基于LabVIEW的智能控制器仿真實現(xiàn)

文章編號：1003-6199(2011)04-0060-04

摘 要：為了提高自行開發(fā)智能控制器的可行性和可靠性，文章陳述一種開發(fā)控制器的方案，講述控制器開發(fā)的5個步驟，即構(gòu)建模型、系統(tǒng)辨識、控制設(shè)計、仿真驗證和系統(tǒng)調(diào)試，從應(yīng)用方面介紹LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊的使用方法，以及為設(shè)計者提供在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)控制器的途徑。

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關(guān)鍵詞：智能控制器；LabVIEW；控制設(shè)計與仿真；DLL(動態(tài)鏈接庫)

中圖分類號： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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The Intelligent Controller Based on LabVIEW Simulation

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LU Chao， PENG Yuning， QI Xiaokun， HE Xin，MENG Fanyu

(School of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China)

Abstract:In order to improve the feasibility and reliability of the own developed intelligent controller， the article states a kind of development controller 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 alsooffers the way of Developing controller for the designers under LabVIEW from an application perspective.

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Key words:intelligent controller;labVIEW;control design and simulation;DLL（DynamicLink Library）

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1 引 言

LabVIEW（實驗室虛擬儀器工作平臺）是美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，從1986年發(fā)展至今已經(jīng)成為應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境^［1］，在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

LabVIEW迅速發(fā)展起來并被廣大程序開發(fā)者所接受，因為它是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，圖標(biāo)形象、易于被程序開發(fā)者理解，學(xué)習(xí)容易入門，編程可視化，容易做到圖像界面美觀、人性化；不但如此，LabVIEW還集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，同時它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)^［2］，具備強大的軟、硬件通訊功能，易于完成數(shù)據(jù)在硬件設(shè)備和軟件之間的傳輸交換。

2 控制器設(shè)計的實現(xiàn)過程

控制器的一般實現(xiàn)過程如圖1所示：

控制器實現(xiàn)過程的5個步驟在實施過程中都是不可缺的，而仿真驗證更是控制系統(tǒng)實現(xiàn)的前提，是論證這個控制器的可信度和可靠性的依據(jù)，控制器仿真驗證是控制器處于完全理想的環(huán)境中得出的結(jié)論，使系統(tǒng)達(dá)到某種預(yù)期的目標(biāo)，為控制器的可行性提供理論依據(jù)，若在控制器仿真時都無法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，在現(xiàn)實環(huán)境有干擾下更不可能達(dá)到該種目標(biāo)。由此可見，仿真驗證步驟在完成控制器設(shè)計過程中所起到的重要作用。 

控制器的仿真驗證可以大大提高系統(tǒng)實現(xiàn)效率，縮短開發(fā)周期，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，同時也在一定程度上大大提高了設(shè)備安全和人身安全。

3 LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊

美國NI公司為設(shè)計者提供了系統(tǒng)辨識、控制設(shè)計、仿真及控制器執(zhí)行的整套工具。設(shè)計者可利用這些工具自定義控制算法，對系統(tǒng)進(jìn)行分析、開發(fā)與仿真，實現(xiàn)與硬件的集成和系統(tǒng)可視化操作及快速控制。

通過控制設(shè)計與仿真模塊，設(shè)計者能方便快捷地分析系統(tǒng)開環(huán)模型行為、設(shè)計閉環(huán)控制器、模擬在線和離線系統(tǒng)并實現(xiàn)物理設(shè)計；還能使用傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間或零點—極點—增益模型，依照最初的原則創(chuàng)建控制系統(tǒng)模型；通過時間和頻率分析工具（如：階躍響應(yīng)、乃奎斯特圖或伯德圖），設(shè)計者能交互式地分析開環(huán)和閉環(huán)對象的特性，利用單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)和多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)中的內(nèi)置工具及其仿真功能，驗證線性和非線性系統(tǒng)的動態(tài)特性；還可利用內(nèi)置工具，通過轉(zhuǎn)化，使MathWorks、 MATLAB／Simulink軟件中開發(fā)而成的模型能與LabVIEW配合使用，較好地解決了在LabVIEW環(huán)境下編輯的復(fù)雜、先進(jìn)控制算法不易的問題，彌補了LabVIEW的缺陷，更豐富了LabVIEW的強大功能^［3］。

控制設(shè)計與仿真模塊為用戶的設(shè)計提供了諸多優(yōu)勢與便利。該模塊包含6個部分，具體功能如下表1：

由上述功能表可知，設(shè)計者可以通過使用LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊實現(xiàn)自主完成設(shè)計復(fù)雜、先進(jìn)控制系統(tǒng)的前4個步驟（構(gòu)建模型、系統(tǒng)辨識、控制設(shè)計、仿真驗證）。通過反復(fù)仿真實驗，快速地分析出自行設(shè)計的控制系統(tǒng)存在的不足，并加以改進(jìn)。再經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)和驗證，使得仿真控制系統(tǒng)達(dá)到理想的穩(wěn)定狀態(tài)和控制效果，之后便可投入實際控制系統(tǒng)中。然后，再根據(jù)實際工況和控制系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷呐c調(diào)整，以滿足實際工程提出的控制品質(zhì)指標(biāo)要求。

4 利用工具包完成控制算法設(shè)計

41 智能控制算法編程方法

4.1.1 直接法

直接法分為兩種——使用LabVIEW編程法和直接調(diào)用LabVIEW設(shè)計的控制工具模塊法。

使用LabVIEW編程法——直接在LabVIEW的程序框圖面板中編寫程序?qū)崿F(xiàn)控制算法，不需要其他第三方編輯語言嵌入支持算法的實現(xiàn)。該方法是最直接的、最顯而易見的實現(xiàn)方法，但是，這樣實現(xiàn)的算法一般情況下都比較復(fù)雜，而且編程量大，需耗費設(shè)計者大量的精力。

