應用LabVIEW實現(xiàn)PID控制功能

1、實用標準文檔文案大全測量值被控時象作為虛擬儀器的主流開發(fā)語言，圖形語言(Graphical Language)在測試系 統(tǒng)中得到廣泛應用。優(yōu)秀的圖形語言開發(fā)環(huán)境使LabVIEW不僅包括了開發(fā)虛擬儀 器面板的各種對象和進行信號分析的豐富的函數(shù)， 而且提供了外掛的PID控制工 具包，使用戶可以將虛擬儀器拓展到自動控制領域。對于自動控制的基本形式，圖(4-1)所示的閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，不僅可以應用 虛擬儀器技術完成它的測量部分的功能，而且可以將虛擬儀器技術拓展到系統(tǒng)的 控制器部分，構成一種基于虛擬儀器的測量控制系統(tǒng)。Y 卜 被控量圖4-1閉環(huán)負反饋系統(tǒng) 4.1 PID算式的確定 4.1.1 4.1.1

2、PID算式的確定在測控系統(tǒng)中，被控量和操縱量確定之后，就可以根據對象的特性和對控制 質量的要求，選擇控制器的控制作用，由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，發(fā)出相應的控制信號去推動執(zhí)行器?？刂破鞯目刂埔?guī)律，即為控制器的 PID算式。PID控制算式是一種在工業(yè)控制中廣泛運用的控制策略。它的優(yōu)點是原理簡 單，易于現(xiàn)實，穩(wěn)定性能好。實際上，大多數(shù)的工業(yè)過程都不同程度的存在著非 線性、參數(shù)時變性和模糊不確定性，而傳統(tǒng)的PID控制主要是控制具有確定模型 的線性過程，因此常規(guī)PID控制不具有在線整定參數(shù)的能力，其控制效果就不是 十分理想。如果采用模糊推理的方法實現(xiàn) PID參數(shù)：、4、0 的在線自適應， 不僅保

3、持了常規(guī)PID控制的特點，而且具有更大的靈活性、適應性和精確性等優(yōu) 點，是目前一種較為先進的控制算法。但是考慮到本軟件應用客戶所具有系統(tǒng)的特點：對象比較簡單，非線性程度 不高，大多數(shù)不具有時變性和模糊不確定性， 而且設備的投資成本要求較低，比 較適合采用常規(guī)PID控制，故本課題中的PID控制算式就確定為常規(guī)的PID控制 算式。 4.1.2 數(shù)字PID控制算式PID控制就是確定一個被控制系統(tǒng)的輸出量(Y(t),驅動過程變量接近設定 值，其中被控制的系統(tǒng)參數(shù)叫做過程變量(PV Process Variable),將被控制的 過程變量指定的理想值叫做設定值(R(t)。理論上模擬PID控制器的理想算式

4、為：(4-1) 式中:控制器的輸出電:偏差設定值R與過程變量值PV之差。K。：控制器的放大系數(shù)。刀：控制器的積分時間常數(shù)。4：控制器的微分時間常數(shù)?；谔摂M儀器的控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控 制量。因此，式(4 1)中的積分項和微分項不能準確計算， 只能用數(shù)值計算的方 法逼近，稱為數(shù)字PID控制算式。數(shù)字PID控制算式通常又分為位置式 PID控制 算式和增量式PID控制算式。1 . 1. 位置式PID控制算式在采樣時刻t=k 9 ( 8為采樣周期)時，式(4 1)表示的PID控制規(guī)律可以通 過以下數(shù)值公式近似計算：比例作用：，(4-2)/(*)=孕3.積 分 作 用：7

5、 x(4-3)微 分 作 用(4-4)旬出=&2卜3)一吸一叨U式(42)、式(43)、式(44)表示的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置 u(k),所以稱為位置式PID控制算法，實際的位置PID控制器輸出為比例作用、積分作用與微分作用之和，即=%+ %&) + uD=+ 3忸-網上-1) h i-o8(4-5)如果采樣周期9取得足夠小，這種逼近可相當準確，被控過程與連續(xù)控制過 程十分接近。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關， 計 算時要對e(k)進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的 u(k) 對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度

