性分析
一、实验目的
1、掌握使用LabVIEW进行控制系统的频域分析；学会Nyquist图和Bode图的绘制。
2、掌握使用LabVIEW进行控制系统的分析与校正。
二、实验仪器与软件
1、PC机1台
2、LabVIEW8.5及以上环境
三、实验原理
频率特性曲线有三种表现形式：
对数坐标图、极坐标图和对数幅相图，这三种表示形式的本质是不一样的。
四、实验内容
首先了解频率响应选板，如图3.1所示
图3.1频率响应选板
这个子选板中被使用得最频繁的函数是CDBode、CDNyquist和CDGainandPhaseMargins。
这些函数通常是被频繁使用的。
CDBode.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。
图3.2Bode图框图连接
我们感兴趣的输出端子是那些用来绘制幅频和相频曲线的端子。
它们可以通过在相应的端子上创建指示器来绘制。
幅频曲线如图3.3所示。
图3.3幅频曲线
CDNyquist.vi：
这个函数给出了系统的奈奎斯特曲线。
图3.4Nyquist图框图连接
注意：
当你右键点击CDNyquist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。
CDGainandPhaseMargin.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。
图3.5增益和相位余量框图连接
增益和相位余量被显示在如图3.6所示的数字指示器中。
图3.6增益和相位余量前面板
五、实验要求
1、熟悉以上例子；
2、系统开环传递函数为
，绘制其Nyquist图；
3、单位负反馈系统的开环传递函数为
，绘制闭环系统的Bode图。
实验四控制系统的稳定性分析
一、实验目的
1、掌握使用LabVIEW进行控制系统的稳定性分析；
2、学习使用数组编写Routh稳定判据。
二、实验仪器与软件
1、PC机1台
2、LabVIEW8.5及以上环境
三、实验原理
1、对于连续时间系统，如果闭环极点全部在S平面左半平面，则系统是稳定的。
对于离散时间系统，闭环脉冲传递函数（或输出的z变换）的极点全部位于z平面以原点为圆心的单位圆内，则系统是稳定的。
2、Nyquist曲线是根据开环频率特性在复平面上绘出的幅相轨迹，根据开环的Nyquist曲线，可以判断闭环系统的稳定性。
系统稳定的充要条件为：
Nyquist曲线按逆时针包围临界点（-1,j0）的圈数R，等于开环传递函数位于s右半平面的极点数P，否则闭环系统不稳定，闭环正实部特征根个数Z=P-R。
若刚好过临界点，则系统临界稳定。
3、综合应用伯德稳定判据和奈氏稳定判据。
四、实验内容
1、使用系统自带的稳定性判定功能，在动态特性选板中，如图4.1所示。
图4.1动态特性选板
五、实验要求
1、熟悉以上例子；
2、综合应用以上例子建立开环传递函数为
的数学模型，进行系统的时域、频域及稳定性分析。
（参考前面板如图4.2所示）
图4.2习题2参考前面板
3、试用数组编写Routh稳定性分析程序。
第一部分设计性实验
实验一温度PID控制系统设计
一、实验目的
1、要求掌握LabVIEW的程序结构（循环、分支、顺序）；
2、学习使用LabVIEWPID工具包；
3、声卡程序的编写；
4、温度PID控制系统设计；
二、实验仪器与软件
1、PC机1台
2、LabVIEW8.5及以上环境
三、实验原理
1、循环结构
（1）While循环
While循环可以反复执行循环体的程序，直至到达某个边界条件。
它类似于普通编程语言中的Do循环和Repeat-Until循环。
While循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为FALSE。
该循环有如下特点：
●计数从0开始（i=0）。
●先执行循环体，而后i+1，如果循环只执行一次，那么循环输出值i=0。
循环至少要运行一次。
图1.1While循环示意图
（2）For循环
For循环用于将某段程序执行指定次数。
和While循环一样，它不会立刻出现在流程图中，而是出现一个小的图标，而后可以修改它的大小和位置。
具体的方法是：
先单击所有端子的左上方，然后按下鼠标，拖曳出一个包含所有端子的矩形。
释放鼠标时就创建了一个指定大小和位置的For循环。
图1.2For循环
For循环将把它的框图中的程序执行指定的次数，For循环具有下面这两个端子：
N：
计数端子（输入端子）——用于指定循环执行的次数。
I：
周期端子（输出端子）——含有循环已经执行的次数。
