基于虚拟仪器的自控仿真实验系统的设计

1、 基于虚拟仪器的自控仿真实验系统的设计曾文琪 高满茹(北京联合大学师范学院摘 要: 本文以LabVIEW为开发平台,利用其PID控制工具包,开发了自控原理仿真实验系统,并以“二阶系统的阶跃响应“为例详细叙述了仿真实验系统的设计过程。关键词:虚拟仪器;LabVIEW;PID;自动控制;传递函数中图法分类号:TP311 文献标识码: ADesign of Simulation Experiment System on Auto-Control Theory Based on VirtualInstrumentZeng Wenqi Gao Manru(TeachersCollege of Beiji

2、ng Union University, Beijing, 100011, ChinaAbstract: Based on LabVIEW and PID Control Toolkits, the method of developing a simulation experiment system on auto-control theory is presented in this paper. And the design process of simulated experiments is described by an example of “Response of Second

3、-order Systems for Step Input”.Key words: virtual instrument;LabVIEW; PID; automatic control;transfer function1 LabVIEW与PID控制工具包1.1 LabVIEWLabVIEW编程语言是美国最大的虚拟仪器制造商NI公司推出的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具,编程时使用图标代替文本行创建应用程序。LabVIEW程序被称为VI(Virtual Instrument,即虚拟仪器。实际上,VIs类似于传统编程语言的函数或子程序,若干

4、VIs可以组成一个主VI。一个VI由前面板(FrontPanel、框图程序(Diagram和接口板组成,前面板接受来自框图程序的指令。用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面板即VI程序的前面板。LabVIEW是一个通用编程系统,不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和输入输出功能,它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具,尤其还附带专业的各类工具包,基本上可以满足复杂的工程设计、计算和分析要求。PID控制工具包正是其中之一。1.2 PID控制工具包NI公司推出的PID控制工具包包括了PID、模糊逻辑控制和高级控制等几类函数。这些函数能与I/O函数例如数据采集等函数配合使用,从而

5、实现过程控制。本系统中使用的是高级控制函数,它提供了构造好的方块图,可以创建高级控制函数。其中,Continuous Linear函数模拟了真实的连续信号,可以用于控制或仿真系统。该函数包含六个子函数:积分器Integrator.vi,有限积分器Limited Integrator.vi,微分器Derivative.vi,传递函数Transfer Function.vi,零极点Zero-Pole.vi,状态空间Atate-Space.vi。本系统选用的是传递函数Transfer Function.vi,它根据已知的传递函数和输入信号计算输出信号。一般来说,一个传递函数可以如式1所示:(Y S

6、G S X S =(式1 传递函数包含分子多项式和分母多项式两部分。在LabVIEW 的PID 控制工具包中,传递函数的多项式是用数组来表示的,而且是按照升幂的次序排列的。比如,假设分子的多项式为1+2S +3S 2,用数组表示则可以写成1,2,3。分母多项式的表示方法与分子多项式相同。2 仿真实验系统主界面的设计仿真实验系统主界面主要是各实验项目导航条,在此选择要做的实验,然后进入单个实验界面,如图1所示。 图1系统主界面系统界面主要包括各实验的导航条以及登录按钮。用户进入系统后,要求先进行登录,成功后程序才可以继续进行。导航条按钮对应的框图是调用各实验的子VI,实现起来较为简单,具体程序框

7、图略。此外,实现登录的相关程序涉及LabVIEW 对数据库的调用,在此不作具体叙述。3 二阶系统的阶跃响应的仿真实验设计下面以“二阶系统的阶跃响应”为例介绍时域响应类仿真实验设计思路。该实验目的是学习典型二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法,研究二阶系统的两个重要参数、n 对阶跃瞬态响应指标的影响。3.1 典型二阶系统的基本原理典型二阶系统的方块图如图2所示。 图2 典型二阶系统方块图其中,n 为无阻尼自然频率,为阻尼比。其闭环传递函数如式2所示:2(22(2Y s n G s X s s s n n=+ (式2 当01时,称作过阻尼,阶跃响应曲线为单调指数曲线。3.2 “二阶系统的阶跃响应”实

