第1步-建模
设计闭环控制器的第一步是识别工厂的数学表示或创建模型。可以对许多类型的系统进行建模，包括机械系统，电子电路，模拟和数字滤波器以及热力和流体系统。对于此实验，我们将为直流电动机创建一个模型。
直流电动机最好用传递函数表示。传递函数为系统的输入和输出如何关联提供了数学描述。在我们的情况下，输入到该系统是电压（V M）和来自系统的输出角速度（ΩM）。我们可以使用以下方程式表示直流电动机的模型，其中：
km =电机反电动势常数（V /（rad / s））
Rm =电机电枢电阻（欧姆）
Jeq =等效转动惯量（kg * m2）（假设Jeq = Jm（电机电枢转动惯量））
图1.直流电动机的数学模型或传递函数
该模型将用于设计闭环控制器，然后可以在实际电动机上对其进行测试。我们可以使用LabVIEW MathScript RT模块中的MathScript节点在LabVIEW中表示该传递函数。输入参数值是从Quanser QNET直流电动机规格表获得的。
图2. LabVIEW MathScript节点中表示的直流电动机的模型
可以在“编程” >>“结构”调板下找到“ MathScript”节点。
步骤2-控制设计
下一步是选择一种控制方法并设计一个控制器。在设计控制器时，最好全面了解工厂（在我们的情况下为直流电动机）。这种理解来自对专业图的分析，例如Bode，根轨迹和Nyquist图，这些图建立了植物行为方式的直觉。时域中的图形（例如阶跃响应）可立即提供有关系统理想行为的反馈，例如上升时间，超调，建立时间和稳态误差。
图3：闭环控制系统原理图
在本实验中，我们将使用LabVIEW控制设计和仿真模块为直流电机设计PI控制器。的模拟循环，它包括一个内置的ODE求解用于处理积分和微分项，可以在仿真下的控制设计和仿真调色板中找到。 “求和”，“增益”，“积分器”和“传递函数”块也可以在“控制” >> “模拟” >>“信号算术和模拟” >>“连续线性系统”的“控制设计和模拟”面板中找到。
图4：LabVIEW控制设计和仿真中的闭环PI控制器
步骤3-模拟
下一步是在修改设定值或所需速度输入时模拟直流电动机的响应。这将使我们能够调整控制器参数或增益，以提高系统的鲁棒性。我们需要将在步骤1中创建的直流电动机的传递函数或模型与闭环控制器相结合。
图5：具有直流电动机传递功能的闭环PI控制器
第4步-调整和验证
现在我们既可以模拟控制器也可以模拟直流电动机的响应，接下来可以按照迭代过程优化控制器。在验证系统性能的同时，我们将从LabVIEW前面板调整控制器参数。
图6：优化控制器的迭代过程
我们可以使用以下步骤来调整控制器参数：
-
- 从设置为Kp = 1和Ki = 0的增益开始
- 增加比例增益（Kp）以获得所需的上升时间
- 如有必要，增加积分增益（Ki）以减少稳态误差
运行程序后，我们可以在波形图上看到所需的电动机速度和估计的电动机速度。当我们将比例增益kp设置为1时，上升时间看起来不错，但该图显示了少量的稳态误差，这由所需速度数据和估算速度数据之间的差距表示。我们可以通过增加积分增益ki来减少这种稳态误差。
图7：用比例（P）控制器模拟直流电动机的响应
如果将积分增益ki增加到10，则系统响应会好得多。
图8：使用比例积分（PI）控制器模拟直流电动机的响应
第5步-实施
现在，我们已经验证了PI控制器可以与模拟的直流电动机响应一起工作，我们可以实施最终控制系统并控制NI ELVIS的Quanser直流电动机插件板的速度。 LabVIEW控制设计和仿真模块可用于控制现实生活中的系统以及仿真模型。为了从仿真控制过渡到实际控制，工厂模型可以用硬件输入和输出功能代替。在这种情况下，我们将用控制实际电动机的数据采集（DAQ）输入和输出VI代替代表直流电动机的传递函数。
图9：通过将传递函数替换为硬件输入/输出块，从仿真迁移到实际硬件
将LabVIEW控制设计和仿真环与实际硬件一起使用时，时序是重要的考虑因素。由于“控制设计和仿真循环”使用带有时间步长的内置ODE求解器，因此将循环的“仿真参数”和“时序参数”设置为具有相同的时间步长非常重要。数据采集任务通常使用时序参数，因此将仿真循环时序与数据采集时序等同起来也很重要。
现在，我们可以运行LabVIEW程序，并从LabVIEW前面板控制Quanser DC Motor的速度。
图10：使用我们的PI闭环控制器的实际Quanser直流电动机的响应
1.解决方案框图VI片段
右键单击上述VI片段，然后选择“将图像另存为... ”，在硬盘上找到该文件，然后将文件图标单击并拖动到LabVIEW程序框图上。 LabVIEW将从VI片段自动生成代码。 单击此处以获取有关VI片段的更多信息。