基于LabVIEW的直流电机速度控制系统的设计与分析.docx
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基于LabVIEW的直流电机速度控制系统的设计与分析
本科生毕业论文（设计）
题目：
基于LabVIEW的直流电机速度
控制系统的设计与分析
院系:
机电工程学院
专业:
班级:
********
指导教师:
二〇一五年五月
学术诚信声明
本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料均真实可靠。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本毕业论文的知识产权归属于培养单位。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学生姓名：
姜京元日期：
2015年6月18日
写在前面的话
这篇论文与其理解为一个《基于LabVIEW的直流电机速度控制系统设计与分析》的学术论文，倒不如理解其是一个LabVIEW新手指导教程。
本论文详细介绍了LabVIEW基本操作方法，Simulation&ControlDesign工具包、PID工具包中的各种工具和使用方法，DAQ系统的建立和使用方法。
这是一个非常适合本科大学生初次使用LabVIEW时进行学习的材料。
我在写这篇论文的过程中走了很多弯路但是好在最终结果还算令人满意。
在这里我把我总结的LabVIEW各部件作用及使用方法系统的介绍给大家，方便大家学习和使用LabVIEW。
摘要
直流电机由于具有传动比分级精细，转速型谱宽，电机结构紧凑，承受过载能力强，等优势，实现对直流电机的精确速度和位置控制一直是国内外研究的焦点。
本次实验设计借助NI公司的LabVIEW2013软件构建直流电机速度控制程序实现直流电机的速度控制。
设计过程主要分为四部分，第一部分为虚拟电机模型的构建。
通过对电机的电气方程和机械方程的拉数学处理求得电机转速与输入电压之间的传递函数。
查阅直流电机用户手册上的相关参数值代入传递函数获得电机数学模型。
第二部分为模型匹配过程，通过向真实电机和虚拟电机发送相同的控制信号，并比对响应波形进行模型参数调整达到模型匹配要求。
第三部分为PID控55制器设计，即PID参数试凑部分，借助于虚拟电机传递函数进行PID参数的试凑，获得一套可以使电机控制系统性能指标达到设计要求的PID参数。
第四部分为真机测试，将PID试凑获得的参数代入实际控制系统的PID控制器中进行实际电机速度控制，观察分析响应波性是否达到设计指标。
上述四部分中，后面三部分都需要在LabVIEW软件上面进行，通过编写相应的VI达到功能要求。
需要掌握的基础知识有：
LabVIEW基本操作方法，利用Simulation&ControlDesign工具包、PID工具包构建控制系统，DAQ系统的建立和使用，PID参数的整定方法，DCMCT实验板的硬件结构及使用方法。
关键词：
直流电机；速度控制；LabVIEW；PID；DAQ；DCMCT
Abstract
ForthereasonthatDCmotorequipstheadvantagesoffinetransmissionratioclassification,widespeedtypespectral,compactmotorstructureandoverloadbearing,theresearchofprecisevelocityandpositioncontrolofDCmotorhasalwaysbeentheexperimentingfocus.ThisexperimentestablishedDCmotorvelocitycontrolsystembasedontheLabVIEW2013byNIcompany.
Theoverallsystemdesignprocesscanbedividedinto4sections.Thefirstsectionismodelconstruction.Bythemathematicaldeductionsonthemotorelectricalequationsandmechanicalequationsofthemotor,thetransferfunctionwithparametersisobtained,followingthereferenceoftheusermanualofDCMCTinordertofindouttheparametervalues,whichhelpedtobuildupthemathematicalmodel.Thesecondpartismodelvalidation,inwhichthemodelandtherealmotorreceivethesameinputsignal.Bycomparingthedifferencesbetweentheoutputsofmodelandreadmotor,theparametervaluesofthemodelaredetermined.ThenextisPIDcontrollerconstructionandthemostimportantpartinthisstageistheestimationofPIDgains.Finally,thelastpartofthisexperimentistherealizationofcontrolsystem.ThePIDgainscalculatedareputintotherealcontrolsystemandthefinalresultofthecontrolsystemisanalyzed.
Inthefoursectionsabove,allofthelastthreestagesareoperatingonLabVIEW.ByprogrammingdifferentVIstoaccomplishtherequirementsrespectively.ThedemandsofthisexperimentarethatstudentsshouldmastertheoperationofLabVIEWbasicfunctions,aswellastheuseofSimulation&ControlDesigntoolkit,PIDtoolkit,NIDAQmx,QNETDCMCTandthemethodofparametersetting.
