基于Labview的控制系统设计与仿真.docx
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1、本 科 生 毕 业 设 计 ( 论 文 )题目: 基于 Labview 的控制系统设计与仿真姓名:基于 Labview 的控制系统设计与仿真摘 要虚拟仪器是基于计算机的仪器,它是电子测量和计算机测试的先进技 术它具有优秀的分析和强大的数据采集和运算功能,基于 Labview 平台, 虚拟仪器将在控制和仪表领域的研究和应用大大提高在控制理论教学和实验过程中 ,存在着诸多的问题 ,如设备短缺 ,单调的 教学方法等因此,可以使用虚拟仪器有效地解决这些问题本文介绍了基 于 Labview 的控制系统设计与仿真研究,提出并确定实施方案的基于虚拟仪器 的控制系统仿真应用 NI 公司的 Labview 20
2、09、控制设计工具包作为软件开 发工具,实现了控制系统的建模、分析与设计,这一系列过程可在计算机中仿 真用户可以在控制系统建模、性能分析、 PID 设计等设计和其他方面做研 究它将提供教学的质量和加快实验领域改革和创新本课题基于虚拟仪器技术,应用控制设计仿真模块,实现常见的典型控 制系统的仿真理论分析和算法分析系统的每一个子模块和虚拟仪器程序编 写的主要部分关键词: 控制系统;仿真; Labview;虚拟仪器技术ABSTRACTVirtual instrument is a computer-based instrument, it is an advanced electronic meas
3、urement technology and computer tests It has excellent analytical and powerful data collection and computing capabilities, based on Labview platform, virtual instruments and applied research in the field of control and instrumentation greatly improvedIn the process of control theory teaching and exp
4、eriment, there are many problems, such as shortage of equipment, monotonous teaching methods, etc Therefore, we can use the virtual instrument to solve these problems effectively This paper introduces the design and simulation of control system based on Labview, the determination and implementation
5、plan of control system simulation based on virtual instrument The NI Company Labview application, control design kit 2009 as a software development tool, and implements the modeling, analysis and design of the control system of this series of process computer simulation The user can control the syst
6、em modeling, performance analysis, PID design, design and other aspects of the research It will provide the quality of teaching and accelerate the experimental field of reform and innovationThis topic is based on virtual instrument technology, the application of control design and simulation module;
7、 realize the simulation of typical control system of common Each sub-module theoretical analysis and algorithm analysis systems and virtual instrument are written in the main part of the programKeywords: Control System; Simulation; Labview; Virtual Instrument Technology目录第 1 章 绪论 11.1 课题背景 11.2 控制系统
8、仿真的意义 11.3 控制系统仿真的研究现状 21.4 本课题研究内容 31.5 本章小结 3第 2 章 LABVIEW 软件介绍 52.1 LABVIEW 简介 52.2 虚拟仪器(VI) 72.2.1 虚拟仪器的概念 72.3 LABVIEW 编程语言的特点 82.3.1 图形化编程 82.3.2 数据流驱动 122.4 LABVIEW 的应用领域 122.5 控制设计工具包 132.6 本章小结 15第 3 章 控制系统设计与仿真 163.1 LABVIEW 软件的控制设计工具包 163.1.1 控制设计工具包中的创建传递函数模型 163.2 时间响应选板 173.2.1 传递函数模型的