6、變化，會引起 執(zhí)行機構位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的。因而產生了 增量式PID控制算式。位置式PID控制算式的系統(tǒng)控制示意圖如圖(4-2)所示。困，1-2位置式PID控制不統(tǒng)2 .增量式PID控制算式增量式PID控制算式是指數(shù)字控制器的輸出只是控制器的增量A u(k)。當執(zhí) 行機構需要的是控制量的增量(例如驅動步進電機)時，可由式 (4-5)導出提供 增量的PID控制算式。根據遞推原理可得：n Jt-1甲廿際-D =+ 吃。伏 m - 2)dh 口。a(4-6)用式(4-5)減去式(4-6)可得: - u(k) 1)(4-7)式(4-7)稱為增量式PID控制算式?？梢钥闯?，

7、由于一般計算機控制系統(tǒng)采 用恒定的采樣周期8 , 一旦確定了 K、K、Kd,只要使用前后3次測量值的偏差, 即可由式(4-7)求出控制增量。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量A u(k)對應的是本次執(zhí)行機構位置(例如閥門開度)的增量。對應閥門實際位置的控制量，即控制量增量的積累j-0需要采用定的方法來解決，例如用有積累作用的元件(如步進電機)來實現(xiàn)；而目前較多的是利用算式u(k)=u(k-1)+ Au(k)通過執(zhí)行軟件來完成。圖(4-3)給出了增量式PID控制系統(tǒng)的示意圖。掰47增量式FII控制系統(tǒng)框圖就整個系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算法并無本質區(qū)別， 增量式控制雖然 只是算法上作了一點

8、改進，卻帶來了不少優(yōu)點：(1) (1)由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉。(2) (2)手動/自動切換時沖擊小，便于無擾動切換。止匕外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3) (3)算式中不需要累加?？刂圃隽緼 u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效 果。但是增量式控制也有不足之處，積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響 大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以品閘管作為執(zhí)行器或在控制精 度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以步進電機或電動閥門作為執(zhí)行 器的

9、系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。而本文中的對象正是采用了品閘管作為執(zhí) 行機構，且要求被控制溫度波動小，所以采用了位置控制算法。 4.1.3數(shù)字PID控制算式的改進131719PID數(shù)字控制是被廣泛采用的一種算法，為了適應實際控制的需要，出現(xiàn)了 多種改進后的數(shù)字PID控制算法。1 .積分分離PID控制算法位置式PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較人的積累誤差。在實際過程控制中應將控制變量限制 在有限的范圍內，即4面三%祝。如果計算機給出的控制量u在上述范圍內,那么控制可以按預期的效果進行。一旦超出上述范圍，那么實際執(zhí)行的控制量就 不再是計算值。因此將引起

10、飽和(失控)效應。在位置式PID控制算法中，“飽和效應”主要是由積分項引起的，故稱為積分飽和。這種現(xiàn)象在設定值發(fā)生突變 時特別產易發(fā)生。當設定值由 R(t)突變到R 時，若根據位置PID算出的輸 出量,那么實際輸出量u只能取上限值 4她(圖4-4中曲線b),而不是 計算值(圖4-4中曲線a)。此時由于輸出量受到限制，偏差e將比正常情況下持 續(xù)更長時間(即e(t) 0 的正值)，而使式(45)的積分項進行不適當?shù)姆e累， 從而得到較大的累積值。當偏差e(t)出現(xiàn)負值后(e(t)00(2) (2)當|e(k)| e時，也即偏差值|e(k)|比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統(tǒng)有較快的響

11、應。(3) (3)當|e(k)| 時，也即偏差值|e(k)|比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。積分分離PID控制算法的表達式為：碗=片明+1t響+2他-避-1) h i-o a(4-8)圖4-4系統(tǒng)存在積分飽和時控制器輸出u(t)其中B按下式取值：，當M酢，p 0當即)|營(4-9)采用積分分離PID控制算法后，控制效果如圖(4-5)所示。由圖可見，采用 積分分離PID控制算法使得控制系統(tǒng)的性能有了較大的改善。圉4-5 積分分離控P1D匍微果1T通PID 2一積分分離PID2 .遇限削弱積分PID控制算法遇限削弱積分PID控制算法的基本思想是：一開始就積分，當控制進入飽和 區(qū)(即

