摘 要：虛擬儀器是目前測量儀器的發(fā)展趨勢。本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)辨識中，根據(jù)相關(guān)辨識理論，采用圖形化的設(shè)計語言LABVIEW設(shè)計了系統(tǒng)辨識儀。實驗結(jié)果證明該方法準確有效，并且能推廣到系統(tǒng)辨識的其他領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：相關(guān)辨識理論; 虛擬儀器; LABVIEW Abstract: This paper introduce the application of VI in System Identification . LABVIEW is applied in writing measure-control system.The simulations demonstrate this method is efficient and practical. Keywords: correlation analysis; VI; LABVIEW 引言 　　控制系統(tǒng)模型的準確性是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題,直接影響控制精度和運行結(jié)果。系統(tǒng)辨識是得到系統(tǒng)模型的一種重要途徑。在現(xiàn)代控制工程中,利用偽隨機信號結(jié)合虛擬儀器技術(shù)對系統(tǒng)進行相關(guān)辨識,是近年來迅速發(fā)展起來的新技術(shù)。本文以開發(fā)二階系統(tǒng)參數(shù)辨識儀為例，介紹了虛擬儀器在系統(tǒng)參數(shù)辨識中的應(yīng)用方法。 1 系統(tǒng)相關(guān)辨識方法 1.1相關(guān)辨識基本原理 　　相關(guān)辨識的理論基礎(chǔ)是Wiener-Hopf方程： 　　（1） 　?。?）式中，Rxx為系統(tǒng)輸入的自相關(guān)函數(shù)，Rxy為系統(tǒng)輸入輸出的互相關(guān)函數(shù)，g（t）為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。根據(jù)Wiener-Hopf方程可知，若能取得系統(tǒng)輸入的自相關(guān)函數(shù)Rxx和系統(tǒng)輸入輸出的互相關(guān)函數(shù)Rxy,則可以得到系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。但是，對于一般的信號,Wiener-Hopf方程的求解是非常困難得，為此我們要尋找一些特殊的信號作為輸入信號以簡化求解過程。而白噪聲信號其自相關(guān)函數(shù)具有特殊的形式，其自相關(guān)函數(shù)為Rxx=K＊δ函數(shù)。由此得： 　　（2） 　　可見，系統(tǒng)的輸入信號為白噪聲時，只要取得系統(tǒng)輸入輸出的互相關(guān)函數(shù)Rxy就可求得系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，見（2）式。但白噪聲只是數(shù)學上的一個抽象，不容易產(chǎn)生。工程中常使用偽隨機信號作為系統(tǒng)的辨識信號。偽隨機信號通常采用的是M序列。 1.2 二階系統(tǒng)參數(shù)辨識方法 　　系統(tǒng)參數(shù)辨識儀以二階系統(tǒng)為辨識對象。實際應(yīng)用中，激勵信號施加于二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出可由數(shù)據(jù)采集裝置獲得，并傳輸至虛擬儀器。本文中，二階系統(tǒng)模型的特征參數(shù)由用戶輸入確定，二階系統(tǒng)的輸出是由計算得到的。相關(guān)辨識原理框圖如圖（1）所示。 　　M序列發(fā)生器所產(chǎn)生的M序列時鐘周期?t應(yīng)該滿足如下條件： 　　（3） 　?。?）式中：fh,ωh分別為二階系統(tǒng)截止頻率、截止角頻率。該式說明M序列的頻帶寬度0.45/?t至少要覆蓋被辨識系統(tǒng)截止頻率fh的10倍以上。M序列的長度N=（1.25～1.5）Ts/?t。其中Ts為系統(tǒng)的調(diào)整時間。Ts、fh、ωh可由用戶給定的特征參數(shù)計算得到。 　　系統(tǒng)的輸出是根據(jù)系統(tǒng)的模型計算得到的。二階系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)為： 　　（4） 　　（4）式中：ωn為系統(tǒng)固有角頻率,ξ為系統(tǒng)阻尼系數(shù),K為系統(tǒng)比例系數(shù)。