直接調(diào)用LabVIEW設(shè)計的控制工具模塊法——直接使用NI公司設(shè)計好的工具包中的控制算法，如PID工具模塊、模糊邏輯工具模塊等。使用該方法的好處是不需要耗費精力自行設(shè)計算法，但由于在LabVIEW控制工具模塊中的先進(jìn)控制算法和智能控制算法的類型有限，用戶所需的算法不一定能在其中找到，而且，該工具模塊需要花費資金購買，價格較貴，這無疑增加了開發(fā)成本。

4.1.2 在LabVIEW中調(diào)用DLL實現(xiàn)法

在LabVIEW中，設(shè)計者可以利用CLF（Call Library Function Node）節(jié)點調(diào)用DLL（Dynamic Link Library，動態(tài)鏈接庫）來實現(xiàn)控制算法^［4］，即設(shè)計者可以通過在其他編程軟件（如VC++、VB、MATLAB／Simulink等）中編輯的算法程序生成DLL文件提供給LabVIEW調(diào)用。使用這種方法的優(yōu)點：（1） DLL可以被應(yīng)用程序訪問，而應(yīng)用程序并不知道實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，即可隱去編程細(xì)節(jié)；（2） DLL與語言無關(guān)，因此可以創(chuàng)建一個DLL讓LabVIEW或者任何支持動態(tài)鏈接庫的語言調(diào)用^［5］，即當(dāng)開發(fā)軟件不是使用LabVIEW時，控制算法也不需要重新編輯。

4.1.3 在LabVIEW中使用Matlab Script Node節(jié)點實現(xiàn)法

設(shè)計者可以在“MATLAB Script Node”節(jié)點中編輯MATLAB 程序或者直接調(diào)用已經(jīng)存在的MATLAB程序，根據(jù)需要添加輸入量和輸出量^［6］，在編程中要特別注意的是兩者之間的數(shù)據(jù)類型要匹配，只有兩者間的數(shù)據(jù)匹配才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)用MATLAB軟件執(zhí)行腳本還需要一定的條件。由于腳本節(jié)點程序通過調(diào)用MATLAB軟件腳本服務(wù)器執(zhí)行，必須安裝具有許可證的MATLAB 6.5或更高版本才能使用MATLAB腳本節(jié)點。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)執(zhí)行MATLAB腳本節(jié)點程序，因此，該腳本節(jié)點僅可用于Windows平臺。42 智能控制算法的仿真控制

使用LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊對被控系統(tǒng)進(jìn)行仿真控制，驗證智能控制算法的可行性與可信度，將預(yù)先編輯好的智能控制算法（例如模糊PID自整定參數(shù)控制算法、單神經(jīng)元控制算法、專家控制算法等）設(shè)計成為子VI，以便在后面加入到整個程序中進(jìn)行系統(tǒng)仿真控制。為了探索用上述方法開發(fā)智能控制器，我們對一個二階過程（其傳遞函數(shù)為：G（s）=1000s2+1040s+1）進(jìn)行了控制，多次改變被控過程的模型特性，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真控制，觀察系統(tǒng)輸出響應(yīng)的變化趨勢，分析系統(tǒng)是否滿足一定的控制指標(biāo)要求。圖2為我們所設(shè)計的智能

控制器程序，圖3則為相應(yīng)控制系統(tǒng)的階躍輸出響應(yīng)曲線。

從圖3中可見，我們自行設(shè)計的智能控制器能使系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值的變化。在每次更改圖2中傳遞函數(shù)G(s)的參數(shù)后，均可得到類似于圖3的系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線，這說明系統(tǒng)對被控過程特性的改變有較好的魯棒性和自適應(yīng)能力，論證了我們所設(shè)計的智能控制器的可行性和實用性。5 總 結(jié)

仿真控制是系統(tǒng)實現(xiàn)的前提，通過仿真控制提高了控制系統(tǒng)的可信度。LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊使得智能控制系統(tǒng)開發(fā)時間大大減少，成本也大大降低，該模塊可以輕松模擬不同的控制算法，而且不需要配置任何硬件設(shè)備就能進(jìn)行仿真驗證，同時還支持多種控制算法的編程方法。既發(fā)揮了LabVIEW自身的強大功能，又兼容了其他編程軟件的優(yōu)點。在獲得滿意的仿真結(jié)果后，還能夠設(shè)計出形象、美觀、人性化的人機界面，并能簡單、方便、快捷地將系統(tǒng)由仿真切入至實時控制。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 利用LabVIEW軟件進(jìn)行控制設(shè)計和仿真入門［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/01437e94dd88d0d233d46aad.html

［4］ 彭宇寧，朱后．利用DLL技術(shù)實現(xiàn)LabVIEW和MATLAB混合編程［J］．計算機與現(xiàn)代化，2007(8)：93—95．

［5］ 龍華偉，顧永剛．LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

［6］ 黃世奎，彭宇寧，謝樹平等．LabVIEW與Matlab/Simulink混合編程方法及應(yīng)用［J］．實驗室研究與探索，2009．28（7）：67-71．

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收稿日期：2011-10-13

基金項目：廣西壯族自治區(qū)教育廳項目（200808MS155）；廣西大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目（201009）

作者簡介：陸 超（1989—），男，廣西昭平人，學(xué)士，研究方向：過程控制、虛擬儀器、智能控制技術(shù)(E-mail：luchao8956@163.com)；彭宇寧(1959—），女，四川成都人，教授，碩士，研究方向：過程控制工程，網(wǎng)絡(luò)化控制，虛擬儀器技術(shù)。