摘 要：本文闡述了在虛擬儀器軟件LabVIEW環(huán)境下，用圖形化的編程語(yǔ)言對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。將LabVIEW用于分析經(jīng)典控制理論中控制系統(tǒng)的根軌跡，線性定常系統(tǒng)的頻域響應(yīng)（伯德圖、乃奎斯特圖）以及控制系統(tǒng)的校正,實(shí)踐表明，虛擬儀器環(huán)境下對(duì)自動(dòng)控制控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合具有界面友好，實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)體現(xiàn)了虛擬儀器軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和便捷的圖形化編程的方法，為后臺(tái)信息處理乃至網(wǎng)絡(luò)化儀器的實(shí)現(xiàn)提供便利和支持。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器，自動(dòng)控制系統(tǒng)，LabVIEW [b][align=center]The study of analytical method of automatic control system under virtual instrument environment QIN-Haizhu ,NIZi-qiang,JIANG Bo[/align][/b] Abstract: In this paper，a graphical programming language is being used to analyzing and synthesizing control system under the environment of LabVIEW （virtual instrument software）。LabVIEW is applied to analyzing root locus, frequency response of linear systems （Bade Graph, Nyquist Diagram）,compensation of system in classic control principal. It is well demonstrated from the practice by using virtual instrument software in control system that we can get advantages such as User-friendly, easily realize etc. And also it reflects the powerful data-processing capacity and convenient graphical programming approaches of LabVIEW，and this benefit the background informatization as well as the realization of virtual network equipment. Keywords: virtual instrument, automatic control system, LabVIEW 0. 引言 　　LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Warkbench）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，具有簡(jiǎn)潔的圖形化編程環(huán)境。它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析、數(shù)據(jù)顯示功能并集成了上千個(gè)工程函數(shù)，摒棄了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的復(fù)雜性，從簡(jiǎn)單的儀器控制到過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，labview都得到了廣泛的應(yīng)用。 　　對(duì)于控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，NI公司開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的工具包，借助于Labview便捷的圖形化編程語(yǔ)言，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合更加方便;工程人員可將主要精力放在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身而不必過(guò)多的花時(shí)間在的編程語(yǔ)法和指令上。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)理論的初學(xué)者，LabVIEW提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易學(xué)的仿真、分析平臺(tái)，可幫助他們更好的理解和學(xué)習(xí)這么課程。 1.控制系統(tǒng)的根軌跡 　　根軌跡法不直接求解特征方程，用作圖的方法表示特征方程的根與系統(tǒng)某一參數(shù)的全部數(shù)值關(guān)系，當(dāng)這一參數(shù)取特定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的特征根可在上述關(guān)系圖中找到。 　　從而很方便的觀察到系統(tǒng)開(kāi)環(huán)零、極點(diǎn)分布對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 　?、僭黾娱_(kāi)環(huán)零點(diǎn)對(duì)根軌跡的影響 a.加入開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，改變漸近線的條數(shù)和漸近線的傾角;b.增加開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，相當(dāng)于增加微分作用，使根軌跡向左移動(dòng)或彎曲，從而提高了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。系統(tǒng)阻尼增加，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短;c.增加的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)越接近坐標(biāo)原點(diǎn)，微分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越好。 　?、谠黾娱_(kāi)環(huán)極點(diǎn)對(duì)根軌跡的影響 a.加入開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，改變漸近線的條數(shù)和漸近線的傾角;b.增加開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，相當(dāng)于增加積分作用，使根軌跡向右移動(dòng)或彎曲，從而降低了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。系統(tǒng)阻尼減小，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng);c.