《精通LabVIEW程序设计》一书的课件

1、清华大学 张桐 2008.12l11.1 概述l11.2 控制系统的建模l11.3 控制系统的时域分析l11.4 控制系统的频域分析l11.5 控制系统的状态空间分析l主要讲述LabVIEW控制设计工具包l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。l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。 l借助LabVIEW控制设计工具包（LabVIEW Control Design 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

2、绘图过程交给计算机去完成，并快速得到正确的分析结果。l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 在LabVIEW控制设计工具包VI库中的子VI库“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” 具体步骤如下：l（1）在前面板上添加自定制的电阻、电容和电感控件。l（2）在框图中添加While循环结

3、构，并在循环结构内添加“CD Construct Transfer Function Model.vi”。l（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。l各种形式模型之间的转换可以采用“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来实现。基本步骤l（1）生成状态空间模型。l（2）添加“CD Conve

4、rt 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。l（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 Draw Zero-Pole-Gain Equation.vi”，绘出零极增益模型的具体形式。l（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-Spac

5、e Equation.vi”，绘出新的状态空间模型的具体形式。具体步骤如下：l（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。l（2）添加“CD Parallel.vi”，通过多态VI选择器选为“TF and TF”型，将这两个单元进行并联。l（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。l（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

6、步骤中得到的串联结果的输入点。l（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。l（6）最后在前面板上增添适当的修饰。l“Dynamic Characteristics”和“Time Response”VI库 VI名名功能功能CD Root Locus绘制控制系统的根轨迹图CD Pole-Zero Map在复平面上绘制系统的零极点分布图CD Poles计算并返回系统的极点CD Zeros计算并返回系统的零点CD Damping Ratio and Natural

7、Frequency计算并返回系统极点的固有频率和阻尼系数CD Total Delay计算系统的总时延CD Distribute Delay计算系统每对输入输出之间的时延CD DC Gain计算系统增益CD Norm计算线性时不变系统的2范数或无穷范数CD Stability判定系统稳定性CD Covariance Response计算系统在高斯白噪声激励下的输出协方差和状态协方差CD Step Response计算系统的阶跃响应CD Impulse Response计算系统的脉冲响应CD Initial Response计算系统的零输入响应CD Linear Simulation计算系统在任意

8、输入下的响应CD Parametric Time Response计算系统在指定激励（阶跃、脉冲或零输入）下的响应信号及其动态参数CD Get Time Response Data与其它VI结合使用，获得具体的时域响应数据具体步骤如下：l（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。l（2）再对建好的模型调用“CD Impulse Response.vi”、“CD Step Resp

9、onse.vi”、“CD Initial Response.vi”和“CD Linear Simulation.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。l“Frequency Response”VI库 VI名名功能功能CD Bode绘制系统的Bode图CD Nyquist绘制系统的Nyquist图CD Nichols绘制系统的Nichols图CD Singular Values绘制系统的奇异值Bode图CD All Margins计算系统所有的相位和增益的稳定裕量CD Gain and Fase Margin计算系统最小的相位和增益的稳定裕量CD

10、Evaluate at Frequency计算系统在指定频率处的响应幅度和相位CD Bandwidth计算系统在指定频率和幅度跌幅下的带宽CD Get Frequency Response Data与其它VI结合使用，获得具体的频域响应数据具体步骤如下：l（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。l（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。具体步骤如下：l（1）首先对系统进行建模，使用传递函数模型即可。l（2

11、）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l（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。l（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 Data.vi”配合，得到Nyquist图上各点的精确坐标。l“State-Space Mo

12、del Analysis”VI库 VI名名功能功能CD Controllability Matrix计算系统的可控性矩阵CD Observability Matrix计算系统的可观性矩阵CD Grammians计算系统的可控或可观Grammian矩阵CD Canonical State-Space Realization将系统转换为规范形式的实现CD Balance State-Space Model (Diagonal)基于对角相似变换对系统均衡化CD Balance State-Space Model (Grammians)基于Grammian方法对系统均衡化CD Controllability Staircase系统的可控性阶梯型结构分解CD Observability Staircase系统的可观性阶梯型结构分解CD State Similarity Transform基于给定矩阵对系统进行自相似变换具体步骤如下：l（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。l（2）添加“CD Controllability Matrix.vi”和“CD Obser