基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機轉速控制仿真系統(tǒng)設計

徐園園，洪雪梅

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門362011；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240)

基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機轉速控制仿真系統(tǒng)設計

徐園園1,2，洪雪梅1

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門362011；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240)

介紹了一種基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機轉速控制仿真系統(tǒng)。充分發(fā)揮Labwindows/CVI和Matlab的優(yōu)勢，利用LabWindows/CVI和Matlab的軟接口技術，實現(xiàn)了LabWindows/CVI人機界面設計，Matlab進行PID運算的直流電機轉速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)編程簡單，具有良好的軟件交互界面，控制效果良好，有實際應用價值。

LabWindows/CVI；Matlab；數(shù)字PID控制；直流電機

隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以電動機速度控制為中心的電機控制系統(tǒng)得到推廣應用。目前，直流電機已經廣泛應用于企業(yè)的機電設備中。與交流電機相比，直流電機具有在寬廣的范圍內平滑而經濟的調速性能，如：調速范圍廣，穩(wěn)定性好，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉等良好的起動性能。因此，直流電動機在起動和調速要求較高的生產機械上得到廣泛的應用[1]。控制電機轉速的算法有PID算法、自適應模糊控制法等。

虛擬仿真實驗是通過仿真軟件來建立控制對象的模型，模擬真實實驗所需要的條件和環(huán)境來進行的實驗。LabWindows/CVI是美國NI公司推出的著名虛擬儀器開發(fā)平臺之一，以ANSI C為核心，將功能強大、運用靈活的C語言平臺與數(shù)據(jù)采集、分析和表達等測控專業(yè)工具有機的結合起來，提供了理想的界面開發(fā)環(huán)境[2]。Matlab是Mathworks公司開發(fā)的科學計算環(huán)境，擁有豐富的函數(shù)庫，幾乎涵蓋了所有的工程計算領域，是國際公認的優(yōu)秀數(shù)學應用軟件之一。但其界面開發(fā)能力較差，且數(shù)據(jù)輸入、網絡通信和硬件控制等方面比較繁瑣[3]。

鑒于LabWindows/CVI和Matlab的優(yōu)缺點，本文將兩者有機結合、優(yōu)勢互補，提出一種基于引擎的LabWindows/CVI和Matlab軟接口技術，并實現(xiàn)了直流電機轉速PID算法(Proportion Integral Differential Coefficient Arithmetic)控制。

1 LabWindows/CVI和Matlab的引擎調用技術

本文的關鍵技術是實現(xiàn)LabWindows/CVI和Matlab的混合編程，完成其數(shù)據(jù)和命令的交換，即軟接口技術[4]。常用的技術有ActiveX技術和Matlab Compiler技術，使用時需要較強的軟件專業(yè)知識和編程能力。本文提出了一種LabWindows/CVI和Matlab引擎調用技術，方法簡單實用。

1.1 引擎程序的環(huán)境建立

LabWindows/CVI對Matlab引擎調用技術的實質是將Matlab當作計算引擎，通過LabWindows/CVI編寫引擎程序向Matlab傳送數(shù)據(jù)并調用Matlab命令，使之在Matlab的后臺完成運算并返回計算結果。其環(huán)境建立即創(chuàng)建引擎函數(shù)的使用條件，具體包括建立3個靜態(tài)鏈接庫文件，分別為Libeng.lib，Libmx.lib，Libmat.lib。引擎程序中會使用到的engine函數(shù)和mx-函數(shù)都包括在靜態(tài)庫中。此外是對engine.h頭文件的包含，因為engine.h中不但含有對引擎函數(shù)及相關數(shù)據(jù)類型的定義，還對matrix.h進行了包含，缺其將無法使用Matlab引擎。

1.2 引擎程序的主體部分

以下列代碼為例，此例程可涵蓋大多數(shù)引擎程序的主要步驟，其關鍵代碼如下：

該引擎調用技術簡單實用，充分發(fā)揮兩種軟件的優(yōu)點，可成為開發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑，具有廣泛的應用價值。但在混合編程過程中，由于在LabWindows/CVI運行的同時，又啟動了Matlab進行后臺數(shù)據(jù)處理，需要有較高的計算機硬件配置。

2 直流電機轉速PID算法及其整定

直流電機是一種經常被用作控制元件的器件，它可以直接提供旋轉運動。直流電機的傳遞函數(shù)是一個二階無滯后傳遞函數(shù)。二階無滯后傳遞函數(shù)模型為：

PID控制方法是工控界最常用的電機控制方法。計算機控制是一種采樣控制，在計算機PID控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，本系統(tǒng)采用位置式PID控制算法。

2.1 位置式PID算法

圖1 位置式PID控制系統(tǒng)框圖

2.2 數(shù)字PID的工程整定法

數(shù)字PID的三個參數(shù)影響著控制系統(tǒng)的控制效果。增大比例參數(shù)將加快系統(tǒng)的響應，有利于減小靜差，但過大的比例參數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調，產生振蕩；增大積分參數(shù)將減小積分作用，有利于減小超調使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的作用將變??；增大微分參數(shù)有利于加快系統(tǒng)的預知性，減小超調，但過大的話反而起到相反的作用[5]。

對PID參數(shù)的整定一般采用試湊法、經驗數(shù)據(jù)法或者工程整定法。本文采取的方法是應用程序試湊的方法，對參數(shù)的調試實行先比例，后積分，最后微分的整定步驟。通過模擬或者閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各調節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響反復試湊參數(shù)，以達到滿意的控制效果，從而確定數(shù)字PID調節(jié)器的參數(shù)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機轉速仿真系統(tǒng)由界面和Matlab后臺程序兩部分組成。在界面，可由菜單項設置直流電機模型二階傳遞函數(shù)參數(shù)輸入設置用數(shù)值滑動條控件來實現(xiàn)，程序運行結果由Graph控件來顯示。超調量、調整時間和增益由文本框顯示。參數(shù)設置完成后，點擊運行按鈕，Matlab后臺程序啟動，并將運算結果返回給Lab-Windows/CVI，由Graph控件來顯示。

4 結束語

本文詳細給出了LabWindows/CVI和Matlab的軟接口方法，并將其應用在直流電機控制仿真中，通過實測分析和應用，取得了較好效果。實踐證明，引擎調用技術簡單實用，可以更好發(fā)揮兩套軟件的優(yōu)點，成為開發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑，具有廣泛的應用價值。

圖2 直流電機轉速控制

[1]陳忠華，康立乾，王洋.直流調速系統(tǒng)中常規(guī)PI與模糊PI控制器的比較[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21(8):80-84.

[2]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[3]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]張賢達.現(xiàn)代信號處理[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]徐園園.LabWindows/CVI對Matlab的引擎調用技術[J].華僑大學學報，2007，28(4)：365-367.

Design and implement of speed control system for DC motor based on LabWindows/CVI and Matlab

This paper introduces a speed control system for DC motor based on LabWindows/CVI and Matlab. Combined Labwindows/CVI and Matlab,using soft interface technology of LabWindows/CVI and Matlab,it can implement the Human Machine Interaction with LabWindows/CVI and PID algorithm with Matlab.This system has the advantages of simple program,fine software interface and effective control so it has a certain practical application value.

LabWindows/CVI;Matlab;PID control;DC motor

TM 33

A

1002-087 X(2016)04-0892-03

2015-09-20

福建省泉州市科技計劃項目(2015Z124)

徐園園(1980—)，女，山東省人，講師，博士生，主要研究方向為虛擬儀器及智能測控技術。