8、验前面板“二阶系统的阶跃响应”实验前面板如图3所示。 图3 二阶系统的阶跃响应实验前面板“结束/开始”钮:此钮拨向“开始”端程序方可运行,指示灯亮。“实验目的”、“实验原理及步骤”、“思考题”按钮:分别按下即显示相应内容的对话框,在程序运行的过程中可随时使用。“OFF/ON”键:开关键,在ON 状态下示波器开始动态显示信号波形,OFF 状态停止,并控制整个程序停止运行,“结束/开始”钮自动跳到“结束”端。“阶跃信号输入幅值”框:确定仿真输入的阶跃信号幅值。“n ” 框:输入无阻尼自然频率。“” 框:输入阻尼比。“时域示波器”窗口是一个Wave Chart 控件,可以同时动态显示输入信号和输出信

9、号的时域波形图,X、Y 轴分别对应电压值(V和时间值(s,可直接修改其最大显示值。X 轴显示的是点数,每点时间间隔为0.01s。当用户进入到此实验界面时,可以阅读实验的目的、内容及步骤,根据实验要求,输入不同的n 和值,并确定输入的阶跃信号幅值,则“时域示波器”面板就会产生相应二阶系统的阶跃响应曲线。3.3 “二阶系统的阶跃响应”实验后面板框图程序程序的主体思路如下:(1程序中选用的是利用LabVIEW 自带的信号发生函数Step Function.vi产生阶跃函数值,利用While 循环结构反复产生,作为输入的阶跃信号,幅值由用户控制,如图4所示。 图4 产生阶跃信号程序框图(2由用户输入n

10、 (无阻尼自然频率和(阻尼比,构成传递函数的分子分母多项式。由于在LabVIEW中传递函数的多项式是用数组来表示的(如1.2所述,因此用两个Build Array函数分别建立两个数组表示传递函数的分子和分母多项式,对应程序框图如图5所示。 图5 生成传递函数程序框图(3将输入信号和传递函数多项式作为两个主要参数“输入点”和“传递函数”输入到传递函数Transfer Function.vi 中。此外,再定义另一个输入参数d t,即两点之间的间隔时间。由此,输出响应曲线。(4分别将输出与输入信号同时送入Wave Chart控件输出波形。具体地说,就是利用合成簇函数Bundle将Transfer F

11、unction.vi产生的输出数据点与Step Function.vi产生的输入点一起送入Wave Chart显示控件进行显示。程序之所以选用Wave Chart显示控件而不是Wave Gragph来显示波形数据,是因为只有前者才可以采用逐个数据点描绘曲线,达到理想的动态效果。为了更接近实际传统示波器的显示方式,选择Scope Chart的刷新方式,即每接收一个新数据,将它描绘在上一个数据的右侧;当图线画至Wave Chart右边界时,就擦除已有图线,再从左边界开始描绘接下来的数据点。(5程序的“实验目的”、“实验原理及步骤”、“思考题”按钮的功能实现利用了Case 结构,当按钮状态为True

12、时执行相应程序。值得一提的是“实验原理及步骤”按钮,因为文字较多,显然不适用简单的对话框或文字工具实现,因此可以通过LabVIEW提供的ActiveX包容器将Word文挡嵌入到VI的前面板,将其作为一个子VI以供调用。而其他两个按钮只是简单地使用了Message函数输出消息对话框,具体实现步骤很简单,在此不再赘述。4 结论本文以自动控制原理中“二阶系统的阶跃响应”为例,介绍了基于虚拟仪器技术的仿真实验系统的开发和设计方法。该系统可替代传统仪器实现教学中的仿真,灵活地进行教学中的原理设计实验,也可用于平时的教学演示。本文作者创新点:此实验系统利用了LabVIEW的PID工具包实现了自动控制原理的

13、仿真,简化了设计过程,使用中不需搭建实际电路,只需从键盘输入参数就可以迅速观测实验结果,也可用于教学演示,较传统教学更为直观清晰。参考文献:2 Ismail I.Orabi. Application of LabVIEW for Undergraduate Lab Experiments OnMaterials Testing: The 2002 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition, 2002C: Session 2168 3米西峰.基于Web和Labview的虚拟仪器实验平台设计J.微计算机信息,2008,2-1:155-157。4胡寿松.自动控制原理M.第3版.北京:国防工业出版社,1994年:77-875杨乐平,李海涛,赵勇等.LabVIEW高级程序设计M.北京:清华大学出版社.2003年:90-92第一作者简介:曾文琪(1975-,女,江