摘 要：本文闡述了在虛擬儀器軟件LabVIEW環境下，用圖形化的編程語言對控制系統進行分析與綜合。將LabVIEW用于分析經典控制理論中控制系統的根軌跡，線性定常系統的頻域響應（伯德圖、乃奎斯特圖）以及控制系統的校正,實踐表明，虛擬儀器環境下對自動控制控制系統進行分析與綜合具有界面友好，實現方便等優點，同時體現了虛擬儀器軟件強大的數據處理能力和便捷的圖形化編程的方法，為后臺信息處理乃至網絡化儀器的實現提供便利和支持。 關鍵詞：虛擬儀器，自動控制系統，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是實驗室虛擬儀器集成環境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Warkbench）的簡稱，是美國NI公司推出的虛擬儀器開發平臺軟件，具有簡潔的圖形化編程環境。它內置信號采集、測量分析、數據顯示功能并集成了上千個工程函數，摒棄了傳統開發工具的復雜性，從簡單的儀器控制到過程控制和工業自動化系統，labview都得到了廣泛的應用。 　　對于控制系統的分析和設計，NI公司開發了相應的工具包，借助于Labview便捷的圖形化編程語言，使得控制系統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設計本身而不必過多的花時間在的編程語法和指令上。對于自動控制系統理論的初學者，LabVIEW提供了一個簡單易學的仿真、分析平臺，可幫助他們更好的理解和學習這么課程。 1.控制系統的根軌跡 　　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某一參數的全部數值關系，當這一參數取特定值時，對應的特征根可在上述關系圖中找到。 　　從而很方便的觀察到系統開環零、極點分布對系統性能的影響。 　　①增加開環零點對根軌跡的影響 a.加入開環零點，改變漸近線的條數和漸近線的傾角;b.增加開環零點，相當于增加微分作用，使根軌跡向左移動或彎曲，從而提高了系統的相對穩定性。系統阻尼增加，過渡過程時間縮短;c.增加的開環零點越接近坐標原點，微分作用越強，系統的相對穩定性越好。 　　②增加開環極點對根軌跡的影響 a.加入開環極點，改變漸近線的條數和漸近線的傾角;b.增加開環極點，相當于增加積分作用，使根軌跡向右移動或彎曲，從而降低了系統的相對穩定性。系統阻尼減小，過渡過程時間加長;c.增加的開環極點越接近坐標原點，積分作用越強，系統的相對穩定性越差。 　　③增加開環偶極子的作用 　　增加一對開環偶極子，對根軌跡幾乎沒有影響，但可以改善系統的穩態性能。 2.控制系統的頻率響應 　　已知一單位反饋系統的開環傳遞函數表達式： 　　 　　由自動控制理論，關于伯德圖的分析，可知該系統由一個比例環節、一個一階微分環節、一個積分環節、一個一階慣性環節組成，首先該圖形起始的幅值為 ,K為所對應的增益，轉折頻率分別為10、100。由于存在積分環節幅頻起始斜率為-20dB,起始相角為-90°,在w=10時，漸近線斜率變為-40dB，相角變為-180°，由于微分環節的存在，使得斜率變為-20dB，相應的相角變為-90°。在LabVIEW條件下所得的系統伯德圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 LabVIEW條件下的系統伯德圖[/align] 　　我們知道只要系統的閉環極點全部位于s的左半平面，則閉環系統是穩定的。在運行LabVIEW程序時，將其零點及極點全部設置在s的左半平面，使其增益在0.001—10之內變化，可以發現無論其增益如何變化，其乃奎斯特曲線都不會靠近（-1，j0）點，如圖2所示。 　　將控制系統的傳遞函數改為一型系統，由前面的典型環節的分析知，一型系統存在一個積分環節，而每當信號通過一個積分環節，相位將滯后90° ，乃氏曲線起始跟系統的型有關，當ω=0[sup]+[/sup]時，G（j0[sup]+[/sup]）= ∞-90°;當ω→∞時，G（j0[sup]+[/sup]）= 0-90°（n-m）,當傳遞函數時，由分析可知，開環乃氏曲線起始于∞-90°，而n-m=0,所以乃氏曲線終止于00°，具體圖形如圖3所示，系統為穩定的。 [align=center]　　 圖2 閉環極點全部位于s右半平面[/align] [align=center] 圖3 I型系統的乃氏圖[/align] 3.控制系統的校正 　　PID控制器設計的主要任務是對于給定的被控對象，快速的確定比例系數K[sub]c[/sub]、積分系數K[sub]i[/sub]、和微分系數K[sub]d[/sub],使系統滿足相應的指標。 　　對于穩定的系統，希望系統存在一定的穩定裕量，通過LabVIEW條件下的PID校正對處于臨界穩定的系統或是穩定裕量不滿足要求的系統進行校正，舉例說明，如圖4所示為未校正系統的相頻，圖5所示為校正裝置的相頻，圖6為校正后系統的相頻[2]。 　　未校正系統的相位裕量（如圖4）及傳遞函數可以看出，雖然系統為穩定的，但其相位裕量并不大，只要參數有一定的變化，系統就有可能變為不穩定。 [align=center] 圖4 未校正系統的相頻[/align] 　　另外從傳遞函數可以看出有一位于s右半平面的零點，系統為在一定增益下的穩定。 　　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調節器能改善系統的穩態性能和提高系統的動態性能。校正裝置的傳遞函數為。由圖6可以看出要校正系統的相位裕量明顯增加，系統的穩態性能明顯改善。 　　校正后系統的傳遞函數為。 [align=center] 圖5 校正裝置的相頻 圖6 校正后系統的相頻[/align] 結束語 　　采用虛擬儀器平臺進行控制系統的分析與綜合，為控制系統的理論分析與設計提供了獨特而可行的方法。實踐證明，運用LabVIEW除了可以用于經典控制理論研究外，還可以用于現代控制理論，例如可以實現傳遞函數與狀態空間表達式之間的轉換、線性定常系統能觀性能控性的判別、系統的狀態反饋以及極點的任意配置等。 參考文獻 　　[1] 周求湛，錢志鴻.虛擬儀器與 LabVIEW7 Express 程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004年9月，P1～P100 　　[2] 胡仁喜，王恒海，齊東明等.LabVIEW8.2.1[M].北京：機械出版社，2008年1月 　　[3] 劉君華主編.基于 LabVIEW 的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003年5月，P24～P60 　　[4] 楊樂平，李海濤，肖相生等.LabVIEW 程序設計應用[M].北京：電子工業出版社，2001年5月，P24～P60 　　[5] 鄒伯敏.自動控制理論[M].北京：機械工業出版社，2006年1月 　　[6] NI Corporation。PID Control Toolset User Manual（文摘類）。2003.11。