對（4）式作Z變換可得如下計算公式： 　　（5） 　?。?）式中：M0=4+4ξωnT+ωn2T2,M1=-8+2ωn2T2,M2=4-4ξωnT+ωn2T2,M3=Kωn2T2，T為采樣周期。根據(jù)（5）式可計算出M序列作為輸入時系統(tǒng)的輸出。 　　系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的估計值可采用如下的偽隨機序列相關(guān)辨識一次完成算法： 　　 　　當M序列確定以后，系統(tǒng)的輸出z（j）通過計算得出，相應(yīng)的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)估計值就可由上式計算得出。并且該算法可一次完成N點的脈沖估計值的計算。 2 二階系統(tǒng)辨識儀的實現(xiàn) 　　采用美國國家儀器公司的圖形化編程語言LABVIEW7.1作為系統(tǒng)的編程語言。二階系統(tǒng)辨識儀的實現(xiàn)分為兩個部分：一是儀器虛擬面板的設(shè)計;二是后臺控制處理程序的設(shè)計。 [align=center] 圖2 虛擬儀器面板[/align] 　　儀器虛擬面板如圖（2）所示。虛擬前面板的設(shè)計是在Front Panel窗口下，利用LABVIEW的Controls Palette上的各種控件來完成的。面板第一部分是二階系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置區(qū)域。它包含三個數(shù)字輸入控件numeric control，一個枚舉型輸入控件enum control和一個數(shù)字顯示控件numeric indicator。通過這幾個控件，我們可以配置二階系統(tǒng)的參數(shù)：比例系數(shù)K，系統(tǒng)固有頻率fn,系統(tǒng)阻尼系數(shù)ξ;第二部分為辨識信號參數(shù)設(shè)置區(qū)域,它包含四個數(shù)字輸入控件numeric control。在此我們可以設(shè)置M序列的幅值、周期、周期個數(shù)及儀器的采樣時鐘周期;第三部分為波形顯示區(qū)域。它包含一個枚舉型輸入控件enum control 和一個波形顯示控件waveform graph，通過選擇，可以顯示輸入的辨識信號圖形、輸出信號圖形、輸入輸出互相關(guān)圖形和系統(tǒng)脈沖響應(yīng)圖形。另外還有一個控制儀器開關(guān)的stop button。 　　虛擬辨識儀的后臺程序是在LABVIEW的Block Diagram窗口下利用Functions Palette上的控件設(shè)計。由于辨識過程要涉及到M序列的發(fā)生和一次性相關(guān)辨識算法，所以要通過LABVIEW中的MATLAB Script調(diào)用MATLAB來完成數(shù)據(jù)地處理工作。整個圖形化程序如圖（3）所示， 　　其工作流程如圖（4）所示。 [align=center] 圖4 實驗結(jié)果[/align] 3 實驗結(jié)果 　　采用二階系統(tǒng)辨識儀對系統(tǒng)進行辨識，系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)置為ξ=0.6,K=2,fh=5KHZ,經(jīng)辨識后得到系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)如圖（5）所示。 　　圖中實線表示辨識所得系統(tǒng)脈沖響應(yīng)。虛線表示系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的理論值。由此可見，采用虛擬儀器結(jié)合相關(guān)辨識法來辨識系統(tǒng)參數(shù)具有較高的精度。配合相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該辨識儀就能對實際電路參數(shù)進行辨識。而且根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的其它辨識方法（如最小二乘法、極大似然法、隨機逼近法等），只要對軟件重新設(shè)計，就能推廣到系統(tǒng)辨識的其他領(lǐng)域。 參考文獻： 　　[1]Gary W.Johnson,Richard Jennings 著.《LABVIEW圖形編程》[M].北京：北京大學出版社,2002. 　　[2]孫亮主編.《MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真》[M].北京:北京工業(yè)大學出版社，2001. 　　[3]李言俊，張科.《系統(tǒng)辨識理論及應(yīng)用》[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.