增加的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)越接近坐標(biāo)原點(diǎn)，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越差。 　?、墼黾娱_(kāi)環(huán)偶極子的作用 　　增加一對(duì)開(kāi)環(huán)偶極子，對(duì)根軌跡幾乎沒(méi)有影響，但可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 2.控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 　　已知一單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式： 　　 　　由自動(dòng)控制理論，關(guān)于伯德圖的分析，可知該系統(tǒng)由一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)一階微分環(huán)節(jié)、一個(gè)積分環(huán)節(jié)、一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)組成，首先該圖形起始的幅值為 ,K為所對(duì)應(yīng)的增益，轉(zhuǎn)折頻率分別為10、100。由于存在積分環(huán)節(jié)幅頻起始斜率為-20dB,起始相角為-90°,在w=10時(shí)，漸近線斜率變?yōu)?40dB，相角變?yōu)?180°，由于微分環(huán)節(jié)的存在，使得斜率變?yōu)?20dB，相應(yīng)的相角變?yōu)?90°。在LabVIEW條件下所得的系統(tǒng)伯德圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 LabVIEW條件下的系統(tǒng)伯德圖[/align] 　　我們知道只要系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)全部位于s的左半平面，則閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。在運(yùn)行LabVIEW程序時(shí)，將其零點(diǎn)及極點(diǎn)全部設(shè)置在s的左半平面，使其增益在0.001—10之內(nèi)變化，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論其增益如何變化，其乃奎斯特曲線都不會(huì)靠近（-1，j0）點(diǎn)，如圖2所示。 　　將控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)改為一型系統(tǒng)，由前面的典型環(huán)節(jié)的分析知，一型系統(tǒng)存在一個(gè)積分環(huán)節(jié)，而每當(dāng)信號(hào)通過(guò)一個(gè)積分環(huán)節(jié)，相位將滯后90° ，乃氏曲線起始跟系統(tǒng)的型有關(guān)，當(dāng)ω=0[sup]+[/sup]時(shí)，G（j0[sup]+[/sup]）= ∞-90°;當(dāng)ω→∞時(shí)，G（j0[sup]+[/sup]）= 0-90°（n-m）,當(dāng)傳遞函數(shù)時(shí)，由分析可知，開(kāi)環(huán)乃氏曲線起始于∞-90°，而n-m=0,所以乃氏曲線終止于00°，具體圖形如圖3所示，系統(tǒng)為穩(wěn)定的。 [align=center]　　 圖2 閉環(huán)極點(diǎn)全部位于s右半平面[/align] [align=center] 圖3 I型系統(tǒng)的乃氏圖[/align] 3.控制系統(tǒng)的校正 　　PID控制器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)于給定的被控對(duì)象，快速的確定比例系數(shù)K[sub]c[/sub]、積分系數(shù)K[sub]i[/sub]、和微分系數(shù)K[sub]d[/sub],使系統(tǒng)滿足相應(yīng)的指標(biāo)。 　　對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，希望系統(tǒng)存在一定的穩(wěn)定裕量，通過(guò)LabVIEW條件下的PID校正對(duì)處于臨界穩(wěn)定的系統(tǒng)或是穩(wěn)定裕量不滿足要求的系統(tǒng)進(jìn)行校正，舉例說(shuō)明，如圖4所示為未校正系統(tǒng)的相頻，圖5所示為校正裝置的相頻，圖6為校正后系統(tǒng)的相頻[2]。 　　未校正系統(tǒng)的相位裕量（如圖4）及傳遞函數(shù)可以看出，雖然系統(tǒng)為穩(wěn)定的，但其相位裕量并不大，只要參數(shù)有一定的變化，系統(tǒng)就有可能變?yōu)椴环€(wěn)定。 [align=center] 圖4 未校正系統(tǒng)的相頻[/align] 　　另外從傳遞函數(shù)可以看出有一位于s右半平面的零點(diǎn)，系統(tǒng)為在一定增益下的穩(wěn)定。 　　校正裝置在低頻段，主要是PI作用，在中頻段主要是PD作用。因而PID調(diào)節(jié)器能改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。校正裝置的傳遞函數(shù)為。由圖6可以看出要校正系統(tǒng)的相位裕量明顯增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能明顯改善。 　　校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為。 [align=center] 圖5 校正裝置的相頻 圖6 校正后系統(tǒng)的相頻[/align] 結(jié)束語(yǔ) 　　采用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與綜合，為控制系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特而可行的方法。實(shí)踐證明，運(yùn)用LabVIEW除了可以用于經(jīng)典控制理論研究外，還可以用于現(xiàn)代控制理論，例如可以實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達(dá)式之間的轉(zhuǎn)換、線性定常系統(tǒng)能觀性能控性的判別、系統(tǒng)的狀態(tài)反饋以及極點(diǎn)的任意配置等。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 周求湛，錢志鴻.虛擬儀器與 LabVIEW7 Express 程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年9月，P1～P100 　　[2] 胡仁喜，王恒海，齊東明等.LabVIEW8.2.1[M].北京：機(jī)械出版社，2008年1月 　　[3] 劉君華主編.基于 LabVIEW 的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003年5月，P24～P60 　　[4] 楊樂(lè)平，李海濤，肖相生等.LabVIEW 程序設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001年5月，P24～P60 　　[5] 鄒伯敏.自動(dòng)控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006年1月 　　[6] NI Corporation。PID Control Toolset User Manual（文摘類）。2003.11。