《精通LabVIEW程序設(shè)計》一書的課件

1、清華大學(xué) 張桐 2008.12l11.1 概述l11.2 控制系統(tǒng)的建模l11.3 控制系統(tǒng)的時域分析l11.4 控制系統(tǒng)的頻域分析l11.5 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析l主要講述LabVIEW控制設(shè)計工具包l主要內(nèi)容 控制系統(tǒng)的建模、轉(zhuǎn)換方法； 常見的經(jīng)典和現(xiàn)代控制原理分析方法。l學(xué)習(xí)目的 讀者能掌握LabVIEW在控制系統(tǒng)中的基本應(yīng)用，加深對控制系統(tǒng)的理解和應(yīng)用，為熟練應(yīng)用LabVIEW來解決一些自控方面的問題打下基礎(chǔ)。 l借助LabVIEW控制設(shè)計工具包（LabVIEW Control Design Toolkit），可以方便快速地對系統(tǒng)進(jìn)行建模、轉(zhuǎn)換、分析、求解等各種操作；可將煩瑣的計算和

2、繪圖過程交給計算機(jī)去完成，并快速得到正確的分析結(jié)果。l安裝了LabVIEW控制設(shè)計工具包后，出現(xiàn)相應(yīng)的“控制設(shè)計與仿真”子選板，其中包含了控制設(shè)計工具包所有的VI庫，如圖 在LabVIEW控制設(shè)計工具包VI庫中的子VI庫“Model Construction”下l“CD Construct Transfer Function Model.vi”l“CD Construct Zero-Pole-Gain Model.vi”l“CD Construct State-Space Model.vi” 具體步驟如下：l（1）在前面板上添加自定制的電阻、電容和電感控件。l（2）在框圖中添加While循環(huán)結(jié)

3、構(gòu)，并在循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)添加“CD Construct Transfer Function Model.vi”。l（3）在框圖中添加“CD Draw Transfer Function Equation.vi”，繪制出該模型的傳遞函數(shù)形式，并在圖中顯示出來。l各種形式模型之間的轉(zhuǎn)換可以采用“CD Convert to Transfer Function Model.vi”、“CD Convert to Zero-Pole-Gain Model.vi”和“CD Convert to State-Space Model.vi”等VI來實現(xiàn)。基本步驟l（1）生成狀態(tài)空間模型。l（2）添加“CD Conve

4、rt to Transfer Function Model.vi”，將狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)模型；添加“CD Draw Transfer Function Equation.vi”，繪出傳遞函數(shù)模型的具體形式。l（3）添加“CD Convert to Zero-Pole-Gain Model.vi”，將傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)換為零極增益模型；添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，繪出零極增益模型的具體形式。l（4）添加“CD Convert to State-Space Model.vi”，將模型轉(zhuǎn)換回狀態(tài)空間模型；添加“CD Draw State-Spac

5、e Equation.vi”，繪出新的狀態(tài)空間模型的具體形式。具體步驟如下：l（1）添加若干個“CD Construct Transfer Function Model.vi”并輸入恰當(dāng)?shù)膮?shù)就可實現(xiàn)這些單元的傳遞函數(shù)模型。l（2）添加“CD Parallel.vi”，通過多態(tài)VI選擇器選為“TF and TF”型，將這兩個單元進(jìn)行并聯(lián)。l（3）添加“CD Series.vi”，通過多態(tài)VI選擇器選為“TF and TF”型，將該單元與上一步驟中得到的并聯(lián)結(jié)果進(jìn)行串聯(lián)。l（4）添加“CD Feedback.vi”，通過多態(tài)VI選擇器選為“TF and TF”型，將該單元作為負(fù)反饋回路傳遞回上一

6、步驟中得到的串聯(lián)結(jié)果的輸入點(diǎn)。l（5）再添加“CD Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，并將上一步驟中得出的總結(jié)果輸入給該VI，以便繪出整個系統(tǒng)的零極增益模型，同時也求出了零極分布。l（6）最后在前面板上增添適當(dāng)?shù)男揎?。l“Dynamic Characteristics”和“Time Response”VI庫 VI名名功能功能CD Root Locus繪制控制系統(tǒng)的根軌跡圖CD Pole-Zero Map在復(fù)平面上繪制系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖CD Poles計算并返回系統(tǒng)的極點(diǎn)CD Zeros計算并返回系統(tǒng)的零點(diǎn)CD Damping Ratio and Natural

7、Frequency計算并返回系統(tǒng)極點(diǎn)的固有頻率和阻尼系數(shù)CD Total Delay計算系統(tǒng)的總時延CD Distribute Delay計算系統(tǒng)每對輸入輸出之間的時延CD DC Gain計算系統(tǒng)增益CD Norm計算線性時不變系統(tǒng)的2范數(shù)或無窮范數(shù)CD Stability判定系統(tǒng)穩(wěn)定性CD Covariance Response計算系統(tǒng)在高斯白噪聲激勵下的輸出協(xié)方差和狀態(tài)協(xié)方差CD Step Response計算系統(tǒng)的階躍響應(yīng)CD Impulse Response計算系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)CD Initial Response計算系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)CD Linear Simulation計算系統(tǒng)在任意

