NI DAQ和LabVIEW构造PID控制系统

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1、NI DAQ和LabVIEW构造PID控制系统录入者:admin |时间:2010-04-11 20:12:23 |作者：|来源：|浏览:217次【大中小】在自动控制中，一个系统的运行要求能够满足给定的性能指标，具有抗干扰能力和稳定性。对于被控制 的对象，其本身的物理结构和工作过程是一定的，在给定信号作用时，对象的输出并不一定能满足系统的性能要 求，所以需要加入一个控制器。控制器与被控对象以闭环的形式构成系统，以帮助整个系统的输出满足给定的性 能指标，而控制器运用的控制规律多种多样。PID（Proportio nail ntegral Derivative比例微分积分）控制是控制工程中技术成熟

2、，应用广泛的一种控制策略，它 经过长期工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。PID控制PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。当被控对象的结构和参数不能完全被掌握，或得不到精 确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这 时应用PID控制技术最为方便。因此当我们不能完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获 得系统参数时，就是PID的用武之地（图1）。PID顾名思义，就是根据系统误差利用比例，微分，积分计算出控制量进行控制。比例，积分，微分这 三个环节又相互独立，有各自不同的作用，在现场也可以根据实际情

3、况来选择使用。P控制（比例控制）如果控制器的输出仅仅与误差成正比关系，即u（t）=Kp（t）便构成了一个比例控制器，可见比例控制器实际上是 一个增益可调的放大器（图2）。比例控制器通过改变比例放大系数Kp调节输出，对误差的反应很快，但是其 输出与期望值之间总是存在一个稳态误差，必须使用手动复位来消除，在实际运用中很不方便。提高Kp值可以 增加系统的开环增益，使稳态误差减小，还能够增加系统的快速性；但容易使系统的稳定程度变差，振荡变多。 而当Kp值小时，又会使系统动作变得缓慢，所以校正系统很少单独使用P控制。I控制(积分控制)由于P控制存在稳态误差需要手动复位，人们发现可以通过引入一个积分项来消

4、除稳态误差。积分控制器的输出 与误差信号的积分成正比，即1/T_i匚0牡|(t)dt，所以PI控制器的输出有：u(t)=K_p(t)+l/T_i J_0At|E(t)dt)=K_p (t)+K_p/T_i J_0人t|(t)dt=K_p s(t)+K_i J_0At|E(t)dt (式 1)积分项对误差进行积分，随着时间的增加积分项增大，只要误差还存在，就会不断输出。这样，即便误差很 小，积分项也会随着时间的增加而加大，推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，以达到消 除稳态误差的目的。因此，PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。但是对时间的积分必将影响系统的 快速动态性

5、能，对于一些系统会出现超调过大的现象，严重的甚至引起系统崩溃。D控制(微分控制)积分控制的动态性能不好，而微分项恰好可以弥补这点。微分控制器的输出和误差信号的微分成正比，即T_d d/d_t E(t)，所以PD控制器的输出有：u(t)=K_p (s(t)+T_d d/d_t E(t) )=K_p s(t)+K_p T_d d/d_t e=K_p E(t)+K_d d/d_t E(t)(式 2)微分作用反映的是误差信号的变化率，所以对系统控制具有预见性，能预见误差的变化趋势，因此能产生超 前的控制作用。甚至在误差形成之前，可能已被微分调节作用消除。所以如果微分时间选择合适，可以减少超调 和系统调

6、节时间，使系统的动态性能大大提高。微分控制在实际运用中经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势， 但因其反应的是误差的变化率，所以仅对动态过程作用，通常不单独使用。而且微分控制对噪声干扰有放大作用， 过强地调节微分项对系统抗干扰能力不利。PID控制PID控制即比例控制、积分控制、微分控制的组合，综合了 3种控制器的优点。在实际运用中，有时也不需要用 到全部的3个部分，只有比例控制单元是必不可少的。对于PID控制器，输出为：u(t)=K_p (E(t)+1/T_i J_0At| Ks(t)dt+T_d d/d_t E(t)=K_p E(t)+K_p/T_i J_OA| E(t)dt+K_p T_d

7、d/d_t E(t)=K_p E(t)+K_i J_0At|E(t)dt+K_d d/d_t E(t)(式 3)PID控制实际就是根据经验，对Ki，Kd这3个参数进行整定，以得到合适的输出值对系统进行控制。具体如 何整定，根据不同的现场有所不同。目前PID不仅应用广泛，发展也很快，已研究出很多对这3个参数进行自整 定的智能控制器。在和计算机这样的数字控制器结合后，还出现了数字PID的设计方法，不过具体原理还是遵循 于传统。使用NI DAQ设备和LabVIEW构造PID控制系统美国国家仪器公司(简称NI)提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可帮助工程师结合NI数据采集设 备快速有效地

8、搭建一个数字PID控制器，精确可靠地完成系统需求。安装NI光盘Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit即可在LabVIEW中生成该工具包。安装完成后 打开一个新的VI,右击程序框图，在Functions Palette上选择Control Design&Simulation,即可看到PID工具包， 该工具包由10个VI组成(图3)。令Q Search fSVi ew-* s-J11 尸打叩= PTFID 氐tpoi,FID Gaatro. . . FID GaizrEJ, , FIC Output.FIDPID盼匝FID EGU to.FID %

9、to E.A ；*?； i ii fl.IL1 l：b. ClLLABVIEW利用PID.vi即可搭建一个简单的PID控制器，在该vi的输入端给入PID的3个参数值(PID gai ns),系统反馈 值(process variable)，实际期望值(setpoint)以及微分时间(dt)，便能得到需要的输出值(output)。该vi还能控制 输出值的范围(图4)。PID Advanced.vi是为专家PID设计的vi，增加了一些高级的功能，如可以设定期望值的范围(setpoint range), 手动控制(manual control)，线性化(linearity)等功能。PID Autot

10、uning.vi是为需要自整定的PID系统设计的, 在给出一些基本要求后，具有自整定的功能(图5)。PID Lead/Lagvi可以对PID控制器刖端由系统反馈来的输入信号做动态补偿。PID Setpoint Profilevi可以在期望 值间断性变化时使其变得平滑。PID Control Input Filter.vi是一个五阶的低通滤波器，放在PID控制器的process variable前端，可以滤去小于采样率十分之一的输入值。PID Gain Schedule.vi可以写入几组增益参数，并给出条 件，执行时当输入信号达到条件，便使用对应的一组参数给入到PID控制器的PID Gai ns

11、上。PID Output Limiter.vi 对PID控制器输出信号的变化速率进行控制，以保证外部接受控制信号部件的安全PID EGU to %.vi和PID % to EGU.vi负责对实际数值和其在设定工程单元范围内占的百分比进行转换。1MPIO, Control Input Hltcilfcnalof DSL w, IUhx lEonip*旳!PITPID工具包提供的这10个VI，可以满足大多数场合的应用，根据不同的现场需求，使用不同的VI搭建PID 控制器，十分方便（图6）。PID控制器输出的精准还和前端的输入信号是否精确密切相关，所以采集控制系统 的前端输出而得到的系统反馈尤其重要。NI的DAQ数据采集卡不仅工作稳定，结合LabVIEW编程方便兼容性好， 且种类很多，可满足工程师各类不同档次上的需求。相信在NI软硬件的配合下，能够使搭建PID控制系统变得 更加方便快速顺利，起到事半功倍的效果。