基于LabVIEW和Multisim的串聯校正實驗軟件平臺開發

韋 青 燕(南京航空航天大學 能源與動力學院 江蘇省航空動力系統重點實驗室, 江蘇 南京 210016)

?

基于LabVIEW和Multisim的串聯校正實驗軟件平臺開發

韋 青 燕
(南京航空航天大學 能源與動力學院 江蘇省航空動力系統重點實驗室, 江蘇 南京 210016)

利用LabVIEW與Multisim的模擬與數字聯合仿真功能，基于頻率校正法開發了控制系統串聯校正實驗軟件平臺。首先通過LabVIEW的Control Design&Simulation模塊實現校正前后控制系統幅值裕度和相角裕度的數值計算，同時采用有源校正網絡在Multisim中實現相應模擬電路的仿真，仿真過程中校正網絡的電阻和電容值由LabVIEW前面板控件實時改變，直到仿真結果滿足設計要求。最后，根據得到的Multisim仿真電路，在自動控制綜合綜合實驗儀上加以實現，驗證串聯校正環節設計的正確性。此實驗平臺界面設計直觀、操作簡單、易學易用，允許學生自行設計、仿真、測試并驗證設計效果，有效地縮短了實驗時間、提高了實驗效率，同時增強了學生參與設計性實驗的積極性。

串聯校正； 頻率校正法； Multisim； LabVIEW

0 引 言

在原有的控制系統串聯校正設計性實驗中，首先根據《自動控制原理》[1]教材中頻率校正法步驟計算出串聯校正網絡傳遞函數及校正網絡中電阻、電容參數值，然后通過多次模擬電路實驗以驗證校正環節是否達到預定要求。否則需要不斷調整校正環節參數進行重新設計。此過程中傳遞函數推導的計算量較大、計算過程容易出錯，同時在進行參數調整時費時費力、不夠直觀，還需要進行多次模擬電路驗證，嚴重影響了實驗進度，導致學生在2個學時內無法完成實驗。

由于LabVIEW中Control Design&Simulation模塊就能簡便地實現控制系統的數值仿真、幅值裕度和相角裕度性能指標的計算[2-3]，同時通過LabVIEW- Multisim Co- Simulation 插件就能實現對 Multisim仿真電路的實時控制[4]。因此，本文采用Multisim+LabVIEW的開發架構實現串聯校正實驗軟件平臺。通過LabVIEW前面板控件實時控制Control Design & Simulation模塊中串聯校正網絡傳遞函數參數和Multisim仿真電路中對應校正網絡的電阻和電容參數值，同時將Multisim的時域響應仿真曲線傳送到LabVIEW前面板顯示。當控制系統性能指標未達到給定的要求時，只需不斷調整控件值，就能實現校正網絡的實時更新，直至各項性能指標均滿足要求為止。最后在自動控制綜合實驗儀上進行模擬驗證[5]。節約了人工計算串聯校正傳遞函數的時間，簡化了校正網絡參數調節過程，提高了實驗設計成功率和效率。

1 系統工作平臺主要功能模塊

串聯校正實驗軟件平臺主要包括控制系統校正前后數值仿真及幅值裕度和相角裕度的計算、控制系統校正前后Multisim電路仿真、模擬電路設計驗證三大功能模塊，對應功能模塊框圖如圖1所示[1,4,6-8]。其中控制系統校正前后模擬電路通過自動控制綜合實驗儀實現，通過NI 公司的myDAQ采集卡實現激勵信號的給定和數據采集[9]。

圖1 串聯校正實驗軟件平臺功能模塊

2 軟件功能模塊實現

基于頻率校正法進行的控制系統串聯校正環節設計性實驗中，需要為2個單位反饋系統分別設計串聯超前和串聯滯后校正環節，同時采用有源校正形式使校正后的控制系統更易于滿足頻域性能指標要求。本文采用Tab Control控件和條件結構實現軟件平臺中不同功能模塊的切換。

2.1 串聯校正數值仿真設計[1-3,6]

其主程序前面板如圖2所示。首先選擇“串聯校正仿真”選項卡，在主界面的“單位反饋系統的開環傳遞函數”中選擇需要校正的控制系統。接著在Text & Pict Ring控件中選擇串聯校正環節類型：有源超前或有源滯后，在其下方的Text & Pict Ring控件中同時顯示對應校正環節的傳遞函數Gc(s)、校正環節中電阻/電容參數值與Gc(s)參量間的計算公式。此時，依照頻率校正法進行校正環節設計的步驟計算出控制系統開環增益、Gc(s)中具體參數值，同時利用上述計算公式反推得到校正環節中具體的電阻和電容參數值。至此，已完成控制系統校正前的準備工作。

圖2 超前串聯校正仿真前面板

2.2 串聯校正Multisim模擬仿真設計[4,10-13]

基于控制系統和串聯校正環節傳遞函數，利用LabVIEW- Multisim Co- Simulation 插件實現LabVIEW與 Multisim的通訊。控制系統校正前后的 Multisim仿真電路設計如圖3所示。其中校正環節中電阻和電容分別用壓控電阻和壓控電容實現，設計有源比例環節，通過反饋回路的壓控電阻實現控制系統的開環增益。其次在每個壓控元件輸入端放置HB/SC接口，將其配置成相應的LabVIEW輸 入或輸出。

(a) 校正前

(b) 校正后

2.3 串聯校正模擬驗證設計[1,14-15]

選擇“串聯校正模擬電路設計”選項卡，其主界面如圖4所示。Text & Pict Ring控件“串聯校正系統模擬電路圖”顯示2.2節得到的控制系統Multisim仿真電路圖，首先按照自動控制綜合實驗儀上實現校正前的單位反饋系統，接上myDAQ數據采集卡，在主界面上選擇采集卡的輸入輸出通道，點擊“啟動”按鈕，myDAQ輸出一階躍信號作為模擬電路的輸入，同時采集模擬電路的響應輸出信號，并將其顯示在主界面上。