9、阶跃响应和脉冲响应 183.3 频率响应选板: 203.3.1 波特图曲线 203.3.2 奈奎斯特曲线 213.3.3 系统的增益和相位余量 223.4 动态特性选板 233.4.1 根轨迹曲线 243.5 锅炉液位控制系统的校正与比较 253.6 本章小结 28第 4 章 结论与展望 304.1 结论 304.2 不足之处及未来展望 30参考文献 3 1第 1 章 绪论1.1 课题背景控制理论是众多工科专业普遍开设的一门专业基础课,由于控制理论较 抽象、课堂教学手段单一,学生接受起来较为困难而随着高等教育规模的 不断扩大, 原有教学仪器设备资源相对短缺, 也无法满足实验教学的需要 旧 的实
10、验教学模式越来越不适应时代发展的要求,教学和实验的体制和模式的 改革势在必行1在控制理论教学中,实验能够使学生加深对所学知识的理解,提高将理 论应用于实践的能力,是教学活动中不可缺少的环节,对于培养学生的综合 素质和实践技能都至关重要采用虚拟实验的方式,一方面能够给学生提供 更充分的时间和更多的机会来接触和研究所做的实验,打破了传统的实验模 式,给学生更多思考和分析时间,培养学生理论联系实际的思维方式;另一 方面由于虚拟实验可以为硬件(实验设备)和软件(数据分析)的结合,这 样可以激发学生的兴趣来自己设计和改进虚拟实验的程序,给他们更多的自 主性,调动创新意识,培养创新能力2本课题是基于虚拟仪
11、器技术,实现常见的典型控制系统的仿真输入相 关参数,即可得出仿真结果;将抽象的、静态的理论知识转化为具体的、动 态的演示模型根据教学需要,将控制理论中常见的、典型的实例利用相关 软件工具(如 Labview、 MATLAB 等)实现建模、分析、设计过程的仿真, 一方面有利于理论教学工作的开展;另一方面对于实验教学会起到一定的指 导作用;此外控制系统的综合设计也将有利于学生综合掌握控制理论,而不 是将控制理论看作章节割裂的理论以上几点对于教学实际具有非常现实的意义1.2 控制系统仿真的意义随着计算机仿真理论与技术的发展,目前各个科学与工程领域均已开展 了仿真技术的研究系统仿真是通过对系统模型的实
12、验,研究一个存在或设 计中的系统系统仿真技术已经被公认为是一种新的实验手段,在科学与工 程领域发挥着越来越重要的作用2早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来但随着控制理 论的迅速发展,只利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果,加之计算机领域取得了迅速的发展,于是很自然地出现了控制系统的计 算机辅助设计方法控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相 当高的水平,并一直受到控制界的普遍重视“控制系统仿真”就是利用计算机研究控制系统性能的一门学问, 它依赖于 现行自动控制原理课程的基础知识,但侧重点不同3 控制系统仿真更侧 重于控制理论问题的计算机求解,可以解决以往控制
13、原理不能解决的问题, 使学生或科研工作者将主要精力集中在控制系统理论和方法上,而不是花费 在没有太大价值的底层重复性机械劳动上这样可以对控制系统建模、分析、 设计过程有较好的整体了解, 避免“只见树木, 不见森林”的认识偏差, 提高控制器设计的效率和可靠性41.3 控制系统仿真的研究现状控制系统仿真的研究与计算机仿真理论与技术的发展是密不可分的,国 际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段:软件包阶段、 交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段其中影响较大、具有代 表性的软件有:瑞典 Lund 工学院的教授主持开发的一套交互式 CACSD 软件 INTRAC; 日本的古田胜久
14、(Katsuhisa Furuta) 教授主持开发的 DPACS-F 软件 英国 Manchester 理工大学的控制系统计算机辅助设计软件包英国剑桥大学推出的线性系统分析与设计软件 CLADPNASA Langley 研究中心的 Armstrong 开发的 LQ 控制器设计的ORACLS 美国 Mitchell 与 Gauthier Associate 公司推出的仿真语言 ACSL美国 IBM 公司开发的仿真语言 CSMP美国学者 Cleve Moler 等人推出的交互式 MATLAB 语言 The MathWorks 公司推出的图形化的基于框图的 Simulink 仿真环境我国较有影响的控
15、制系统仿真与计算机辅助设计成果有:中科院系统科 学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的 CADCSC 软件;清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序;北京化工学院吴重光、 沈成林教授的著作和程序,以及中科院沈阳自动化研究所马纪虎研究员主持 开发的 CSMP-C 仿真语言等5在上述软件中, MATLAB 语言能反映当今系统仿真领域的最高水平,同时也是最实用的软件当然,这并不意味着我们在控制系统仿真方面仅仅满 足于使用 MATLAB 语言而不考虑新的可行方案例如, Labview 控制与仿真 工具包既可实现控制系统仿真又弥补了 MATLAB 人机界面设计不方便、 无法 进行端口操