12、限制范圍)以后，即停止積分，不再進行積分項的累加，而只執(zhí)行削弱積分 的運算。因而，在計算U(k)時，先判斷U(k-I)是否已超出限制值。若U(k-1)U max, 則只累加負偏差；若u(k-1)u max,則只累加正偏差。這種算法可以避免控制量長 時間停留在飽和區(qū)。3 .不完全微分PID控制算法微分環(huán)節(jié)的引入，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，但對于干擾特別敏感。在誤差擾 動突變時，微分項如下：%3)二(心今卜佐)以止T)工4h乃-意6 T)(4-10)苴中x陪其中：口當e(k)為階躍函數(shù)時，UD(k)輸出為：ud(0)=Kd, u d(1)= u d(2)= =0即僅第一個周期有輸出，且幅值為 Kd,以

13、后均為零。該輸出的特點為：(1)微分項的輸出僅在第一個周期起激勵作用，對于時間常數(shù)較大的系統(tǒng)，其 調節(jié)作用很小，不能達到超前控制誤差的目的。(2) UD的幅值Kd一股比較大，容易造成計算機中數(shù)據溢出；此外 UD過大、過快 的變化，對執(zhí)行機構也會造成影響(通常8 T).克服上述缺點的方法之一是在 PID算法中加一個一階慣性環(huán)節(jié)(低通濾波 口口苗工$有西日叫十十”器)1如圖(4-6)所示，即可構成不完全微分 PID控制。圖4-6不完全微分PID控制算法結構圖對于圖(4-6)所示的不完全微分PID結構，設它的傳遞函數(shù)為:(4-11) 將上式離散化并整理后得：u 三0(E) 十 %伏)+與值)其中up

14、(k)與ui(k)與普通PID算式完全一致，只是UD(k)不同町(目=廣上-。-啾-1)14+日 /產(4-12)u = =l-a 1成立,在式(4-12)中，令 Tf + e ,則與 ；顯然有a 1,所以1- 則式(4-12)可簡化為：uD(Jc)-區(qū)工(1 -(k - 1) + 皿式k - 1)(4-13)當e(k)為階躍(即e(k)=1,k=0,1,2,)時，可求出：ud(0)=Kd(1- a)e(0)-e(-1)+ a Ud(-1)=K d(1- a)Ud(1)=Kd(1- a)e(1)-e(0)+ a Ud(0)= a Ud(0)2Ud(2)= a 詼= a Ud(0)Ud（K）=

15、a UD（k-1）= a kUD（0）由此可見，引入不完全微分后，微分輸出在第一個采樣周期內的脈沖高 度下降，次后又按ekUD（O）的規(guī)律（a 1）逐漸衰減。所以不完全微分能有效地克 服上述不足，具有較理想的控制特性（見圖（4-7）。盡管不完全微分PID控制算 法比普通PID控制算法要復雜些，但由于其良好的控制特性，近年來越來越得到 廣泛的應用。圖47prr輸出桂制啜的比較a）普通FIDb）不完全曲分FID4.微分先行PID控制算法微分先行PID控制算法特點是只對輸出量y（t）進行微分，而對設定值R不 作微分。這樣在改變設定值時，輸出不會改變，而被控量的變化通?？偸潜容^緩 和的。這種輸出量先行

16、微分控制適用于設定值R頻繁升降的場合，可以避免設定值升降時所引起的系統(tǒng)振蕩，明顯地改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。微分先行PID控制 的結構如圖（4-8）所示。在上述介紹的四種數(shù)字 PID控制算式改進方法中微分先行法一般用于有較 大純滯后的系統(tǒng)；再將其余的幾種算法結合所選對象的特點，本課題最終選擇的PID控制算式是位置控制算法和積分分離 PID控制算法的結合。4.2程序設計152117 4.2.1程序框圖應用LabVIEW提供的功能軟件實現(xiàn)PID控制功能的程序如圖（4-9）所示數(shù)據采集子程序數(shù)據濾好程序PID控制子程序圖4-9 PID控制功能程序流程圖 4.2.2程序說明（2.3.4程序流程圖說明）2

