韋 青 燕(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

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基于LabVIEW和Multisim的串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺開發(fā)

韋 青 燕
(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

利用LabVIEW與Multisim的模擬與數(shù)字聯(lián)合仿真功能，基于頻率校正法開發(fā)了控制系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺。首先通過LabVIEW的Control Design&Simulation模塊實(shí)現(xiàn)校正前后控制系統(tǒng)幅值裕度和相角裕度的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)采用有源校正網(wǎng)絡(luò)在Multisim中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模擬電路的仿真，仿真過程中校正網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容值由LabVIEW前面板控件實(shí)時(shí)改變，直到仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。最后，根據(jù)得到的Multisim仿真電路，在自動控制綜合綜合實(shí)驗(yàn)儀上加以實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證串聯(lián)校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的正確性。此實(shí)驗(yàn)平臺界面設(shè)計(jì)直觀、操作簡單、易學(xué)易用，允許學(xué)生自行設(shè)計(jì)、仿真、測試并驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，有效地縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、提高了實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生參與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的積極性。

串聯(lián)校正； 頻率校正法； Multisim； LabVIEW

0 引 言

在原有的控制系統(tǒng)串聯(lián)校正設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，首先根據(jù)《自動控制原理》[1]教材中頻率校正法步驟計(jì)算出串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)及校正網(wǎng)絡(luò)中電阻、電容參數(shù)值，然后通過多次模擬電路實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證校正環(huán)節(jié)是否達(dá)到預(yù)定要求。否則需要不斷調(diào)整校正環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。此過程中傳遞函數(shù)推導(dǎo)的計(jì)算量較大、計(jì)算過程容易出錯，同時(shí)在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不夠直觀，還需要進(jìn)行多次模擬電路驗(yàn)證，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，導(dǎo)致學(xué)生在2個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)無法完成實(shí)驗(yàn)。

由于LabVIEW中Control Design&Simulation模塊就能簡便地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)值仿真、幅值裕度和相角裕度性能指標(biāo)的計(jì)算[2-3]，同時(shí)通過LabVIEW- Multisim Co- Simulation 插件就能實(shí)現(xiàn)對 Multisim仿真電路的實(shí)時(shí)控制[4]。因此，本文采用Multisim+LabVIEW的開發(fā)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺。通過LabVIEW前面板控件實(shí)時(shí)控制Control Design & Simulation模塊中串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)參數(shù)和Multisim仿真電路中對應(yīng)校正網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容參數(shù)值，同時(shí)將Multisim的時(shí)域響應(yīng)仿真曲線傳送到LabVIEW前面板顯示。當(dāng)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)未達(dá)到給定的要求時(shí)，只需不斷調(diào)整控件值，就能實(shí)現(xiàn)校正網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)更新，直至各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求為止。最后在自動控制綜合實(shí)驗(yàn)儀上進(jìn)行模擬驗(yàn)證[5]。節(jié)約了人工計(jì)算串聯(lián)校正傳遞函數(shù)的時(shí)間，簡化了校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)節(jié)過程，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成功率和效率。

1 系統(tǒng)工作平臺主要功能模塊

串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺主要包括控制系統(tǒng)校正前后數(shù)值仿真及幅值裕度和相角裕度的計(jì)算、控制系統(tǒng)校正前后Multisim電路仿真、模擬電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證三大功能模塊，對應(yīng)功能模塊框圖如圖1所示[1,4,6-8]。其中控制系統(tǒng)校正前后模擬電路通過自動控制綜合實(shí)驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)，通過NI 公司的myDAQ采集卡實(shí)現(xiàn)激勵信號的給定和數(shù)據(jù)采集[9]。

圖1 串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺功能模塊

2 軟件功能模塊實(shí)現(xiàn)

基于頻率校正法進(jìn)行的控制系統(tǒng)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，需要為2個(gè)單位反饋系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)串聯(lián)超前和串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)，同時(shí)采用有源校正形式使校正后的控制系統(tǒng)更易于滿足頻域性能指標(biāo)要求。本文采用Tab Control控件和條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟件平臺中不同功能模塊的切換。

2.1 串聯(lián)校正數(shù)值仿真設(shè)計(jì)[1-3,6]

