基于LabVIEW的智能控制器仿真实现陆改

1、基于LabVIEW的智能控制器仿真实现陆超， 彭宇宁， 齐小坤， 何心，孟凡钰（广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）摘要：为了提高自行开发智能控制器的可行性和可靠性，文章陈述了一种开发控制器的方案，讲述控制器开发的5个步骤，即构建模型、系统辨识、控制设计、仿真验证和系统调试，从应用方面介绍了LabVIEW控制设计与仿真模块的使用方法，以及为设计者提供在LabVIEW环境下开发控制器的途径。关键词：智能控制器；LabVIEW；控制设计与仿真；DLL(动态链接库)中图分类号 TP311 文献标识码 AThe Intelligent Controller Based on LabVIEW

2、 SimulationLu Chao, Peng Yuning, Qi Xiaokun, He Xin ,Meng Fanyu(School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi 530004, China)Abstract: In order to improve the feasibility and reliability of the own developed intelligent controller, the article states a kind of development cont

3、roller scheme, which is about five steps of controller developing, namely constructing model, system identification, control design, the simulation validation and system commissioning. It not only gives a brief introduction to the using method of LabVIEW Control Design and the Imitative Model, but a

4、lsooffers the way of Developing controller for the designers under LabVIEW from an application perspective.Keywords：Intelligent Controller; LabVIEW; Control design and simulation; DLL（Dynamic-Link Library）1 引言LabVIEW（实验室虚拟仪器工作平台）是美国国家仪器（NI）公司研制开发的，从1986年发展至今已经成为应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境1，在工业界、学术界和研究实

5、验室被视为标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW迅速发展起来并被广大程序开发者所接受，因为它是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，图标形象、易于被程序开发者理解，学习容易入门，编程可视化，容易做到图像界面美观、人性化；不但如此，LabVIEW还集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，同时它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数2，具备强大的软、硬件通讯功能，易于完成数据在硬件设备和软件之间的传输交换。2 控制器设计的实现过程 控制器的一般实现过程如图1所示：控制器实现过程的5个步骤在实施过

6、程中都是不可缺的，而仿真验证更是控制系统实现的前提，是论证这个控制器的可信度和可靠性的依据，控制器仿真验证是控制器处于完全理想的环境中得出的结论，使系统达到某种预期的目标，为控制器的可行性提供理论依据，若在控制器仿真时都无法达到预期的目标，在现实环境有干扰下更不可能达到该种目标。由此可见，仿真验证步骤在完成控制器设计过程中所起到的重要作用。 构建模型系统辨识系统调试控制设计仿真验证图1 控制控制器的实现过程控制器的仿真验证可以大大提高系统实现效率，缩短开发周期，降低系统开发成本，同时也在一定程度上大大提高了设备安全和人身安全。3 LabVIEW控制设计与仿真模块美国NI公司为设计者提供了系统辨

7、识、控制设计、仿真及控制器执行的整套工具。设计者可利用这些工具自定义控制算法，对系统进行分析、开发与仿真，实现与硬件的集成和系统可视化操作及快速控制。 通过控制设计与仿真模块，设计者能方便快捷地分析系统开环模型行为、设计闭环控制器、模拟在线和离线系统并实现物理设计；还能使用传递函数、状态空间或零点极点增益模型，依照最初的原则创建控制系统模型；通过时间和频率分析工具（如：阶跃响应、乃奎斯特图或伯德图），设计者能交互式地分析开环和闭环对象的特性，利用单输入单输出（SISO）系统和多输入多输出（MIMO）系统中的内置工具及其仿真功能，验证线性和非线性系统的动态特性；还可利用内置工具，通过转化，使Ma

8、thWorks、 MATLABSimulink软件中开发而成的模型能与LabVIEW配合使用，较好地解决了在LabVIEW环境下编辑的复杂、先进控制算法不易的问题，弥补了LabVIEW的缺陷，更丰富了LabVIEW的强大功能3。控制设计与仿真模块为用户的设计提供了诸多优势与便利。该模块包含6个部分，具体功能如下表1：表 1 控制设计与仿真模块功能表名称图标说明Simulation控制部分的设计及模拟选板：用于创建、分析和显示仿真控制系统模型，例如系统传递函数（线性系统、非线性系统和离散系统）、信号生产和图形显示功能等。Control Design模型创建选板：用于创建各种类型的模型，例如状态空

9、间模型、传递函数模型和零点/极点/增益模型等。System Identification系统识别模块：利用系统识别VIs创造和估计的数学模型动态系统，可以使用VIs估计精确的模拟系统的输出数据便于观察。PIDPID工具模块：为一个简单的应用程序或者高速控制应用程序提供相应PID控制算法。Fuzzy Logic模糊逻辑工具模块：用于实现了一个模糊控制器的模糊控制算法，也可以用于设计交互式模糊系统。Simulation Interface VIs仿真界面工具模块：使用仿真界面模块创建主VI或驱动VI，也可以使用SIT连接管理对话框生成主VI或驱动VI。由上述功能表可知，设计者可以通过使用LabVI

