基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究.pdf

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南京航空航天大学硕士学位论文基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究姓名：

王欢申请学位级别：

硕士专业：

航空宇航推进理论与工程指导教师：

张天宏20081201南京航空航天大学硕士学位论文I摘要LabVIEW作为一种功能强大的虚拟仪器开发环境得到了越来越广泛的应用。

本文以增强系统实时性及提高开发效率为目的，开展了基于LabVIEW的实时控制与仿真技术研究，并进行了实验验证。

在实时仿真方面，提出了一种将Matlab和虚拟仪器结合起来开发实时仿真系统的方法。

利用Matlab/Simulink的实时代码生成工具箱（Real-timeWorkshop，RTW）将Simulink模型转化为C代码，再通过动态链接库（DynamicLinkLibrary，DLL）技术将C代码导入LabVIEW虚拟仪器实时平台，实现实时仿真系统的快速开发。

经电机模型仿真实例验证，该方法既可以充分利用Simulink的建模优势，又可以发挥虚拟仪器技术在灵活的实时软硬件平台和丰富的人机界面设计方面的优点，相对于传统的基于C语言开发实时仿真系统，该方法具有方便快捷的特点。

在实时控制方面，分析了Windows环境下实时控制的几种方法，重点研究了基于RTX的实时控制系统。

构建了一种基于RTX和LabVIEW的实时控制系统，利用RTX扩展Windows实时性，利用LabVIEW开发人机界面，RTX的实时任务和LabVIEW应用程序之间通过共享内存及DLL技术关联。

串口通信、数据采集及PID控制实例验证了系统的实时性。

最后分析了实时控制与仿真系统中的通信问题，介绍了LabVIEW的几种网络通信协议。

设计了基于TCP/IP的主从式应用系统，并对其实时性进行了验证。

结果表明，该网络通信方式可以满足局域网环境下系统的实时性和稳定性要求。

研究表明，将LabVIEW引入实时控制与仿真领域是可行的，不仅可以实现系统实时性，还提高了开发效率。

关键词：

关键词：

虚拟仪器，LabVIEW，实时仿真，实时控制，Matlab/Simulink/RTW，RTX，网络通信基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究IIAbstractAsapowerfulVirtualInstrumentdevelopmentenvironment,LabVIEWhasbeenwidelyusedinindustry.Inordertoenhancereal-timeperformanceofthesystemandimprovethedevelopmentefficiency,thetechnologyofreal-timecontrolandsimulationbasedonLabVIEWisstudied,andverifiedbysometests.Intherespectofreal-timesimulation,aneffectivemethodisproposed,whichcombinestheMatlab/SimulinkandVirtualInstrumentforthedevelopmentofreal-timesimulationsystem.ThesimulinkblocksareconvertedintoCcodeautomaticallybyReal-timeWorkshop（RTW）,whichisatoolboxofMatlab,theCcodeisimportedintoLabVIEWvirtualinstrumentalreal-timeplatformbyDynamicLinkLibrary（DLL）.Thereal-timesimulationsystemcanbedevelopedrapidlyinLabVIEW.AmotorexamplehasverifiedthatthismethodcancombinetheadvantagesofSimulinkmodelisationandVirtualInstrumentsstrongpointofflexiblereal-timeplatformsandabundantresourceofdesigninghuman-machineinterface.ComparingwiththeconventionalC-basedmethodofdevelopingthereal-timesimulationsystem,thismethodisconvenientandrapid.Intherespectofreal-timecontrol,themethodsofhowthereal-timecontrolcarryoutinWindowsareanalyzed,andthereal-timecontrolbasedonRTXismainlyresearched,areal-timecontrolsystembasedonLabVIEWandRTXisdesigned,whichusesRTXtoextendWindowsreal-timeperformance,usesLabVIEWtodesignhuman-machineinterface,usessharedmemoryandDLLtoassociatetheRTSSandLabVIEWapplicationprogramme.Theserialportcommunication,datasamplingandPIDcontrolexampleshaveverifiedthatthesystemhasagoodreal-timeperformance.Lastly,thenetworkproblemsinreal-timesimulationandcontrolareresearched,andsomeLabVIEWcommunicationprotocolsareintroduced.AC/SapplicationsystembasedonTCP/IPprotocolsisdesigned,andthesystemperformanceofreal-timehasbeentested.Theresultindicatesthatthiscommunicationmodeisabletosatisfythesystemreal-timeperformanceandstabilityinlocalareanetwork（LAN）.TheresearchresultsillustratethatitisfeasibletoapplyLabVIEWtoreal-timesimulationandcontrolfield,itcannotonlyrealizethesystemreal-timeperformance,butalsoimprovethedevelopmentefficiency.Keywords:

