1、精通LabVIEW 程序设计一书随书课件,清华大学 张桐 2008.12,11.1 概述11.2 控制系统的建模11.3 控制系统的时域分析11.4 控制系统的频域分析11.5 控制系统的状态空间分析,第 11章 LabVIEW在控制系统中的应用,内容提要,主要讲述LabVIEW控制设计工具包主要内容 控制系统的建模、转换方法； 常见的经典和现代控制原理分析方法。学习目的 读者能掌握LabVIEW在控制系统中的基本应用，加深对控制系统的理解和应用，为熟练应用LabVIEW来解决一些自控方面的问题打下基础。,11.1 概述,借助LabVIEW控制设计工具包（LabVIEW Control Des
2、ign Toolkit），可以方便快速地对系统进行建模、转换、分析、求解等各种操作；可将烦琐的计算和绘图过程交给计算机去完成，并快速得到正确的分析结果。安装了LabVIEW控制设计工具包后，出现相应的“控制设计与仿真”子选板，其中包含了控制设计工具包所有的VI库，如图,11.2 控制系统的建模,在LabVIEW控制设计工具包VI库中的子VI库“Model Construction”下“CD Construct Transfer Function Model.vi”“CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi”“CD Construct State-Space Mo
3、del.vi”,11.2.1.1 传递函数模型,具体步骤如下：（1）在前面板上添加自定制的电阻、电容和电感控件。（2）在框图中添加While循环结构，并在循环结构内添加“CD Construct Transfer Function Model.vi”。（3）在框图中添加“CD Draw Transfer Function Equation.vi”，绘制出该模型的传递函数形式，并在图中显示出来。,前面板和框图,11.2.1.2 零极点增益模型,11.2.1.3 状态空间模型,11.2.2 模型转换,各种形式模型之间的转换可以采用“CD Convert to Transfer Function M
4、odel.vi”、“CD Convert to Zero-Pole-Gain Model.vi”和“CD Convert to State-Space Model.vi”等VI来实现。,举例,基本步骤（1）生成状态空间模型。（2）添加“CD Convert to Transfer Function Model.vi”，将状态空间模型转换为传递函数模型；添加“CD Draw Transfer Function Equation.vi”，绘出传递函数模型的具体形式。（3）添加“CD Convert to Zero-Pole-Gain Model.vi”，将传递函数模型转换为零极增益模型；添加“CD
5、 Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，绘出零极增益模型的具体形式。（4）添加“CD Convert to State-Space Model.vi”，将模型转换回状态空间模型；添加“CD Draw State-Space Equation.vi”，绘出新的状态空间模型的具体形式。,前面板和框图,11.2.3 模型连接,举例,具体步骤如下：（1）添加若干个“CD Construct Transfer Function Model.vi”并输入恰当的参数就可实现这些单元的传递函数模型。（2）添加“CD Parallel.vi”，通过多态VI选择器选为“TF and T
6、F”型，将这两个单元进行并联。（3）添加“CD Series.vi”，通过多态VI选择器选为“TF and TF”型，将该单元与上一步骤中得到的并联结果进行串联。（4）添加“CD Feedback.vi”，通过多态VI选择器选为“TF and TF”型，将该单元作为负反馈回路传递回上一步骤中得到的串联结果的输入点。（5）再添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，并将上一步骤中得出的总结果输入给该VI，以便绘出整个系统的零极增益模型，同时也求出了零极分布。（6）最后在前面板上增添适当的修饰。,前面板和框图,11.3 控制系统的时域分析,“Dynamic Ch
7、aracteristics”和“Time Response”VI库,动态分析VI,时域分析VI,11.3.2 控制系统时域分析举例,具体步骤如下：（1）新建“二阶连续系统的多种响应曲线.vi”，首先利用例11-1中已经介绍过的建模方法使用“CD Construct Transfer Function Model.vi”对这个二阶连续系统进行建模，在此使用符号化变量的表达式，以便对固有频率和阻尼系数赋值。（2）再对建好的模型调用“CD Impulse Response.vi”、“CD Step Response.vi”、“CD Initial Response.vi”和“CD Linear Si
8、mulation.vi”分别绘出系统的脉冲响应曲线、阶跃响应曲线、零输入响应曲线和正弦激励下的响应曲线。,前面板和框图,二阶系统性能分析实例,系统根轨迹图绘制实例,11.4 控制系统的频域分析,“Frequency Response”VI库,11.4.2 控制系统频域分析举例,具体步骤如下：（1）新建“阻尼系数对二阶连续系统Bode图的影响.vi”，对系统进行传递函数模型建模。（2）添加“CD Bode.vi”，并将建好的模型连接至该VI，以绘出系统Bode图。为了保留多次绘制的结果，在程序中须将每次的绘制数据添加至一个历史数据数组中，再传给波形图进行绘制。,前面板和框图,Nyquist图的绘
9、制及判断系统稳定性实例,具体步骤如下：（1）首先对系统进行建模，使用传递函数模型即可。（2）然后判断系统在右半s平面是否有极点以及右半s平面极点的个数，实际上利用LabVIEW控制设计工具包中的“CD Poles.vi”就可以很容易地得到系统的极点分布情况了（3）绘制系统的Nyquist轨迹图。要使系统稳定，Nyquist图必须沿逆时针方向围绕（-1，0）点两次。使用“CD Poles.vi”分析系统极点和使用“CD Nyquist.vi”绘制系统Nyquist图。（4）判断轨迹绕向。初步绘出的Nyquist图中并未直接给出轨迹的绕行方向，这就需要使用“CD Get Frequency Dat
10、a.vi”配合，得到Nyquist图上各点的精确坐标。,前面板和框图,系统稳定裕量计算实例,11.5 控制系统的状态空间分析,“State-Space Model Analysis”VI库,11.5.2 状态空间分析举例,具体步骤如下：（1）新建“系统的可控性和可观性判定.vi”，添加“CD Construct State-Space Model.vi”，对该系统建立状态空间模型。（2）添加“CD Controllability Matrix.vi”和“CD Observability Matrix.vi”，并将建好的模型连接至这两个VI，计算出该系统的可控性矩阵和可观性矩阵，同时这两个VI也可以分别通过输出参数“Is Controllable?”和“Is Observable?”给出可控性和可观性判定结果。（3）进一步地，这两个VI还可以分别通过输出参数“Is Stabilizable?”和“Is Detectable?”给出系统可镇定性和可检测性的判定结果。,前面板和框图,系统的规范实现实例,习题与思考,