17、.濾波子程序：冏 同前（已在2.3.4程序流程圖說明中有說明）3. PID控制子程序:子程序包括偏差計算、位置PID算式計算、抗積分飽和措施等4 .顯小子程序:f一將PID控制子程序中確定的PID控制曲線、設定值曲線、被控對象 響應曲線及虛擬的PID控制器的控制按鈕等加以顯示。5 . PID控制器控制作用輸出子程序:口施1|1-UP1-H將PID控制器的控制作用轉換成執(zhí)行機構所能接受的電壓信號輸 出。Lab VIEW用PID工具中包括用于Lab VIEW環(huán)境中開發(fā)控制系統(tǒng)的各種函數(shù)。 為了適應工程實際使用中的需要，還對式(4 1)做了必要的修正，并為用戶提供 接口，以便根據現(xiàn)場情況配置參數(shù)。應

18、用LabVIEW提供的功能軟件實現(xiàn)PID控制功能的程序的前面板如圖(4-10) 所示，流程圖如(4-11)所示。DtTi ce Input ChannelOutpnt Devihif pul ChannelVpvei: Llit1 0. QQOLower Lisi tSt Point圖4-10 PID 控制程序前面板 4.3程序的仿真試驗為驗證程序的準確性，在進行仿真時選擇了三個對象，并利用LabVIEW提供 的實時控制模塊(RT模塊)模擬對象的傳遞函數(shù)。在進行PID控制程序仿真演示時，對原有的程序進行了如下的改動：1. 1.躍信號替代。設定值子程序：將原有程序中測量值與設定值之間的差值（即偏

19、差值）改為由單位階2. 2.模擬對象環(huán)節(jié)子程序：利用LabVIEW提供的實時才S制模塊（RT模塊）模擬對象的傳遞函數(shù)PID控制功能演示程序流程圖如圖（4-12）所示用la 9liou七國舒言一 一之二!?I口CLL7IJasyE訴-WE 才 ilr ip 三工 55na匚一 產，：f工京二Erlg1BylBeLnill困制堤長蛙世利是烈ad -7i 4.3.1 真演示實例一在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為:郎=101+1冬(4-14)這是一個一階慣性環(huán)節(jié)，當 PID參數(shù)整定為：6 =22% 刀=15s； 。=0s 時，其仿真結果如圖(4-13)所示。在仿真過程中設定值采用的是方波信號。學

20、號口 口la paN.lDunozz(EH一七小。吊!口-苗 Lls期 q.sEAno1u 一0 d 1u5鼻.1adI W宿-todu士3IYH口巴s,06l950上 m ss UDZJEELCI 七- 4.3.2 演示實例二在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為:m、101W(s) =x(l + 10s) (1 + O.ls)(4-15)這是一個二階慣性環(huán)節(jié)，當 PID參數(shù)整定為：6 =8.5%;1二3s時，其仿真結果如圖（4-14）所示。在仿真過程中設定值采用的是單位階躍信號 若比例作用增加，即PID參數(shù)整定為：6 =2.5%;4=12s； 4=3s； 若比例作用減弱，即PID參數(shù)整定為

21、：6 =17% 4=12s； =3=3s； 若積分作用減弱，即PID參數(shù)整定為：6 =8.5%;4=30s； 4=3s； 若積分作用增強，即PID參數(shù)整定為：6 =8.5%; 4=6s； ）=3s； 若微分作用增加，即PID參數(shù)整定為：6 =8.5%;4=12s； 4=16s； 若微分作用減弱，即PID參數(shù)整定為：6 =8.5%; 4=12s； T口 =1. 5s 取上述參數(shù)時其仿真結果比較如圖（4-15）所示。 4.3.3 真演示實例三在LabVIEW環(huán)境下選擇的傳遞函數(shù)為：(4-16)這是一個具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，也就是在第二章中系統(tǒng)測試軟件所選 擇的實驗對象。由自動控制理論可知，當系

22、統(tǒng)內含有純滯后環(huán)節(jié)時，可將純滯后因子。一“用有理函數(shù)來近似。我們知道一個指數(shù)函數(shù)可以用如下極限表示：(4-17)這就是說，純滯后環(huán)節(jié)可以用無窮個具有極點為也 值（Ts）的一階環(huán)節(jié)串聯(lián)起來表示。當然，為了簡化起見常用近似公式，例如近似取n=3時則:（4-18）即用三個一階環(huán)節(jié)串聯(lián)來近似。對于式（4-17）的表示形式，n取得愈大則愈 精確地近似理想值，但增加了分析計算時的復雜性。指數(shù)函數(shù)的另一個近似公式是用馬克勞林展開式，它由式（4-19）表示：+ TS +(4-19)在計算時，可以取前面幾項。如取一項則可寫成:W(s)=忌 Y 他1 + 7s (1 + 笈)。+奴) (4-20)同理，也可以將式

