基于LabVIEW的智能控制器仿真實現(xiàn)陸改

1、基于LabVIEW的智能控制器仿真實現(xiàn)陸超， 彭宇寧， 齊小坤， 何心，孟凡鈺（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）摘要：為了提高自行開發(fā)智能控制器的可行性和可靠性，文章陳述了一種開發(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)用方面介紹了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。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 文獻標識碼 AThe Intelligent Controller Based on LabVIEW

2、 SimulationLu Chao, Peng Yuning, Qi Xiaokun, He Xin ,Meng Fanyu(School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi 530004, China)Abstract: In order to improve the feasibility and reliability of the own developed intelligent controller, the article states a kind of development cont

3、roller 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 a

4、lsooffers the way of Developing controller for the designers under LabVIEW from an application perspective.Keywords：Intelligent Controller; LabVIEW; Control design and simulation; DLL（Dynamic-Link Library）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

5、驗室被視為標準的數(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代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，圖標形象、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 等軟件標準的庫函數(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

6、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)達到某種預(yù)期的目標，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到預(yù)期的目標，在現(xiàn)實環(huán)境有干擾下更不可能達到該種目標。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。 構(gòu)建模型系統(tǒng)辨識系統(tǒng)調(diào)試控制設(shè)計仿真驗證圖1 控制控制器的實現(xiàn)過程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

7、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Ma

8、thWorks、 MATLABSimulink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?？刂圃O(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：表 1 控制設(shè)計與仿真模塊功能表名稱圖標說明Simulation控制部分的設(shè)計及模擬選板：用于創(chuàng)建、分析和顯示仿真控制系統(tǒng)模型，例如系統(tǒng)傳遞函數(shù)（線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)）、信號生產(chǎn)和圖形顯示功能等。Control Design模型創(chuàng)建選板：用于創(chuàng)建各種類型的模型，例如狀態(tài)空

9、間模型、傳遞函數(shù)模型和零點/極點/增益模型等。System Identification系統(tǒng)識別模塊：利用系統(tǒng)識別VIs創(chuàng)造和估計的數(shù)學(xué)模型動態(tài)系統(tǒng)，可以使用VIs估計精確的模擬系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)便于觀察。PIDPID工具模塊：為一個簡單的應(yīng)用程序或者高速控制應(yīng)用程序提供相應(yīng)PID控制算法。Fuzzy Logic模糊邏輯工具模塊：用于實現(xiàn)了一個模糊控制器的模糊控制算法，也可以用于設(shè)計交互式模糊系統(tǒng)。Simulation Interface VIs仿真界面工具模塊：使用仿真界面模塊創(chuàng)建主VI或驅(qū)動VI，也可以使用SIT連接管理對話框生成主VI或驅(qū)動VI。由上述功能表可知，設(shè)計者可以通過使用LabVI

10、EW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。再經(jīng)過反復(fù)改進和驗證，使得仿真控制系統(tǒng)達到理想的穩(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)的運行狀況進行適當?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 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

11、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

12、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、MATLABSimulink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)的細節(jié)，即可隱去編程細節(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Mat

13、lab 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。4.1智能控制算法的仿真控制使用

14、LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊對被控系統(tǒng)進行仿真控制，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）=）進行了控制，多次改變被控過程的模型特性，并進行系統(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。圖2 程序框圖圖3 控制效果圖從圖3中可見，我們自行設(shè)計的智能控制器能使系統(tǒng)

15、快速準確地跟蹤設(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：1裝 蜂，王翠英，李資勞基于L a b V I E W的虛擬儀器算法解決方案J自動化儀表，2005，26(8)：63-652陳樹學(xué)，劉萱LabVIEW寶典M北京市：電子工業(yè)出版社，2011 3利用LabVIEW軟件進行控制設(shè)計和仿真入門 01437e94dd88d0d233d46aad.html4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(