Keywords:
DCmotor;velocitycontrol;LabVIEW;PID;DAQ;DCMCT
第1章绪论
1.1本课题的研究背景和意义
虚拟仪器技术（Virtualinstrument）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。
使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。
虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。
[1]因此，其研究的意义非常重要。
直流电机（directcurrentmachine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。
直流电机的定子是一个固定磁场，直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场，从而在定子内转动。
在工业企业中，由于直流电源相对比较可靠，直流电机一般用于要求能够可靠运行的备用机械或保安机械；而由于直流电机随着输入电压的变动转速也能变动，所以需要经常调速的地方采用直流电机也不少，如电车、电力机车等等。
[2]在此基础上，研究直流电机的基于虚拟仪器的速度控制将有极大的意义。
1.2课题的研究现状
直流电机由于具有传动比分级精细，选择范围广，转速型谱宽，电机结构紧凑，体积小，造型美观，承受过载能力强，能耗低，性能优越，振动小，噪音低等优势，实现对直流电机的精确速度和位置控制一直是国内外研究的焦点。
但是在NI公司的LabVIEW软件面世之前，直流电机的控制系统设计和研究由于体系不规范，通用性不强等原因，普通高校通常情况下并没有涉足。
我国基于LabVIEW和QNETDCMCT实验板的直流电机速度控制系统设计，手头可以找到最早的是在2008年由中山大学出版的《虚拟仪器教学实验简明教程》，书中已经有过对此控制系统的完整的介绍。
除此之外这本书还详细介绍了其他各种基于LabVIEW的虚拟仪器和控制理论实验设计。
但是直到目前很多最新发表的本科甚至硕士论文还都在照搬中山大学教程中的VI图以及显示结果，而由于早年创建的VI使用的LabVIEW版本过低，新版本的软件已经无法支持，对于初学者学习LabVIEW的使用和控制系统的建立造成了较大阻碍。
在此我通过对直流电机控制的理论知识的认真学习以及对LabVIEW使用的大量练习，运用LabVIEW2013版本中新加入的实用工具，独立重建了一系列新的VI，实现直流电机控制，方便后人参考学习。
1.3本课题的工作内容
（1）介绍了LabVIEW软件的基本使用方法。
（2）介绍了QNETDCMCT实验板的结构。
（3）介绍了NIDAQmx的使用方法。
（4）介绍了ControlDesign&Simulation工具包，PID工具包的使用以及控制系统在LabVIEW中的多种建立方法。
（5）介绍了虚拟仪器数学模型的构建过程。
（6）在LabVIEW的开发平台上搭建了直流电机转速控制VI及多个子VI。
通过计算机与QNETCDMCT实验板相连接实现直流电机速度控制。
（7）介绍了PID控制系数整定方法，并应用于直流电机速度控制系统PID参数整定当中。
1.4本文的结构安排
本论文主要分八章：
第1章前言，介绍课题的研究背景、本课题的研究现状、本文内容以及架构；
第2章硬件介绍，介绍了DCMCT实验板基本组件及其DAQ系统，并对NIELVISII作了简单介绍；
第3章虚拟仪器与LabVIEW介绍，介绍了虚拟仪器和LabVIEW编程语言。
第4章NIDAQmx的功能介绍及使用方法；
第5章介绍ControlDesign&Simulation工具包，PID工具包及基本控制系统和PID控制器的多种构建方法；
第6章介绍直流电机模型的构建方法和模型匹配过程。
第7章直流电机速度控制系统的控制器设计与控制结果分析。
第8章结论。
第2章
硬件介绍
本次进行直流电机速度控制实验使用到的硬件主要是NI公司的QNETDCMCT实验板以及安装实验板的平台NIELVISII和一台PC机。
DCMCT实验板是专门用于直流电机控制教学训练的实验设备，除此之外同系列的设备还有HVAC、MECHKIT、MYOELECTRIC、ROTPEN以及VTOL实验板，分别用于温度实验教学、物理传感器介绍、肌动电流信号处理、单摆控制和平衡控制实验。
这些实验板同属于NIQNET控制与仿真系列教学板卡。
ELVISII实验平台是所有实验板发挥其效能的基础，没有这个基础所有实验板都无法独自发挥作用。
ELVISII的最主要功能就是内置了一块数据采集卡，可以方便的实现PC机和实验板之间的通讯。
图2-1DCMCT实验板和ELVISII
2.1DCMCT实验板
2.1.1实验板基本组件介绍
DCMCT即DCMotorControlTrainer直流电机控制训练板，是专门设计用来进行直流电机控制系统设计训练的教学设备。
在这个实验板上面可以实现直流电机速度和位值控制训练，也非常适合PID控制器的应用训练。
