摘 要

在控制理论教学和实验中，存在着设备短缺、教学手段单一等问题，采用虚拟控制系统实验方式可有效地解决这些问题。本文对控制系统仿真的意义与研究现状作了介绍，提出并确定了基于LabVIEW的控制系统仿真的实施方案。应用NI公司的LabVIEW 2008、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的计算机仿真。经过编写程序和发布应用程序，最终开发出了一种交互式实验教学系统。该系统包含信号发生器、典型环节、质点－弹簧－阻尼器系统三个子模块，用户可进行控制系统建模、性能分析、PID设计等方面的研究。各个子模块运行良好，整个系统具有操作简单、界面友好和实时交互的特点；对于教学和实验的改革和创新具有一定的指导意义。

文中详细介绍了该实验教学系统的设计思路与设计过程。主体部分是对系统各个子模块的理论分析、相应的算法分析和虚拟仪器程序的编写，此外还涉及程序的动态调用和发布应用程序等内容。

关键词：控制系统；仿真；LabVIEW；实时交互

小4号黑体

Automatic control theory virtual experiment based on LabVIEW System design

Abstract

In the teaching and experimental process of control theory, there exist problems such as equipment shortages, monotonous teaching methods and etc. We can use Virtual Instrument to solve these problems effectively. This paper introduces the significance and research status of the control system simulation, puts forward and determines the implement scheme of the Control System Simulation Based on LabVIEW^[1]. Use NI's products (LabVIEW 2008, Control Design Toolkit) as software development tools to realize computer simulation of the control system modeling, analysis and design process. After writing programs and publishing applications, we can achieve an interactive experimental and teaching system. The system consists of four sub-modules: signal generator, typical elements, the mass-spring-damper system and the single inverted pendulum system. Users can do research in control system modeling, performance analysis, PID design and other aspects. Each sub-module of the system runs well, the whole system has the features as follows: simple, friendly interface and real-time interactive. It will provide the teaching and experiment field with reform and innovation.

This paper describes the thinking and design process of the system in details. Theoretical analysis and algorithm analysis for the sub-module and Virtual Instrument programs writing are the main parts. It also discusses the dynamic program invocation and publishing applications and so on.^[2]

Keywords: Control System; Simulation; LabVIEW; Real-Time Interaction

目 录

1 绪论 - 1 -

1.1 课题背景 - 1 -

1.2 控制系统仿真的意义 - 1 -

1.3 控制系统仿真技术的研究现状 - 2 -

2 LabVIEW概述 - 4 -

2.1 虚拟仪器技术 - 4 -

2.1.1虚拟仪器的特点 - 4 -

2.1.2 LabVIEW的发展历程和研究现状 - 5 -

2.2 控制设计工具包的选择 - 6 -

2.2.1 LabVIEW控制设计工具包的组成 - 6 -

2.2.2 Control Design and Simulation工具包的作用 - 7 -

3 系统方案的选定 - 9 -

3.1 系统概述 - 9 -

3.2 系统方案的比较与选定 - 9 -

3.3 系统子模块的规划 - 11 -

4 系统设计 - 12 -

4.1 信号发生器 - 12 -

4.1.1 确定方案 - 12 -

4.1.2 VI设计 - 12 -

4.2 典型环节 - 16 -

4.2.1 建模及理论分析 - 16 -

4.2.2 VI设计 - 17 -

4.3 质点－弹簧－阻尼器系统 - 23 -

4.3.1 建模与模型转换及其VI设计 - 23 -

4.3.2 模型分析及其VI设计 - 27 -

4.3.3 PID设计及其VI设计 - 32 -

5 程序整理 - 38 -

6 总结和展望 - 40 -

6.1 总结 - 40 -

6.2 展望 - 40 -

总结 - 42 -

致 谢 - 44 -

参考文献 - 45 -

1 绪论

1.1 课题背景

自动控制原理是控制科学与工程一级学科的重要理论基础，是高等学校自动化及相关专业的一门核心基础理论课程，有较强的理论性，已形成了比较完整的体系，但其计算和分析的数学要求高，过程比较烦琐。课堂教学手段单一，教师课程讲解如果不形象直观，很难加深学生的感性认识，难以引起学习兴趣。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^[3]。

自动控制理论的教学实验，通过将理论应用于实践来加深学生对所学知识的理解，在教学活动中是必不可少的一个重要环节，对于学生的综合素质的培养和实践技能的提高都起着至关重要的作用。而虚拟实验的采用，不仅能够提供给学生更充分的时间和机会来接触、研究所做的实验，打破传统的实验模式，让学生有更多的时间思考、分析，培养起学生理论联系实际的思维方式；而且另一方面，由于虚拟实验是将硬件（实验设备）和软件（数据分析）结合在一起使用，这样一方面可以激发学生的兴趣来自己动手设计和改进虚拟实验的程序，另一方面也让他们能更加的自主，调动出学生的创新意识，培养创新能力。

本课题是应用NI公司的LabVIEW图形化编程软件、控制系统设计工具包作为软件开发工具，实现控制系统的建模、分析与设计这一系列过程的计算机仿真。通过编写程序和开发应用程序，开发出一种交互式实验教学系统。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。系统包括：信号发生器、典型环节的频响特性和弹簧-阻尼-质量块系统。应用该系统可以进行控制系统建模、性能分析、PID设计等方面的研究。对理论教学工作的开展以及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

《控制系统仿真》是自动化专业“专业教育平台”中的一门“专业必修课”，自动化技术是一门集控制、系统、信号处理、电子和计算机技术与一体的综合技术，广泛应用于工业、农业、交通运输、国防、科学研究以及商业、医疗、服务和家庭等各个方面。自动化水平的高低是衡量一个国家或社会现代化水平的重要标志之一。