VirtualInstrument,LabVIEW,real-timecontrol,real-timesimulation,Matlab/Simulink/RTW,RTX,network南京航空航天大学硕士学位论文V图表清单图2.1LabVIEW调用Simulink模型的用户界面.7图2.2实时仿真系统开发流程.8图2.3RTW工作流程.11图2.4RTW系统目标文件配置截图.12图2.5RTW应用程序流程图.13图2.6定时循环结构.15图2.7CLF节点位置.16图2.8CompactRIO实物图.17图2.9电机实时仿真系统结构.18图2.10CompactRIO软件平台构架.19图2.11FPGAVI程序框图.20图2.12电机实时仿真系统主机程序流程图.21图2.13主机VI实时仿真部分程序框图.22图2.14Simulink中二阶伺服电机模型.22图2.15电机模型在CompactRIO上仿真.23图2.16电机模型在Simulink中仿真.23图3.1WindowsXP系统体系结构图.26图3.2RTX架构.30图3.3基于RTX的实时控制系统结构.31图3.4基于RTX和LabVIEW的实时控制系统总体方案图.32图3.5向COM1添加RTX驱动支持.33图3.6RTX在VC6.0下截图.34图3.7共享内存使用流程图.36图3.8串口通信系统主程序流程图.38图3.9串口发送数据实时任务程序流程图.39图3.10CLOCK_1定时发送效果图.40图3.11CLOCK_2定时发送效果图.40图3.12CLOCK_3定时发送效果图.40图3.13Windows普通定时器定时发送效果图.41图3.14PCI-1712数据采集程序流程图.42图3.15PCI-1712数据采集实时任务程序流程图.43图3.16PCI-1712数据采集显示效果.44图3.17PID控制系统结构图.45图3.18二阶欠阻尼系统模拟电路.45图3.19二阶欠阻尼系统辨识结果图.46图3.20Kp=3.5时系统响应效果图.47图3.21Kp=3.2，Ki=0.02时系统响应效果图.47图3.22Kp=3.2，Ki=0.03，Kd=6时系统响应效果图.48基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究VI图3.23Kp=2.2，Ki=0.045，Kd=19时系统响应效果图.48图4.1TCP/IP侦听VI.54图4.2双机TCP通信流程图.55表3.1RTSS与Win32的线程优先级对照表.31表3.2RTX三种定时机制的定时精度.35表4.1各种网络通信方式的用途和区别.52表4.2TCP/IP主从式分布式系统网络性能测试数据1.56表4.3TCP/IP主从式分布式系统网络性能测试数据2.57承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

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（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：

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南京航空航天大学硕士学位论文1第一章绪论1.1研究背景及意义近年来，实时系统在航空、航天和军事等领域得到了广泛应用1，实时控制与仿真技术也得到了前所未有的关注。

在实时仿真方面，怎样快速建立高置信度和逼真度的模型是仿真技术发展的一个重要研究课题。

在实时控制方面，如何能够更及时地响应外部事件是控制技术研究的关键。

控制系统的数字仿真根