8、輸入下的響應(yīng)CD Parametric Time Response計算系統(tǒng)在指定激勵（階躍、脈沖或零輸入）下的響應(yīng)信號及其動態(tài)參數(shù)CD Get Time Response Data與其它VI結(jié)合使用，獲得具體的時域響應(yīng)數(shù)據(jù)具體步驟如下：l（1）新建“二階連續(xù)系統(tǒng)的多種響應(yīng)曲線.vi”，首先利用例11-1中已經(jīng)介紹過的建模方法使用“CD Construct Transfer Function Model.vi”對這個二階連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，在此使用符號化變量的表達(dá)式，以便對固有頻率和阻尼系數(shù)賦值。l（2）再對建好的模型調(diào)用“CD Impulse Response.vi”、“CD Step Resp

9、onse.vi”、“CD Initial Response.vi”和“CD Linear Simulation.vi”分別繪出系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)曲線、階躍響應(yīng)曲線、零輸入響應(yīng)曲線和正弦激勵下的響應(yīng)曲線。l“Frequency Response”VI庫 VI名名功能功能CD Bode繪制系統(tǒng)的Bode圖CD Nyquist繪制系統(tǒng)的Nyquist圖CD Nichols繪制系統(tǒng)的Nichols圖CD Singular Values繪制系統(tǒng)的奇異值Bode圖CD All Margins計算系統(tǒng)所有的相位和增益的穩(wěn)定裕量CD Gain and Fase Margin計算系統(tǒng)最小的相位和增益的穩(wěn)定裕量CD

10、Evaluate at Frequency計算系統(tǒng)在指定頻率處的響應(yīng)幅度和相位CD Bandwidth計算系統(tǒng)在指定頻率和幅度跌幅下的帶寬CD Get Frequency Response Data與其它VI結(jié)合使用，獲得具體的頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)具體步驟如下：l（1）新建“阻尼系數(shù)對二階連續(xù)系統(tǒng)Bode圖的影響.vi”，對系統(tǒng)進(jìn)行傳遞函數(shù)模型建模。l（2）添加“CD Bode.vi”，并將建好的模型連接至該VI，以繪出系統(tǒng)Bode圖。為了保留多次繪制的結(jié)果，在程序中須將每次的繪制數(shù)據(jù)添加至一個歷史數(shù)據(jù)數(shù)組中，再傳給波形圖進(jìn)行繪制。具體步驟如下：l（1）首先對系統(tǒng)進(jìn)行建模，使用傳遞函數(shù)模型即可。l（2

11、）然后判斷系統(tǒng)在右半s平面是否有極點(diǎn)以及右半s平面極點(diǎn)的個數(shù)，實際上利用LabVIEW控制設(shè)計工具包中的“CD Poles.vi”就可以很容易地得到系統(tǒng)的極點(diǎn)分布情況了l（3）繪制系統(tǒng)的Nyquist軌跡圖。要使系統(tǒng)穩(wěn)定，Nyquist圖必須沿逆時針方向圍繞（-1，0）點(diǎn)兩次。使用“CD Poles.vi”分析系統(tǒng)極點(diǎn)和使用“CD Nyquist.vi”繪制系統(tǒng)Nyquist圖。l（4）判斷軌跡繞向。初步繪出的Nyquist圖中并未直接給出軌跡的繞行方向，這就需要使用“CD Get Frequency Data.vi”配合，得到Nyquist圖上各點(diǎn)的精確坐標(biāo)。l“State-Space Mo

12、del Analysis”VI庫 VI名名功能功能CD Controllability Matrix計算系統(tǒng)的可控性矩陣CD Observability Matrix計算系統(tǒng)的可觀性矩陣CD Grammians計算系統(tǒng)的可控或可觀Grammian矩陣CD Canonical State-Space Realization將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為規(guī)范形式的實現(xiàn)CD Balance State-Space Model (Diagonal)基于對角相似變換對系統(tǒng)均衡化CD Balance State-Space Model (Grammians)基于Grammian方法對系統(tǒng)均衡化CD Controllability Staircase系統(tǒng)的可控性階梯型結(jié)構(gòu)分解CD Observability Staircase系統(tǒng)的可觀性階梯型結(jié)構(gòu)分解CD State Similarity Transform基于給定矩陣對系統(tǒng)進(jìn)行自相似變換具體步驟如下：l（1）新建“系統(tǒng)的可控性和可觀性判定.vi”，添加“CD Construct State-Space Model.vi”，對該系統(tǒng)建立狀態(tài)空間模型。l（2）添加“CD Controllability Matrix.vi”和“CD Obser