16、作、不能实现实时监控等不足之处,在一定程度上可以替代MATLAB 成为控制系统仿真的有力工具1.4 本课题研究内容本课题结合控制理论教学与实验的实际需要,选取控制理论中常见的、 典型的实例应用 NI 公司的 Labview 2009、 Labview 控制设计工具包为软件 开发工具,实现控制系统的建模、分析、设计过程的仿真主要研究内容有 以下几个方面:(1) 控制系统仿真方案的选定提出“基于 Labview 的控制系统仿真”的可行性方案并对其进行分析、论 证,确定最终的实施方案(2) 控制理论中典型实例选择与理论分析选取控制理论教学和实验中常见的、典型的实例,完成其理论方面的建 模、分析、设计
17、(3) 控制模型相应的仿真 VI 设计在(2)的基础上,基于 Labview 2009 平台,使用必要的工具包完成建模、 分析、设计的相应的 VI 设计,完成控制系统仿真的主要程序设计1.5 本章小结本章介绍了本课题研究的背景、控制系统仿真的意义、控制系统仿真的 研究现状和本课题研究的内容本课题是基于虚拟仪器技术,实现常见的典 型控制系统的仿真输入相关参数,即可得出仿真结果;将抽象的、静态的 理论知识转化为具体的、动态的演示模型第 2 章 Labview 软件介绍2.1 Labview 简介Labview 是一种所谓的编程语言, 与其他常见的编程语言相比, 图形化编 程语言是他的最大的特点常见
18、的编程语言(如 C、 Java、 VB 等)都是文本 编程语言,它们使用的领域和方法虽然各不相同,但都有一个共同特点:都 是使用字母构成单词,用单词表示数据存储的地址或对数据的各种操作;再 由单词构成语句,用语句表示完整的对某个数据的赋值、计算等操作文本 编程语言由指令和语句的先后顺序来判断哪些程序先执行,哪些后执行;但 是数据流编程方式是 Labview 采用的方式,程序的执行顺序由程序框图中节 点之间的数据流向来决定, Labview 的函数用图标来表示, 它的数据流向用连 线来表示6Labview 平台提供了很多的控件,这与传统仪器(如万用表、示波器)外 观相似,可以提供便利为创建用户界
19、面 Labview 中,用户界面就是我们常说 的前面板,在后端,我们可以使用连线和图表,用户界面上对象通过编程的 方式来实现对其的控制, 这就是图形化源代码, 也可称为 G (Graphics) 代码, 某种程度上而言, G 代码和数据流程图是差不多的,所以也被称为程序框图 代码,前面板上的控件都与程序框图中每一个对象相对应,控件会根据自己 的特性用某种固定的方式来显示出数据当有数据进来的时候,例如图形,数 字或开关7 图 2-1 和 2-2 就是一个 Labview 程序的前面板与程序框图,该例 模拟了一个温度采集系统图 2-1 Labview 前面板框图图 2-2 Labview 程序框图
20、举例Labview 程序被称为 VI (Virtual Instrument), 既虚拟仪器, 这是因为它的 很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器,例如示波器与万用表等 Labview 的核心概念就是软件即是仪器,即虚拟仪器概论8 Labview 中 提供了大量的函数与工具进行存储与显示、分析和数据采集等这些工具都是面向用户的工具,我们只需要按照提示去做,参数的设置和仪器的连接就 不难实现但是我们不需要去花时间来记住这些函数,这些函数被集成在 Labview 的函数面板上并且以图标和名称的形式显示出来 使用时, 先在函数 面板上面找到需要的函数,再把它拖到程序框图中就完成了没有图形化的
21、编程语言,这一切就不可能实现工业界、研究实验室和学术界广泛地使用 Labview 这个软件,把它当作 一个标准的生产设备控制软件和数据采集软件 Labview 提供了 ActiveX 、 TCP/IP 等软件的库函数以便于应用,并且提供了数据采集卡通信的所有作 用它还提供了 VXI、 GPIB 和串口通信协议 Labview 是一个功能强大并且 灵活的软件9可以利用 Labview 便捷地设计虚拟仪器按自己的需要 Labview图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣2.2 虚拟仪器(VI)2.2.1 虚拟仪器的概念Labview 软件提供了强大的虚拟仪器功能 Labview 早期是专为模拟测
22、试 测量仪器而设计的, Labview 的第一个版本始于 1986 年把相关的数据采集 卡插在一台计算机上,再配上一段 Labview 程序,就成了一台可以完成一定 的测量功能的虚拟仪器 因此, Labview 的源代码文件的后缀名在保存时采用 了 VI (虚拟仪器 Virtual Instrument 的首字母缩写) 10虚拟仪器指的是为实现各种仪器的功能而依托通用的计算机硬件和操作 系统虚拟仪器是建立在计算机上面的仪器,随着计算机技术的快速发展, 虚拟仪器的功能也得到很大的发展虚拟仪器可以用来完成仿真、控制、测 量测试等各种功能,其借助于高性能的模块化硬件和灵活通用的软件NI 公司提出了虚
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