2.1. 控制设计工具包

LV中的开发工具包非常丰富，我们先了解一下控制设计类的工具包，共有五类：PID Control工具包、Control Design and Simulation模块、 Simulation Interface工具包、System Identification 4.0 系统辨识工具包、SignalExpress v3.0(Windows版)交互式测量软件工具包

借助NI LabVIEW控制设计工具包，可使用图形化工具设计并分析控制系统。这些控制系统可以表示为是传递函数、状态空间或零极点增益模型。借助内置式工具，可从LabVIEW系统识别工具包中导入插置模型，建立并分析一个反馈控制系统。使用根轨迹图，可在修改参数的同时分析控制器的性能。最后，可使用LabVIEW仿真模块仿真并操作控制器。

2.1.1.    PID Control工具包

1、 介绍：<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

NI网址：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/1394

应切换提高PID性能，误差平方和外部复位反馈。铅滞后补偿。

2.1.2.    Control Design and Simulation模块

1、 介绍：

u         使用传递函数、状态空间或零极点分布, 建立系统和控制模型

u         利用阶跃响应图、零极点分布图和伯德图等工具分析系统的性能

u         通过各种解算器, 模拟线形、非线形和离散系统

u         使用内置函数、NI LabVIEW实时 (Real-Time)模块, 将动态系统部署到实时硬件上

u         替换NI LabVIEW控制设计工具包和NI LabVIEW仿真模块

NI网址：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/203826

NI 发表 NI LabVIEW 8.6 控制设计与模拟 (Control Design and Simulation) 模块，为 LabVIEW 图形化系统设计平台的延伸，可协助分析开回路 (Open-loop) 模型的行为、设计闭回路 (Closed-loop) 控制器，仿真系统，并建立实时建置作业。最新版模块具有新的设计功能，如可提升系统闭回路稳定性的分析式 PID 功能，与多变量 (Multivariable) 系统的模型预测控制。LabVIEW 控制设计与仿真 (Control Design and Simulation) 模块亦具有 18 种新的 .m 档案函式，可延伸支持 LabVIEW MathScript，如建立模型、定义连接模型的方法，并分析系统稳定性。

　　“LabVIEW 控制设计与仿真模块，可大幅缩短 split hopper vessel 动态定位的开发时间。”Miguel Taboada 为 SEAPLACE 公司的控制工程师;该海事工程设计公司位于西班牙马德里。“此软件模块可让我们轻松仿真不同的控制表达式，且不需使用硬件即可测试程序代码。当我们于仿真作业中取得所需的结果后，亦可再使用模块所建立的图形化程序代码，并部署至实际的硬件以进行除错 – 以上所述，仅需 1 个工作天即可完成。”

　　LabVIEW 控制设计与仿真模块的新省时功能，即为分析式 PID 功能。就过去的经验来看，工程师必须尝试调整控制器，以找出适当的 PID 控制器增益值 (Gain value)。分析式 PID 的功能，可自动寻找系统模型的PID 增益值集合，并可避免设计期间发生意料之外的电路行为，提升系统的稳定性。

　　最新版模块亦包含模型预测控制 (MPC) 功能，为业界广泛使用的表达式，可于复杂控制程序的应用中，控制多个输出/输入 (MIMO) 系统。工程师可于输出设定点 (Set point) 实际发生变动之前，使用 MPC 功能以建构控制器，并进一步调整控制行动。此功能可预测模型行为，并整合旧式的反应功能 (Feedback)，让控制器可更贴近理想的控制行动值 (Action value)，以顺利进行调整作业。

　　“即便工程师不甚熟悉文字架构程序设计，只要透过模型预测控制 (MPC) 的高价值技术，亦可轻松进入该相关业界。”身为 ISC 公司技术总监的 MIChael Grimble 如此表示，他亦身兼苏格兰史崔克莱大学 (The University of Strathclyde) 的工业控制中心工业系统教授。“在 LabVIEW 控制设计与模拟 (Control Design and Simulation) 模块中新增 MPC 功能之后，NI 更以简单易用的实时建置接口，提供极具直觉性的工具。工程师可更轻松执行如汽车与航天产业的过程控制或机器控制应用，或于学术界在开发进阶控制时，所必须的预测模型行为作业。”

