基于LabVIEW技術的控制工程實驗系統的設計

王 麗

（榆林學院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

目前，大部分理工院校是將教學與科研集于一體。傳統的實驗要使用多種儀器，而且不同實驗使用儀器也不同，如果開設綜合性實驗，就需購置很多先進而昂貴的儀器，這么多的儀器不僅價值昂貴、體積大、占用空間多，而且相互連接也十分麻煩，一般院校很難滿足，嚴重影響實驗教學效果[1]。因此，隨著測試儀器的數字化、計算機的發展，虛擬儀器正逐漸取代傳統測試儀器。

LabVIEW是一個功能完整的軟件開發環境，也是一款功能強大的編程語言。一方面，LabVIEW操作簡單，易于理解，上手快，效率高；另一方面，LabVIEW提供了豐富完善的功能圖標，用戶只需直接調用就可以。它不僅可以用于開發測試、測量和控制系統，而且還可用于理論教學和實驗教學中，提高教學效率[2]。

1 系統階躍響應實驗的設計

系統階躍響應實驗主要對系統進行時間響應分析，采用了典型輸入信號-單位階躍信號。設計了一階、二階的單位階躍響應實驗系統，因為任何高階系統均可化為零階、一階、二階系統的組合，任何輸入產生的時間響應均可由典型輸入信號產生的時間響應求得[3]。

1.1 前面板的設計

系統單位階躍響應前面板的設計主要包括以下3方面：

（1）放置波形顯示控件。波形顯示控件用于顯示階躍響應的波形。

（2）放置布爾控件。布爾控件用于停止波形的發生。

（3）放置Tab控件。Tab控件用于控制顯示幾階系統的階躍響應。

1.2 流程圖的設計

在流程圖的設計中，要調用系統模型建立模塊（construct special model），用來建立一階、二階系統的函數模型，和Draw Transfer Function Equation（State-Space）模塊，將系統的模型轉換為方程，還需調用Step Response，將系統的階躍響應函數轉化為圖形顯示出來。

首先，用一階、二階系統模型建立模塊來建立一階和二階系統的函數模型，同時設置各系統模型的參數，如一階系統的增益、時間常數，二階系統的增益、阻尼比和固有頻率；然后再通過轉換函數將系統的模型轉換為函數方程；最后再利用圖形轉換模塊將函數方程轉換成圖形顯示出來，此時還需用一個For循環來實現。圖形顯示借助在前面板中添加的控件來完成，可以顯示各階系統的傳遞函數和階躍響應曲線。系統流程如圖1示。

圖1 系統階躍響應流程圖

1.3 階躍響應實驗分析

一階系統階躍響應曲線是一條單調上升的指數曲線，穩態值為xou（∞）。系統的響應速度（即指數曲線的斜率）隨著時間常數T的增大而減小，當T=0時，系統的響應速度等于1/T，為無窮大；當T為∞時，其響應速度為0。如圖2所示為時間常數T=1時的響應曲線，時間常數T是反映一階系統的固有特性，其值愈小，系統的慣性就愈小，系統的響應速度也就愈快。

對于二階系統，當ξ＜1時，二階系統的單位階躍響應函數的過渡過程為衰減振蕩，圖3為ξ=0.1時的階躍響應曲線，而且隨著阻尼比ξ的減小，其振蕩特性表現得愈加強烈[4]。當ξ=0時達到等幅振蕩，當ξ=1和ξ＞1時，二階系統的過渡過程具有單調上升的特性。

圖2 T=1時一階系統階躍響應曲線

圖3 ζ=0.1時的階躍響應曲線

2 頻率特性測試實驗的設計

本實驗的主要內容是測試各種數字濾波器的頻率響應函數，比較切比雪夫濾波器與巴特沃斯濾波器頻率響應特性的不同，以及數字濾波器階次對濾波器頻率響應特性的影響。實驗時用沖擊信號作為系統激勵信號，用各種數字濾波器作為測試系統[5]。

