基于LabVIEW的控制实验系统的设计与开发

论文摘要

实验在控制理论的教学、研究中占有重要地位,是进行素质教育的重要环节和手段。但是目前,如何实现理论教学与实验的有机结合尚在探讨之中,传统的实验系统存在着实验模式落后、内容单一、效率不高、资源利用率较低等问题。另外传统实验系统多采用文本式开发环境,编程繁琐、调试困难、降低系统的灵活性,而图形化编程语言LabVIEW以其简单、灵活、模块化的编程方式大大提高了实验开发的效率。在东北大学“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台的支持下,本文开展了高水平教学实验系统的研究,其目标是合理的利用有限的资源,实现软硬件资源的共享和综合利用,使学生能在控制实验系统上快速地进行信号检测、控制器设计、控制驱动等方面的实验训练。本文主要研究工作如下：1.设计了基于LabVIEW软件环境和Quanser教学实验仪器平台的控制实验系统的整体结构,该控制实验系统具有模块化、可重构、可移植、可扩展的特点,支持图形化、模块化编程,支持网络实验,实现了从辅助教学、本地实验、网络实验的全程操作与管理。采用模块化的设计思想,易于实现实验系统的扩展和软件的重用,大大提高了实验系统开发的效率。具有友好的人机界面,实现系统的可视化管理,提高实验操所效率。2.搭建并开发了控制实验系统的硬件系统和软件系统。在硬件方面,主要工作包括对控制器、驱动器、数据采集卡的选型设计,系统各部分的接线设计,完成控制系统的联接和调试。在软件方面,基于层次化、模块化的设计思想设计了软件系统的体系结构和功能,开发了的接口模块库、控制算法模块库、对象模型模块库、实验登陆界面、实验管理界面、实验操作界面。3.基于上述控制实验系统开展了典型实验设计和实验研究。设计了丰富的实验方案,包括PV控制,自适应控制,模糊控制,极点配置,线性二次型最优控制,滑模控制。并选取Quanser的典型实验教学设备,利用封装的模块库开发实验程序,进行实验研究,验证了实验系统的高效性、实验算法的准确性和模块封装的正确性4.研究了基于LabVIEW的远程发布技术,构建了浏览器／服务器模式的网络控制体系,并通过实验验证了控制实验系统的网络实验的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与研究意义
• 1.2 控制理论实验系统教学现状
• 1.2.1 实验系统教学模式
• 1.2.2 实验系统教学内容
• 1.2.3 实验系统教学仪器
• 1.2.4 实验系统教学存在的问题
• 1.3 LabVIEW概述
• 1.3.1 LabVIEW开发环境的的特点
• 1.3.2 LabVIEW的应用现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 基于LABVIEW的控制实验系统的整体设计
• 2.1 基于LabVIEW的控制实验系统的总体设计
• 2.1.1 控制实验系统的设计目标
• 2.1.2 控制实验系统的总体架构设计
• 2.2 基于LabVIEW控制实验系统的硬件系统的设计
• 2.2.1 硬件系统的总体结构设计
• 2.2.2 硬件系统的各部分组成及原理描述
• 2.2.3 硬件系统的接线设计
• 2.3 基于LabVIEW控制实验系统的软件系统的设计
• 2.3.1 LabVIEW的开发环境
• 2.3.2 软件系统功能设计
• 2.3.3 软件系统的整体结构设计
• 2.3.4 软件系统的子实验系统的设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于LABVIEW的控制实验系统的实验设计
• 3.1 基于LabVIEW控制实验系统的实验方案的设计
• 3.2 直流伺服系统实验设计
• 3.2.1 直流伺服系统的对象描述
• 3.2.2 直流伺服系统的数学建模
• 3.2.3 直流伺服系统的控制算法设计
• 3.3 一自由度扭转系统的实验设计
• 3.3.1 一自由度扭转系统的对象描述
• 3.3.2 一自由度扭转系统的数学建模
• 3.3.3 一自由度扭转系统位置控制算法设计
• 3.4 旋转倒立摆系统的实验设计
• 3.4.1 旋转倒立摆系统的对象描述
• 3.4.2 旋转倒立摆的系统的数学建模
• 3.4.3 旋转倒立摆自动起摆控制算法设计
• 3.5 柔性臂系统的实验设计
• 3.5.1 柔性臂系统对象的描述
• 3.5.2 柔性臂系统的数学建模
• 3.5.3 柔性臂系统位置控制算法的设计
• 3.6 网络实验设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于LABVIEW的控制实验系统的开发
• 4.1 数据采集模块
• 4.2 PWM输出模块
• 4.3 数字I/O输出模块
• 4.4 对象模型模块的开发
• 4.4.1 直流伺服系统模型
• 4.4.2 旋转倒立摆系统模型
• 4.4.3 一自由度扭转系统模型
• 4.4.4 柔性臂系统模型
• 4.5 算法库模块的开发
• 4.5.1 PV算法模块
• 4.5.2 LQR算法模块
• 4.5.3 极点配置算法模块
• 4.5.4 模糊算法模块
• 4.5.5 最小方差自校正算法模块
• 4.5.6 滑模变结构算法模块
• 4.6 人机界面的开发
• 4.6.1 登陆界面
• 4.6.2 实验系统总控界面
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于LABVIEW的控制实验系统的实验研究
• 5.1 本地实验研究
• 5.1.1 实验过程
• 5.1.2 旋转倒立摆系统起摆实验研究
• 5.1.3 直流伺服系统的实验研究
• 5.1.4 一自由度扭转系统的实验研究
• 5.1.5 柔性臂系统的实验研究
• 5.2 网络实验研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的主要工作