　　LabVIEW 控制设计与仿真 (Control Design and Simulation) 模块可轻松整合 NI 软件工具，如 事件结构控制设计与模拟的LabVIEW 状态图 (Statechart) 模块；迅速控制原型制作与硬件回路 (HIL) 应用的 LabVIEW Real-Time Module;与系统部署作业。工程师更可整合 LabVIEW 系统识别 (System Identification) 工具组 与 NI I/O 适配卡，以开发可靠的量测架构控制器。

2.1.3.    Simulation Interface工具包

介绍：

u       连接LabVIEW用户界面和在MathWorks.公司的Simulink?软件中运行的仿真模型

u       NI LabVIEW能够与Simulink软件开发出的模块交互

u       将模型连至实时I/O, 实现建模、部署、HIL仿真

u       通过基于配置的对话, 轻松添加数据采集、CAN和FPGA I/O

u       借助多通道数据配置, 将激励应用于模型

u       以通道为单位指定多速率数据采集, 优化文件大小和应用性能

NI网址：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/11763

NI LabVIEW仿真模块将动态系统仿真和实时执行模块与LabVIEW集成，使用LabVIEW开发电机控制器和液压模拟器等动态系统使用内置式LabVIEW数据采集函数，实现带实时I/O的动态系统通过内置式程序将MathWorks, Inc. Simulink?中的模型转化为LabVIEW的模型通过各种解算器，模拟线形、非线形和离散系统通过NI LabVIEW Real-Time模块，将动态系统部署到实时硬件上 NI LabVIEW仿真模块将动态系统仿真与LabVIEW环境进行集成。可在新的仿真结点内的程序框图中建立线性、非线性、离散和连续的插置或控制系统。从积分器、微分器和传递函数等框图中创建模型，然后加入图形和控件对这些模型进行测试。另外，还可导入在NI LabVIEW控制设计工具包或NI LabVIEW系统识别工具包中开发的模型。交互式的LabVIEW工具可在记录仿真结果的同时对参数进行修改。通过仿真结点创建的模型可无缝下载至具有用于成型和HIL(hardware-in-the-loop)仿真控制的LabVIEW实时模块的实时目标硬件上。

模型介绍

<?xml:namespace prefix = w ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:word" />---在很多情况下，工厂或者试验室需要监控室温、湿度等环境量，同时机械运作设备中一般都缺不了动力的核心——电动机。实时监测电动机的运行情况在某些情况下是急需的。如何监控好多个信号，然后动态显示，处理分析，数据记录，远程共享数据等需要综合考虑。

---本文利用Matlab中的Simulink Module 开发物理模型来模拟控制对象，模型包括房屋的温度和供暖气设备模型、直流电动机的物理模型，然后利用LabVIEW Toolkit之一中的Simulation Interface调用物理模型，结合LabVIEW的通用采集程序，使得这些模型的输入输出都是真实的信号，从而来实现半物理仿真环境。

构建平台

---半物理仿真平台的实现

---1.房屋室温模型

---引用Matlab Simulink Module 中自带的模型，模型的建立不再赘述。

---2.直流电机模型

---引用通用的直流电机模型建立相关的simulink程序，如图2所示。

---3.LabVIEW Simulation Interface Toolkit

 ---LabVIEW发行的Toolkits之一中的Simulation Interface为在LabVIEW调用matlab的simulink提供了很方便的工具。我们可以利用LabVIEW的丰富界面作为Simulink的输入输出，同时可以利用LabVIEW的无数采集程序或则其他测量方面的应用联系Simulink。鉴于simulink在仿真领域中的优越性能，我们可以通过simulation interface 实现丰富的半物理仿真。Simulation Interface亦可以调用由simulink real-time workshop创建的dll并将其植入到RT系统中。

---4.LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module

---LabVIEW发行的toolkits之一中的DSC（datalogging and supervisory control）为编写基于LabVIEW的测试程序与通用的工业模块如PLC进行通信提供了方便。DSC监视并记录server（工业网络如OPC）上各节点的数据，报警事件以及其他功能。本文中利用DSC目的在于利用其历史数据的记录功能，DSC将记录的数据记录在内置的数据库中，我们可以查看历史记录并可以将数据库导出做进一步分析。