要实现这些功能，需要一个安装有相应应用的电脑以及NIELVISII实验平台。
DCMCT实验板上面集成的器件可参照表格2-1和图2-2、图2-3。
表格2-1实验板各组件编号及名称
编号
名称
编号
名称
1
直流电机
5
PCI插槽
2
高分辨率编码器
6
运放和编码器
3
电机金属框架
7
电源入口
4
转动负载
8
电阻丝
图2-2实验板电机结构
图2-3实验板结构
系统的板载放大器作用是驱动电机转动，并进行数模转换。
板载放大器的最大输出电压是24V，放大倍数为2.3V/V，也就是说计算机的输出电压要小于10V。
但是实际上，在向实验板输出6V电压时实验板发热已经较为剧烈，震动也非常明显，在实际使用中应限制计算机输出电压的绝对值在4V以下为宜。
2.1.2实验板DAQ系统介绍
实验板的DAQ系统布局如图2-4所示，从图上我们可以获知，这个实验板共有四个接口，三个输入一个输出（相对计算机而言）。
分别是：
1 AO#0（模拟信号输出0口），控制电压输出口，控制电机转动的电压输入实验板的接口。
2 AI#0（模拟信号输入0口），电机电枢电流输入口，电机的点数电流被从实验板读出的接口。
3 DI#0（计数器信号输人0口），板载编码器的输出，计算机从这个接口读入信号。
4 AI#4（模拟信号输入4口），板载速度传感器输出口，输出信号为电压信号，需要经过一定的数学运算得到电机转速。
需要特别提到的是，通常搭载实验板的NIELVISII的数据采集卡上面只有一个计数器时钟，同时输出电流和速度传感器的采样信号需要两个计数器提供采样时钟。
因此同时输出这两个信号不能简单地实现，尤其是不能用DAQ助手实现，具体内容将在下面第四章DAQmx介绍中提到。
图2-4实验板DAQ系统简图
2.2NIELVISII
ELVISII实验平台是所有实验板的基础平台，其内置一块数据采集卡，可以将实验板上的信号进行收集和处理并从特定的通道输出，也可以对来自计算机的信号进行数模转换进而控制电机旋转。
通过PC机上面安装的DAQmx驱动程序方便的实现控制终端与被控对象之间的通信。
除此之外，ELVISII实验板还集成了12个常用仪器的功能，典型的有示波器，函数发生器，数字万用表等等。
这些仪器设备统一通过安装在计算机上的ELVISII驱动程序实现在计算机显示器上面显示仪器前面板，在ELVISII上面并没有显示设备。
这种设计方法大大简化了物理结构设计难度，降低了设备成本。
除此之外，这些常用仪器的集成方便了控制系统的构建和拓展，使得ELVISII在配合原型实验板的时候不但可以实现普通的教学任务，在实际工程应用中的控制系统搭建及测试环节也可以占据一席之地。
2.2.1NIELVISII结构介绍
NIELVISII的各个接口和开关的介绍可以参照表格2-2和图2-5。
表格2-2NIELVISII各部分介绍
编号
介绍
编号
介绍
1
实验平台
4
平台已准备好提示LED
2
实验平台电源开关
5
平台电源接口
3
电源提示LED
6
USB线缆接口
图2-5NIELVISII
第3章虚拟仪器与LabVIEW介绍
3.1虚拟仪器
3.1.1虚拟仪器简介
20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器（VirtualInstrument）在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。
虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。
美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。
“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。
从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。
I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。
NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。
3.1.2虚拟仪器的优势
同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：
性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成。
3.2LabVIEW
3.2.1LabVIEW概述
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。
LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。
VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。
用户界面在LabVIEW中被称为前面板。
使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码，又称G代码。
LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
图3-1NILabVIEW工作界面
3.2.2LabVIEW编程语言
LabVIEW采用的是一种图形化的编程语言。
它的全称是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench（实验虚拟仪器工程平台）。
具体来说，它是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。
LabVIEW与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又易于使用的基于图形化的编程语言G的开发环境。
流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以少费时间。
使用流程图方法可以实现内部的自我复制，可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。
与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计虚拟仪器，可以提高效率4～10倍。
同时，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和更新自己的虚拟仪器系统。
图3-2LabVIEW编程语言
第4章
NI-DAQmx
4.1DAQmx简介
DAQmx是NI数据采集设备的驱动程序，这使得在LabVIEW中建立连接物理设备的虚拟通道变得容易。
目前常用的虚拟通道建立方法是手动建立虚拟通道方式和DAQ助手协助建立虚拟通道方式两种。
DAQmx工具在LabVIEW后面板的Functions→MeasurementI/O→NI-DAQmx选项卡中。
如下图4-1：
图4-1DAQmx工具面板
下面分别对常用的一些工具以及建立物理通道的过程进行介绍：
4.1.1传统DAQmx工具
建立虚拟通道子VI
外部信号通过物理通道进入计算机，在开始数据处理前的第一步就是要建立虚拟通道。
常用的输入方式有两种，一种是直接建立物理通道，并将物理通道连接建立虚拟通道子VI的physicalchannels端口。
另一种是建立设备（Device）端口，由格式字符串转换工具FormattoString分选出其中的一个通道连接physicalchannels端口，如下图所示。
其中常量0和ctr代表选择的是ctr0通道。
建立虚拟通道子VI下方的选项卡选择建立虚拟通道的类型，他必须与连接的物理通道类型相对应。
图4-2虚拟通道构建子VI
图4-3从设备接口中选取通道
时钟子VI
建立一个时钟，在此作为采样时钟工作。
采样频率通常定义为1000Hz，每个通道的采样个数通常定义为采样频率的十分之一。
对于连续运行的提醒通常采用连续采样方式。
采样时钟是信号读取配置中最关键的配置之一。
由于QNETDCMCT实验板所连接的NIELVISII自带的数据采集卡只有一个时钟，所以同一个VI中不能同时调用两个时钟，这一点在使用过程中要特别注意。
图4-4时钟子VI
图4-5时钟子VI
DAQ读取子VI
DAQ读取函数。
将虚拟通道的信息读取出来以数据形式输出，可以简单看做一个信号转换工具。
它将物理通道中各种格式的数据转换成十进制数据输出，大大简化了对不同物理通道信号的读取和转化配置过程。
图4-6DAQ读取子VI
图4-7DAQ读取子VI
DAQ写入子VI
DAQ写入函数，将数据转换成物理通道或者任务所需的信号。
与上面的read工具相对应。
图4-8DAQ写入子VI
图4-9DAQ写入子VI
4.1.2传统虚拟通道建立过程
下面通过一个例子来介绍传统虚拟通道的建立过程，如图4-10所示。
一个完整的模拟信号采集过程，也就是虚拟输入通道，由虚拟通道建立子VI，时钟子VI，任务开始子VI，数据读取子VI，任务清除子VI组成。
图4-10信号采集基本通道
从理论上讲任务开始子VI应该与任务结束子VI对应，但是在简单结构的VI中，如果While循环外部的内容不需要重复执行，则直接使用清除任务子VI即可。
一个完整的模拟信号输出过程，也就是虚拟输出通道由虚拟通道建立子VI，任务开始子VI，写入读取子VI，任务清除子VI组成。
如图4-11：
图4-11信号输出基本通道
虚拟通道建立子VI除了可以连接物理通道外，还可以通过Device选择输入控件与字符串选择子VI的组合与外部物体通道建立联系，这使得在一个仪器连接多个通道时程序框图更加的明朗。
这一部分已经在上面虚拟通道建立子VI的介绍中提到，这里不再赘述。
注：
在使用DCMCT实验板时，有时我们希望同时得到电机电流和转速传感器的输出信号，这时通常情况下我们需要两个计时器工作以实现对两个频道信号的同时采样。
但是DCMCT实验板上面只有一个定时器，同时建立两个计时器子
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