第1步-建模
設計閉環控制器的第一步是識別工廠的數學表示或創建模型。可以對許多類型的系統進行建模，包括機械系統，電子電路，模擬和數字濾波器以及熱力和流體系統。對於此實驗，我們將為直流馬達創建一個模型。
直流馬達最好用傳遞函數表示。傳遞函數為系統的輸入和輸出如何連接提供了數學描述。在我們的情況下，輸入到該系統是電壓（V M）和來自系統的輸出角速度（ΩM）。我們可以使用以下方程式表示直流馬達的模型，其中：
km =馬達反電動勢常數（V /（rad / s））
Rm =馬達電樞電阻（歐姆）
Jeq =等效轉動慣量（kg * m2）（假設Jeq = Jm（馬達電樞轉動慣量））
圖1.直流馬達的數學模型或傳遞函數
該模型將用於設計閉環控制器，然後可以在實際馬達上對其進行測試。我們可以使用LabVIEW MathScript RT模組中的MathScript節點在LabVIEW中表示該傳遞函數。輸入參數值是從Quanser QNET直流馬達規格表獲得的。
圖2. LabVIEW MathScript節點中表示的直流馬達的模型
MathScript節點可在Programming >> Structures palette下找到。
步驟2-控制設計
下一步是選擇一種控制方法並設計一個控制器。在設計控制器時，最好全面了解工廠（在我們的情況下為直流馬達）。這種理解來自對專業圖的分析，例如Bode，root-locus和Nyquist圖，這些圖建立了植物行為方式的直覺。時域中的圖形（例如階躍響應）可立即提供有關系統理想行為的反饋，例如上升時間，overshoot，建立時間和穩態誤差。
圖3：閉環控制系統原理圖
在本實驗中，我們將使用LabVIEW控制設計和模擬模組為直流馬達設計PI控制器。的模擬迴圈，它包括一個內置的ODE求解用於處理積分和微分項，可以在 Simulation下的Control Design and Simulationpalette中找到。 “求和”，“增益”，“積分器”和“傳遞函數”塊也可以在Simulation >> Signal Arithmetic and Simulation >> Continuous Linear Systems的“ Control Design and Simulation”面板中找到。
圖4：LabVIEW控制設計和模擬中的閉環PI控制器
步驟3-模擬
下一步是在修改設定值或所需速度輸入時模擬直流馬達的響應。這將使我們能夠調整控制器參數或增益，以提高系統的robustness。我們需要將在步驟1中創建的直流馬達的傳遞函數或模型與閉環控制器相結合。
圖5：具有直流馬達傳遞功能的閉環PI控制器
第4步-調整和驗證
現在我們既可以模擬控制器也可以模擬直流馬達的響應，接下來可以按照迭代過程優化控制器。在驗證系統性能的同時，我們將從LabVIEW front panel 調整控制器參數。
圖6：優化控制器的迭代過程
我們可以使用以下步驟來調整控制器參數：
-
- 從設置為Kp = 1和Ki = 0的增益開始
- 增加比例增益（Kp）以獲得所需的上升時間
- 如有必要，增加積分增益（Ki）以減少穩態誤差
運行程式後，我們可以在波形圖上看到所需的馬達速度和估計的馬達速度。當我們將比例增益kp設置為1時，上升時間看起來不錯，但該圖顯示了少量的穩態誤差，這由所需速度數據和估算速度數據之間的差距表示。我們可以通過增加積分增益ki來減少這種穩態誤差。
圖7：用比例（P）控制器模擬直流馬達的響應
如果將積分增益ki增加到10，則系統響應會更好。
圖8：使用比例積分（PI）控制器模擬直流馬達的響應
第5步-實施
現在，我們已經驗證了PI控制器可以與模擬的直流馬達響應一起工作，我們可以實施最終控制系統並控制NI ELVIS的Quanser直流馬達插件板的速度。 LabVIEW控制設計和模擬模組可用於控制現實生活中的系統以及模擬模型。為了從模擬控製過渡到實際控制，工廠模型可以用硬體輸入和輸出功能代替。在這種情況下，我們將用控制實際馬達的數據採集（DAQ）輸入和輸出VI代替代表直流馬達的傳遞函數。
圖9：通過將傳遞函數替換為硬體輸入/輸出塊，從模擬遷移到實體硬體
將LabVIEWControl Design and Simulation Loop與實體硬體一起使用時，時序是重要的考慮因素。由於“Control Design and Simulation Loop”使用帶有時間步長的內置ODE求解器，因此將迴圈的“Simulation Parameters”和“Timing Parameters”設置為具有相同的時間步長非常重要。數據採集任務通常使用時序參數，因此將模擬迴圈時序與數據採集時序等同起來也很重要。
現在，我們可以運行LabVIEW程式，並從LabVIEW front panel控制Quanser DC Motor的速度。
圖10：使用我們的PI閉環控制器的實際Quanser直流馬達的響應
1.解決方案Block Diagram VI片段
右鍵單擊上述VI片段，然後選擇“將圖像另存為... ”，在硬碟上找到該文件，然後將文件圖標單擊並拖動到LabVIEW Block Diagram上。 LabVIEW將從VI片段自動生成程式碼。 單擊此處以獲取有關VI Snippet的更多訊息。