---5.采集卡完成真实信号的采集和输出

---进行半物理仿真，需要实际信号的参与，在这里信号的采集和输出有PCI－6014多功能采集卡完成。采集输出程序是连续的硬件控制采样刷新率的缓冲型的普通程序。

---6.半物理仿真平台的实现

非实时控制平台的实现

  ---（1）非实时控制平台主要完成：依据采集房屋温度模型输出的温度值，算法计算，然后输出相关值；

---（2）数据（温度设定值和当前温度值）通过datasocket传送至上位机；

---（3）前面板如图4所示。

实时控制平台的实现

---（1）PXI RT平台包括PXI－8176和PXI－6052E多功能采集卡；

---（2）依据实时程序的一般编程方法，将线程分为采集算法输出部分和通信存储部分，其中前者的优先级最高，设定为critical；

---（3）通信部分完成数据传输和与远程上位机的某些参数的通行，包括程序的启动停止，PID参数的设置等；

---（4）存储部分完成数据的本地存盘；

---（5）采集算法输出部分为硬件定时采样，PID算法和硬件定时输出；

---（6）通信存储部分与采集算法输出部分之间通过FIFO通信。

2.1.4.     System Identification 4.0 系统辨识工具包

介绍：

u       通过实际激励和响应信号直接识别动态系统模型

u       数据采集和系统辨识算法的无缝集成

u       将系统建模和其它LabVIEW工具集成，实现控制设计和仿真

u       接受基于时间和基于频率的数据

NI网址：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/13853

NI LabVIEW系统辨识工具包结合了数据采集工具和系统辨识算法，实现了精确的系统建模。利用LabVIEW中的DAQ Assistant等直观的数据采集工具，激励和采集来自系统的数据，然后自动识别动态系统模型。系统辨识模型可转化为用于控制系统分析和设计的状态空间、传递函数或零极点分布模型。工具包包括用于常见任务（如：数据处理、模型创建和系统分析）的内置函数。使用其它的内置程序，可通过直观的图形化界面创建并存储模型。

基于LabVIEW 软件的音圈电机驱动系统模型辨识方法

上海交通大学

本文采用模型推导－试验辨识－试验验证的方法，先采用先用微分方程估计模型的阶数，再采用试验施加激励获取响应信号，并通过LabVIEW 软件的系统辨识。

"本文采用理论推导和试验辨识相结合的方法研究了音圈电机的控制模型，详细介绍了运用LabVIEW 软件对音圈电机系统进行系统辨识的方法，其中包括参数辨识中最小二乘法的基本原理，激励信号施加和响应信号的数据处理以及模型辨识算法的LabVIEW程序编制，并对辨识的模型进行了验证。"

为验证模型的正确性，本文采用不同的激励信号验证了辨识模型的正确性。本文所作的工作不仅有助于正确了解音圈电机特性，还对研制高精度高加速度控制算法提供了一定的参考价值。

2.1.5.    SignalExpress v3.0(Windows版)交互式测量软件工具包

介绍：

u       无需编程即可快速配置项目

u       控制400余款基于PC及独立的仪器

u       记录源自250余款数据采集设备的数据

u       执行基础信号处理、分析和文件I/O

u       通过自动LabVIEW代码生成, 换算应用

u       创建自定义报告或者将数据轻松导出至NI LabVIEW、DIAdem、Microsoft Excel

NI网址：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/14216

借助NI LabVIEW SignalExpress提供的交互式测量工作台(interactive measurement workbench)，您无需编程，即可从数百种数据采集设备和仪器上迅速采集、分析并显示数据。借助LabVIEW SignalExpress，用户可在直观的标拖放式操作，迅速采集数据、进行高级分析并创建自定义报告。数百种数据采集、模块化和独立仪器所包含的支持，可帮助用户实现数据记录及仪器控制应用的快速自动化。