图1.2显示了一可以产生100个随机数并将数据显示在一个图表上的For循环。
在该例中，i的初值是0，终值是99。
2、顺序结构
图1.3顺序结构
在代码式的传统编程语言中，默认的情况是，程序语句按照排列顺序执行，但LabVIEW中不同，它是一种图形化的数据流式编程语言。
在图1.3左图中，假设有A、B、C、D4个节点，其数据流向如顺序结构的说明。
右图所示。
按照数据流式语言的约定，任何一个节点只有在所有的输入数据有效时才会执行，所以图中，当且仅当A、B、C三个节点执行完，使得D节点的三个输入数据都到达D节点后，D节点才执行。
但是要注意，这里并没有规定A、B、C三个节点的执行顺序。
在LabVIEW中这种情况下，A、B、C的执行顺序是不确定的，如果你需要对它们规定一个
确定的顺序，那就需要“顺序结构”。
图中的右边是顺序结构的图标，它看上去像是电影胶片。
它可以按一定顺序执行多个子程序。
首先执行0帧中的程序，然后执行1帧中的程序，逐个执行下去。
与Case结构类似，这种多帧程序在流程图中占有同一个位置。
3、分支结构
Case结构含有两个或者更多的子程序（Case）,执行哪一个取决于与选择端子或者选择对象的外部接口相连接的某个整数、布尔数、字符串或者标识的值。
必须选择一个默认的Case以处理超出范围的数值，或者直接列出所有可能的输入数值。
Case结构见下图1.4，各个子程序占有各自的流程框，在其上沿中央有相应的子程序标识：
Ture、False或1、2、3…。
按钮用来改变当前显示的子程序（各子程序是重叠放在屏幕同一位置上的）。
图1.4Case结构示意图
四、实验内容（温度PID控制）
温度是工业生产中最常见和最基本的工艺参数之一，许多物理变化和化学反应过程均与温度密切相关。
例如在冶金、化工、电力、机械制造和食品加工等许多领域，人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行精确监测和控制。
整个温控系统的控制功能主要通过控制算法和控制电路配合来实现的。
目前提出的控制算法有很多种，但根据偏差进行控制的PID算法。
经实际运行经验和理论分析都表明其能满足相当多工业对象的控制要求。
所以至今仍是一种应用最广泛的控制算法。
温度信号的采集用K型热电偶测量。
常用PID控制器算法为：
（1）
常规PID的离散化的表达式：
（2）
其中Ki=KpT/Ti，Kd=KpTd/T，其中T为采样周期。
四、实验内容
按式
（1）编写程序时，在编写程序时其紧前值由移位寄存器控制。
所编程序如图1.5所示，前控制面板如图1.6，声卡报警程序如图1.7所示。
图1.5温度PID控制背面板程序
图1.6前面板控制界面
图1.7温度报警程序图
五、实验要求
编写相应LabVIEW程序，完成上述实验，同时利用属性节点使温度计的颜色随温度高
低的变化而变化。
实验二网络通信实验
一、实验目的
随着仪器仪表智能化程度和通信能力的不断提高，传统的集中测量正在向分布式测量转变，本地测量也正在向远程测量转变。
测控方式网络化，是测控技术发展的必然趋势，LabVIEW具有强大的网络通信功能，用户可以容易地编写出具有强大网络通信能力的LabVIEW应用软件，以实现远程测控，适应于未来发展的需要。
二、实验仪器与软件
1、PC机1台
2、LabVIEW7.1及以上环境
三、实验原理
LabVIEW中所提供的通信方式包含有：
浏览器、DataSocket、TCP、RDA。
四、实验内容
1、浏览器方式
该方式适用于数据传送量不大的情况，对客户机端的要求很低，不需在客户端安装相应的客户端软件，只需通过浏览器便可登陆服务器对远程系统进行监控，该方法易于实现、操作方便。
在这种方式下，服务器把虚拟仪器应用程序的前面板发布到Web页面上，远端（客户机）端可用浏览器观察，并通过设置Request/ReleasecontrolVI获得客户端的远程控制权限。
该方式用户无需编程，在将程序发布到网络之前要利用LabVIEW的Tools->Options->webserverconfiguration进行设置。
客户端浏览器界面如图2.1所示。
2.1客户端浏览器界面
2、DataSocket（DS）技术
DataSocket是基于C/S（Client/Server）模式面向测量与自动控制的网上实时数据交换的编程新技术，适合数据传送量大的情况，而且具有效率高、数据可靠完整、兼容性强等特点。
DataSocket由DSServerManager、DSServer、DS函数库以及数据传输协议DSTP（DataSocketTransferProtocol）、统一资源定位符URL（UniformResourceLocator）和文件格式等技术规范。
