基于虚拟仪器的自控仿真实验系统的设计

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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:ADesignofSimulationExperimentSystemonAuto-ControlTheoryBasedonVirtualInstrumentZengWenqiGaoManru(Teachers′CollegeofBeijingUnionUniversi

2、ty,Beijing,100011,China)Abstract:BasedonLabVIEWandPIDControlToolkits,themethodofdevelopingasimulationexperimentsystemonauto-controltheoryispresentedinthispaper.Andthedesignprocessofsimulatedexperimentsisdescribedbyanexampleof“ResponseofSecond-orderSystemsforStepInput”.Keywords:virtualinstrument;

3、LabVIEW;PID;automaticcontrol;transferfunction1LabVIEW与PID控制工具包1.1LabVIEWLabVIEW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（GraphicsLanguage，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（VirtualInstrument），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

4、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。1.2PID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

5、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LimitedIntegrator.vi，微分器Derivative.vi，传递函数TransferFunction.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TransferFunction.vi，它根据已知的传递函数和输入信号计1算输出信号。一般来说，一个传递函数可以如式1所示：YS()GS()=（式1）X()S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

6、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2为1+2S+3S，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

7、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ζ、ωn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，ωn为无阻尼自然频率，ξ为阻尼比。其闭环传递函数如式2所示：2Ys()ωnGs()==（式2）Xs()ss22++2ζωωnn2当01<<ξ时，称作欠阻尼，阶跃响应曲线呈正弦振荡衰