通过LabVIEW图形化编程可进一步拓展您的应用，从而创建自定义用户界面、添加高级分析或添加自定义逻辑。只要点一下鼠标，所有的LabVIEW SignalExpress项目就能转换为LabVIEW图形化代码。

NI SignalExpress是一个交互式的软件工具，专门为满足负责产品设计与测试的工程师的需要而设计的，因为设计和测试工程师们需要快速采集并分析电子信息。 Signal Express为您提供以下诸多特性为您简化各种自动化测量任务：

只需用鼠标拖拉操作无需编程的应用环境

快速测量配置过程

与仿真数据轻易集成

通过NI LabVIEW 扩展更多功能

利用SignalExpress，您根本就无须编程。简单易用的拖拉式步骤，为您的测量任务配置工作提供一种前所未有的简单方法。不同于传统的测量软件工具，SignalExpress可帮您兼得复杂测量功能和方便易用性，以帮您简化以下各种应用：

产品设计建模

产品设计验证

设计定性

设备确证

自动化测试故障诊断

SignalExpress 中有许多可供立即执行的内置步骤。因此，您可以利用这些步骤专注于信号测量和分析，这些步骤主要有以下几种：

信号I/O - 从各种硬件设备中发生并采集信号

信号处理 - 分析函数，如信号归类、滤波和均分计算

时域- 分析函数，如振幅测量、定时与柱状图

频域 - 功率测量、频率响应测量、音介测量与失真测量

测试 - 用于自动化测量扫频测试和容限测试

SignalExpress还可以将仿真数据与您测量环境集成在一起，因此您可以从常用的电子产品设计软件-如Electronics Workbench公司的OrCAD SPICE, PSpice和Multisim中导入仿真数据。您可以利用这一强大的特性将测量到的数据与仿真数据进行比较。

如果您需要SignalExpress 中所没有的特定的测量、分析和比较的操作步骤，您就可以利用LabVIEW自制各种步骤，然后插入到SignalExpress的项目(projects)中。您也可以将SignalExpress项目转换成LabVIEW程序框图，从而在产品开发周期中充分利用已有的程序代码快速创建数据记录系统。

工程师和科学家们需要经常构建数据记录系统来采集数据，并存储到硬盘和数据库。现在只需轻点几下鼠标，他们就可以快速采集到测量结果、将数据记录到硬盘，并导入Microsoft Excel等电子数据表应用。LabVIEW SignalExpress还提供的数据记录特性包括警报监控和条件记录等。此外，正因为该软件基于LabVIEW Express技术，工程师们可以简单地点击鼠标创建LabVIEW图形化编程代码，通过原始的用户界面或增加自定义的逻辑扩展他们的应用，进行更高级的数据记录应用。

LabVIEW SignalExpress提供与基于USB的模块化数据采集系统CompactDAQ的单次点击、即插即用的设置并且可用于270余种数据采集仪器。NI CompactDAQ现有30余种模块选择，帮助用户轻松地结合众多测量，例如RTD、电流I/O、高密度数字I/O、高速模拟I/O和高精度模拟I/O。NI CompactDAQ USB 即插即用平台与 LabVIEW SignalExpress的结合能提供一个完整、易用的数据记录解决方案，极大地缩短设置和测量时间。

增加台式测量的效率

使用台式仪器进行重复测量或使用多种仪器测试（例如激励响应测量）通常要手工重复去调整仪器上的旋钮和按钮。通过LabVIEW SignalExpress，工程师们可以轻松地在400多种模块化和独立仪器上进行自动化的数据采集、分析和存储。工程师们可以通过使用LabVIEW SignalExpress节省大量宝贵的实验室工作时间，完成许多通用测量任务的自动化，例如电路特性、扫频和数据记录。

工程师们可以使用LabVIEW SignalExpress 中200多种分析和处理函数，包括频率、时间、静态分析来分析采集到的数据，进一步提高他们的测量效率。他们可以在采集过程中实时地分析数据，更快地确定测量和设计上的误差，并快速进行修改以减少重复测量的繁琐。工程师们现在可以在LabVIEW SignalExpress中自动生成LabVIEW图形化代码，在生产阶段重复使用他们的测量结果。