其主程序前面板如圖2所示。首先選擇“串聯(lián)校正仿真”選項(xiàng)卡，在主界面的“單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)”中選擇需要校正的控制系統(tǒng)。接著在Text & Pict Ring控件中選擇串聯(lián)校正環(huán)節(jié)類型：有源超前或有源滯后，在其下方的Text & Pict Ring控件中同時(shí)顯示對應(yīng)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)Gc(s)、校正環(huán)節(jié)中電阻/電容參數(shù)值與Gc(s)參量間的計(jì)算公式。此時(shí)，依照頻率校正法進(jìn)行校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的步驟計(jì)算出控制系統(tǒng)開環(huán)增益、Gc(s)中具體參數(shù)值，同時(shí)利用上述計(jì)算公式反推得到校正環(huán)節(jié)中具體的電阻和電容參數(shù)值。至此，已完成控制系統(tǒng)校正前的準(zhǔn)備工作。

圖2 超前串聯(lián)校正仿真前面板

2.2 串聯(lián)校正Multisim模擬仿真設(shè)計(jì)[4,10-13]

基于控制系統(tǒng)和串聯(lián)校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，利用LabVIEW- Multisim Co- Simulation 插件實(shí)現(xiàn)LabVIEW與 Multisim的通訊。控制系統(tǒng)校正前后的 Multisim仿真電路設(shè)計(jì)如圖3所示。其中校正環(huán)節(jié)中電阻和電容分別用壓控電阻和壓控電容實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)有源比例環(huán)節(jié)，通過反饋回路的壓控電阻實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開環(huán)增益。其次在每個(gè)壓控元件輸入端放置HB/SC接口，將其配置成相應(yīng)的LabVIEW輸 入或輸出。

(a) 校正前

(b) 校正后

2.3 串聯(lián)校正模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)[1,14-15]

選擇“串聯(lián)校正模擬電路設(shè)計(jì)”選項(xiàng)卡，其主界面如圖4所示。Text & Pict Ring控件“串聯(lián)校正系統(tǒng)模擬電路圖”顯示2.2節(jié)得到的控制系統(tǒng)Multisim仿真電路圖，首先按照自動控制綜合實(shí)驗(yàn)儀上實(shí)現(xiàn)校正前的單位反饋系統(tǒng)，接上myDAQ數(shù)據(jù)采集卡，在主界面上選擇采集卡的輸入輸出通道，點(diǎn)擊“啟動”按鈕，myDAQ輸出一階躍信號作為模擬電路的輸入，同時(shí)采集模擬電路的響應(yīng)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(jié)和2.2節(jié)所設(shè)計(jì)的校正環(huán)節(jié)，此時(shí)校正后控制系統(tǒng)的輸入輸出響應(yīng)曲線如圖8所示。通過輸入輸出波形中坐標(biāo)測量校正后系統(tǒng)的σ%、ts、td時(shí)域指標(biāo)，其值通過“時(shí)域參數(shù)測量”中的顯示控件顯示。將σ%、ts、td值輸入到“時(shí)域頻域參數(shù)轉(zhuǎn)換”模塊，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換”按鈕，即可得到對應(yīng)的截止頻率、幅值裕度和相角裕度參量值，將其與設(shè)計(jì)時(shí)要求的頻域性能指標(biāo)對比，判斷是否均滿足要求。否則重復(fù)2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)過程，重新設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

3 實(shí)例設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

下面以串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹此串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺的具體應(yīng)用。

圖4 串聯(lián)校正前控制系統(tǒng)的模擬驗(yàn)證

圖5 串聯(lián)校正后控制系統(tǒng)的模擬驗(yàn)證

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

此時(shí)“Multisim仿真電路階躍響應(yīng)”圖中的藍(lán)色曲線為校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，綠線為校正后系統(tǒng)的響應(yīng)，可以看出校正后控制系統(tǒng)的σ%、ts和系統(tǒng)震蕩明顯減小。因此，所設(shè)計(jì)的串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)使控制系統(tǒng)的全部性能指標(biāo)均滿足要求。

4 結(jié) 語

本文基于LabVIEW和Multisim構(gòu)架設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)軟件平臺，涵蓋了校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)過程、數(shù)值仿真、模擬仿真、模擬驗(yàn)證及時(shí)域/頻域性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換等相關(guān)內(nèi)容。此實(shí)驗(yàn)平臺人機(jī)界面友好、集成度高、使用方便，為學(xué)生提供了清晰明了的設(shè)計(jì)過程，很大程度上降低了串聯(lián)校正設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的難度, 提高了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的積極性，有利于改善設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)狀。

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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(xué)2012年度“實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)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?yàn)橛?jì)算機(jī)測控、航空發(fā)動機(jī)測試技術(shù)。

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

TP 273.5

A

1006-7167(2015)02-0128-04