接著在模擬電路中加入2.1節和2.2節所設計的校正環節，此時校正后控制系統的輸入輸出響應曲線如圖8所示。通過輸入輸出波形中坐標測量校正后系統的σ%、ts、td時域指標，其值通過“時域參數測量”中的顯示控件顯示。將σ%、ts、td值輸入到“時域頻域參數轉換”模塊，點擊“轉換”按鈕，即可得到對應的截止頻率、幅值裕度和相角裕度參量值，將其與設計時要求的頻域性能指標對比，判斷是否均滿足要求。否則重復2.1節、2.2節和2.3節過程，重新設計驗證。

3 實例設計及驗證

下面以串聯超前校正環節設計為例，詳細介紹此串聯校正實驗軟件平臺的具體應用。

圖4 串聯校正前控制系統的模擬驗證

圖5 串聯校正后控制系統的模擬驗證

(3) 仿真。從圖3的數值仿真得知，校正后系統的ωc=4.42 rad/s、γ′=49.52°、h′=∞dB。

此時“Multisim仿真電路階躍響應”圖中的藍色曲線為校正前系統的階躍響應，綠線為校正后系統的響應，可以看出校正后控制系統的σ%、ts和系統震蕩明顯減小。因此，所設計的串聯超前校正環節使控制系統的全部性能指標均滿足要求。

4 結 語

本文基于LabVIEW和Multisim構架設計了控制系統串聯校正實驗軟件平臺，涵蓋了校正環節設計過程、數值仿真、模擬仿真、模擬驗證及時域/頻域性能指標轉換等相關內容。此實驗平臺人機界面友好、集成度高、使用方便，為學生提供了清晰明了的設計過程，很大程度上降低了串聯校正設計性實驗的難度, 提高了設計效率，同時激發了學生進行設計性實驗的積極性，有利于改善設計性實驗費時費力的現狀。

[1] 胡壽松.自動控制原理第五版[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 左 昉, 胡仁喜, 閆聰聰,等.LabVIEW 2013中文版虛擬儀器從入門到精通[M]. 北京:機械工業出版社,2014.

[3] 牛群峰,王 莉, 胡紅生. LabVIEW虛擬儀器系統開發與實踐 [M]. 北京:中國電力出版社,2011.

[4] 使用NI LabVIEW和 NI Multisim實 現數字電路和模擬電 路的聯合仿真[EB/OL]. http://www.ni.com/.

[5] 張天宏,丁 毅,卞春江.自動控制綜合教學實驗儀器開發[J]. 實驗室研究與探索,2004,23(12):141-143.

[6] 高興泉, 王炳剛, 何 峰. 基于LabVIEW的控制原理虛擬實驗臺開發[J]. 吉林化工學院學報,2009,26(4):63-66.

[7] 史 紅, 薛文祺, 么艷平.基于Matlab 的控制系統串聯超前校正設計[J]. 吉林師范大學學報( 自然科學版),2011(2):119-121.

[8] 趙 磊,郭一軍. 基于LabVIEW 的自動控制理論虛擬實驗系統開發[J]. 黃山學院學報,2013,15(5):28-30.

[9] NI 公司. myDAQ使用手冊 中文[EB/OL]. http://www.ni.com/.

[10] 許曉華, 何春華. Multisim 10計算機仿真及應用[M]. 北京:清華大學出版社,2011.

[11] 聶 典,李北雁,聶夢晨.Multisim 12仿真設計 [M]. 北京:電子工業出版社,2014.

[12] 周昌民.自動控制理論實驗的一種改革-隨動系統串聯校正的實現[J]. 實驗室研究與探索,2001,20(4):39-41.

[13] 孫 暉,路 揚.基于myDAQ 和Multisim 的信號與系統實驗設計[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(12):13-15.

[14] 劉山松,孫辰朔,陳榮華.自動控制原理課程串聯校正部分的教學探討[J]. 自動化與儀器儀表,2013(4):220-222.

[15] 王秀萍,余金華,林麗莉.LabVIEW與NIELVIS實驗教程:入門與進階[M]. 杭州:浙江大學出版社,2012.

Development of Series Compensation Experimental Platform Based on LabVIEW and Multisim

WEIQing-yan
(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems， School of Power and Energy Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

A series correction experimental platform of control system is developed based on frequency compensation by using the analog-digital co-simulation function provided by LabVIEW and Multisim. First, the magnitude and phase margin of control system before or after implementation of series compensation are calculated through the Control Design & Simulation module in LabVIEW. At the same time, the simulation circuit of control system before or after implementation of series compensation in active network is realized in Multisim, and the resistance and capacitance values in the compensation network during simulation process can be real-time changed by the controls in LabVIEW front panel until the simulation result meets the all design requirements. Finally, according to the Multisim simulation circuits, the analog circuit is realized on the automatic control comprehensive experimental instrument to verify the correctness of the series correction design. This experiment platform has intuitive interfaces for simple operation, allows students to learn and use easily, and to design, simulate, test and verify the series compensation design. It effectively shortens the time and improves the efficiency in experiment, and also enhances the students' enthusiasm to participate in designing experiments.

series correction; frequency compensation; Multisim; LabVIEW

2014-06-23

南京航空航天大學2012年度“實驗技術研究與開發”項目資助

韋青燕(1978-)，女，壯族，廣西永福人，碩士，講師，主要研究方向為計算機測控、航空發動機測試技術。

Tel.: 13605198409; E-mail:wqy_nuaa@126.com

TP 273.5

A

1006-7167(2015)02-0128-04