在流程圖的設計中，用到的函數有：沖激函數Impulse Pattern、巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器，還有Transfer Function函數，用來測試兩個濾波器的頻率響應函數。沖激函數設置了取樣數、幅值和延遲3個參數；數字濾波器中，filter type是指定濾波器的選頻類型，高端截止頻率（high cutoff freg）要高于低端截止頻率（low cutoff freg），低端截止頻率的范圍是0到采樣頻率的1/2之間。階次是濾波器算式中的一個參數，階次越高過渡帶越窄，處理數據時間越長。波紋參數的值要大于0。參數X和Filtered X是系統的輸入和輸出，即原始時域信號和濾波后的信號；信號的取樣率參數設置為常數10 000；Transfer Function函數的輸出參數除了頻率響應的幅值和相位，還有頻率間隔，用來做顯示的坐標間隔。頻率特性測試系統的流程如圖4所示[6]。

在實驗中，分別選擇各種類型的濾波器和不同的階次，觀察其頻率響應特性。圖5、圖6分別為二階和七階帶通濾波器的頻率響應曲線。由圖可以看出，切比雪夫濾波器的過渡帶比較窄，但在通帶有波紋；巴特沃斯濾波器過渡帶比較寬，但是通帶非常平直。

3 PID控制階躍響應實驗設計

3.1 前面板的設計

在前面板的設計中，先選擇一個Waveform Graph控件，用來顯示PID控制階躍響應曲線，將曲線圖例拉長至能顯示5個圖例，分別標注為輸入偏差、PID響應、P響應、PI響應和PD響應，并分別選擇不同線型和線條色彩[7]。再選擇5個Numeric Contral控件,用來設置 Ki、Kd、Kp、Ti和 Td各參數。

圖5 二階帶通濾波器頻率響應曲線

圖6 七階帶通濾波器頻率響應曲線

3.2 流程圖的設計

設計流程圖時，先放置一個For循環，在For循環中放置公式節點，在公式節點中輸入輸入和輸出量表達式：輸入偏差Ui（階躍信號）、比例作用的階躍響應Up、比例積分作用的階躍響應Upi、比例微分作用的階躍響應Upd和比例積分微分作用的階躍響應Upid，如圖 7 所示。

圖7 PID控制階躍響應實驗流程圖

實驗中，在前面板上分別設置比例增益Kp、積分增益Ki、微分增益Kd、積分時間Ti和微分時間Td的大小，各項參數設置好后就可運行觀察到幅值為1的階躍輸入信號的P、PI、PD和PID響應曲線[8]。在前面板上，通過改變PID控制各參數值大小，可以觀察到各參數對PID控制的影響。當把比例增益、積分增益和微分增益均設置為10，積分時間、微分時間分別為500s和100s，可以得到如圖8所示的曲線。

圖8 PID控制階躍響應曲線

4 結束語

本文采用虛擬儀器技術設計控制工程實驗教學系統，解決在課堂上實現教學實驗這一問題[9]，使教學實驗的成本降低，而且操作較簡單，軟件易于更新，可以隨時加入最新的算法和研究成果，使儀器性能和功能得以不斷發展、完善，始終保持先進的水平，是大部分理工院校教學實驗的一個發展趨勢。

[1]浦龍梅，楊增強.基于LabVIEW軟件開發的控制工程基礎課程教學軟件的研究[J].自動化與儀器儀表，2007，1（129）：82-84.

[2]徐明.虛擬儀器在實驗教學中的應用研究[D].濟南：山東師范大學，2005：30-38.

[3]雷陣山.LabVIEW 7 Express實用技術教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005：30-89.

[4]楊叔子，楊克沖.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2005：20-90.

[5]Robert H，Bishop[美].LabVIEW 7實用教程[M].北京：電子工業出版社，2005：45-90.

[6]李帥，王衛平.虛擬實驗技術在課堂教學中的應用研究[J].中國農村教育，2006，3（4）：122-123.

[7]玄兆燕.基于虛擬技術的計算機輔助教學[J].應用技術，2003，9（30）：33-34.

[8]郝毫毫.用LabVIEW演示PID控制規律[J].現代計算機，2006（243）：110-112.

[9]陳晴，陳林，張志.基于虛擬儀器的開放式虛擬實驗室系統的研究和實現[J].電子測量技術，2007，30（4）：109-112.