10、EW控制设计与仿真模块实现自主完成设计复杂、先进控制系统的前4个步骤（构建模型、系统辨识、控制设计、仿真验证）。通过反复仿真实验，快速地分析出自行设计的控制系统存在的不足，并加以改进。再经过反复改进和验证，使得仿真控制系统达到理想的稳定状态和控制效果，之后便可投入实际控制系统中。然后，再根据实际工况和控制系统的运行状况进行适当的修改与调整，以满足实际工程提出的控制品质指标要求。4 利用工具包完成控制算法设计4.1 智能控制算法编程方法 直接法 直接法分为两种使用LabVIEW编程法和直接调用LabVIEW设计的控制工具模块法。 使用LabVIEW编程法直接在LabVIEW的程序框图面板中编写程

11、序实现控制算法，不需要其他第三方编辑语言嵌入支持算法的实现。该方法是最直接的、最显而易见的实现方法，但是，这样实现的算法一般情况下都比较复杂，而且编程量大，需耗费设计者大量的精力。 直接调用LabVIEW设计的控制工具模块法直接使用NI公司设计好的工具包中的控制算法，如PID工具模块、模糊逻辑工具模块等。使用该方法的好处是不需要耗费精力自行设计算法，但由于在LabVIEW控制工具模块中的先进控制算法和智能控制算法的类型有限，用户所需的算法不一定能在其中找到，而且，该工具模块需要花费资金购买，价格较贵，这无疑增加了开发成本。4.1.2 在LabVIEW中调用DLL实现法在LabVIEW中，设计者

12、可以利用CLF（Call Library Function Node）节点调用DLL（Dynamic Link Library，动态链接库）来实现控制算法4，即设计者可以通过在其他编程软件（如VC+、VB、MATLABSimulink等）中编辑的算法程序生成DLL文件提供给LabVIEW调用。使用这种方法的优点：（1） DLL可以被应用程序访问，而应用程序并不知道实现的细节，即可隐去编程细节；（2） DLL与语言无关，因此可以创建一个DLL让LabVIEW或者任何支持动态链接库的语言调用5，即当开发软件不是使用LabVIEW时，控制算法也不需要重新编辑。4.1.3 在LabVIEW中使用Mat

13、lab Script Node节点实现法设计者可以在“MATLAB Script Node”节点中编辑MATLAB 程序或者直接调用已经存在的MATLAB程序，根据需要添加输入量和输出量6，在编程中要特别注意的是两者之间的数据类型要匹配，只有两者间的数据匹配才能进行数据传输。调用MATLAB软件执行脚本还需要一定的条件。由于脚本节点程序通过调用MATLAB软件脚本服务器执行，必须安装具有许可证的MATLAB 6.5或更高版本才能使用MATLAB脚本节点。LabVIEW使用ActiveX技术执行MATLAB脚本节点程序，因此，该脚本节点仅可用于Windows平台。4.1智能控制算法的仿真控制使用

14、LabVIEW控制设计与仿真模块对被控系统进行仿真控制，验证智能控制算法的可行性与可信度，将预先编辑好的智能控制算法（例如模糊PID自整定参数控制算法、单神经元控制算法、专家控制算法等）设计成为子VI，以便在后面加入到整个程序中进行系统仿真控制。为了探索用上述方法开发智能控制器，我们对一个二阶过程（其传递函数为：G（s）=）进行了控制，多次改变被控过程的模型特性，并进行系统仿真控制，观察系统输出响应的变化趋势，分析系统是否满足一定的控制指标要求。图2为我们所设计的智能控制器程序，图3则为相应控制系统的阶跃输出响应曲线。图2 程序框图图3 控制效果图从图3中可见，我们自行设计的智能控制器能使系统

15、快速准确地跟踪设定值的变化。在每次更改图2中传递函数G(s)的参数后，均可得到类似于图3的系统输出响应曲线，这说明系统对被控过程特性的改变有较好的鲁棒性和自适应能力，论证了我们所设计的智能控制器的可行性和实用性。5 总结仿真控制是系统实现的前提，通过仿真控制提高了控制系统的可信度。LabVIEW控制设计与仿真模块使得智能控制系统开发时间大大减少，成本也大大降低，该模块可以轻松模拟不同的控制算法，而且不需要配置任何硬件设备就能进行仿真验证，同时还支持多种控制算法的编程方法。既发挥了LabVIEW自身的强大功能，又兼容了其他编程软件的优点。在获得满意的仿真结果后，还能够设计出形象、美观、人性化的人机界面，并能简单、方便、快捷地将系统由仿真切入至实时控制。参考文献：1装 蜂，王翠英，李资劳基于L a b V I E W的虚拟仪器算法解决方案J自动化仪表，2005，26(8)：63-652陈树学，刘萱LabVIEW宝典M北京市：电子工业出版社，2011 3利用LabVIEW软件进行控制设计和仿真入门 01437e94dd88d0d233d46aad.html4彭宇宁，朱后利用DLL技术实现LabVIEW和MATLAB混合编程J计算机与现代化，2007(