如图2.2所示DSServerManager主要用于设置DSServer可连接的客户程序的数目和可创建的数据项（DataItem）的数目，设置用户和用户组，以及设置用户访问和管理数据项的权限。
图2.2DSServerManager设置界面
DSServer是一个独立运行的程序，它负责和用户程序之间的数据交换。
在运行C/S系统之前，应先运行DSServer。
DS采用基于TCP/IP的DSTP协议传输数据，同时又为HTTP、FTP和文件I/O等通信协议提供统一的应用程序接口（API），编程人员无需为不同的数据格式和通信协议编写具体的程序代码，就可以在测控网络上实时发布及共享数据。
DS的函数库主要包含有Open、Read等函数。
DataSocket传输的数据本身包含很小的头文件，因此，数据传输速度快，适合于在网络上大量实时数据的传输。
利用网络上的单独一台计算机作为服务器，完成数据采集和发布功能，连接到网络上的其它计算机作为客户机，应用DataSocket技术实现实时数据传输的框图程序如图2.3所示，该程序可实现客户机与服务器的全双工通信。
a）框图程序
b）前面板
图2.3应用DataSocket技术实现的客户机与服务器的全双工通信。
3、TCP方式
TCP/IP协议作为最基本的网络协议，有着良好的实用性和开放性。
在LabVIEW应用中，通过TCP/IP编程来实现远程测控，不需要外部软件的支持，系统的安全性较高，并且开发设计非常灵活。
在LabVIEW中常用的TCP功能函数有：
TCPListen、TCPOpen、TCPRead、TCPWrite、TCPClose。
应用TCP/IP协议实现的远程测控程序框图如图2.4所示。
a）客户机端程序
b）服务器端程序
图2.4应用TCP/IP协议实现的远程测控程序
五、实验要求
利用上述三种方式，编写相应LabVIEW程序，完成远程通信实验。
二、验证型实验
第二部分控制系统设计基础验证型实验
1数据模型的创建
1.1控制设计与仿真工具包中的创建传递函数模型
建立控制系统的数学模型是系统分析和设计的基础。
用来描述系统因果关系的数学表达式称为系统的数学模型。
控制系统的数学模型有多种表达形式：
时域中常用的有微分方程、差分方程；复域中常用的有传递函数、结构图；频域中常用的有频率特性。
重要的端子为分子和分母，一旦模型被创建，那么他可以显示在前面板中，也可以连接到其他函数上,端子如下：
1.2实验
数学模型1程序框图，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。
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。
如下：
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，如下：
前面板输出：
2.1系统时域分析
系统性能指标是指在分析一个控制系统时，评价系统性能好坏的标准，总体来看，系统的性能要求可以归结为三个方面：
系统的稳定性；系统进入稳态后，应满足给定的稳态误差的要求；系统在动态过程中应满足动态品质的要求。
时间响应选板中经常被使用的虚拟仪器包括控制设计阶跃响应和控制设计脉冲响应，他们也是多项式函数。
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，来获取输出曲线图。
时间响应框图：
时间响应曲：
2.2暂态性能指示
暂态性能指示框图：
前面板输出：
2.3单位负反馈的开环传递函数
，求单位阶跃响应的程序框图为：
前面板显示结果：
，求单位阶跃响应的程序框图为：
前面板结果：
2.4.2该系统动态性能指标程序框图：
前面板显示结果：
2.5控制系统实例3，程序框图：
前面板输出：
更改参数后前面板显示：
3系统频率特性分析
频率特性曲线有三种表现形式：
对数做标图、极坐标图和对数幅相图，这三种表示形式的本质是不一样的。
3.1CDBode.vi：
这个函数给出了系统的幅度和相位的波特图曲线，其输入时一个开环模型。
Bode图框图连接：
幅频特性曲线：
3.2CDNyquist.vi：
此函数给出了系统的奈奎斯特曲线。
Nyquist图框图连接：
奈奎斯特曲线：
3.3CDGainandPhaseMargin.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
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