23、(4-16)近似表示為：如八 0.7212 .打.0.72121+灰。+脫(l + 3s)(4-21)若比例作用增加，即PID參數(shù)整定為：6=2%：=360s；二二90s；若比例作用減弱，即PID參數(shù)整定為：=50%l=360s；二二90s；若積分作用減弱，即PID參數(shù)整定為：=23%=720s；二二90s；若積分作用增加，即PID參數(shù)整定為：=23%l=180s；二二90s；若微分作用增加，即PID參數(shù)整定為：=23%j=360s；二二180s；若微分作用減弱，即PID參數(shù)整定為：6=23%l=360s；二二40s；取上述參數(shù)時其仿真結果比較如圖(4-17)5。當PID參數(shù)整定為:6=23%

24、 =360s； )=90s時，其仿真結果如圖(4-16)所示。在仿真過程中設定值采用的是單位階躍信號曜堤WS蚌已擔恒生113i1=120=3P-8,5 1=12 D=1.5b)調節(jié)器輸出曲線圖4-15取不同控制參數(shù)時二階慣性環(huán)節(jié)仿真結果的比較150.0-100.0-0.0-100,o-1-150.0-Set Point(what youwant5150.0-100.0-o.o-100.0-150.0-具有施滯后的一階慣性環(huán)節(jié)仿真結果ProcessVariable(what youare getting)NormalizedPLD OutputFor more informationselect

25、 Show “I Inf。from the Windows menu.(ms)2Q 305QUARE Set Point Type Loop DelaySystem Type2nd ORDER Upper Limitj|23,OOQ機汨.0 001SUo.OOQ | Lower Limit11 實用標準文檔文案大全口|鶴飛RRa) 對象響應曲線b)調節(jié)器輸出曲線圖4-17取不同控制參數(shù)時具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)仿真結果的比較4.3.4仿真結果分析19眸1 .基本控制規(guī)律對過渡過程的影響用控制規(guī)律就是控制器接受了輸入的偏差信號后，控制器的輸出隨輸入變化的規(guī)律，在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中最基本的控制規(guī)律

26、有：比例控制、積分控制、微分 控制。比例控制規(guī)律：比例控制規(guī)律是控制器輸出的變化量與被控參數(shù)的偏差值成比例的關系，用P表示。工業(yè)上所用的控制器，都用比例度6 （也稱比例帶）來表示比例控制 作用的強弱。比例度可以用下式來表示：X100%(4-22)式中 e控制器輸入變化量（即偏差）；P-控制器的輸出變化量；sk X向儀表的量程；4K 器控制器輸出的工作范圍。比例度就是使控制器輸出變化全范圍時，輸入偏差改變了滿量程的百分數(shù)。 當儀表的量程和控制器輸出的工作范圍相等時，比例度就和儀表的放大倍數(shù)Kc互為倒數(shù)關系，即：s=Lioo%跖（4-23）比例控制規(guī)律就是控制器的輸出與輸入成比例關系，只要控制器有

27、偏差輸 入，其輸出立即按比例度變化，因此比例控制作用及時迅速；但只是具有比例控 制規(guī)律的控制系統(tǒng)，當被控參數(shù)受干擾影響而偏離給定值后，控制器的輸出必定 改變，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，由于比例關系，被控參數(shù)就不可能回到原先數(shù)值上，即存 在殘余偏差一余差。余差是比例控制器應用方面的一個缺點，在控制器的輸出變化量相同的情況 下，比例度6越?。碖p越大），余差越小。但是若比例度過分減小，系統(tǒng)容易 振蕩。比例度對控制過程的影響如圖（4-18）所示。由圖中可以看出，比例度越大， 過渡過程曲線越平穩(wěn)，但余差也越大。比例度越小，則過渡過程曲線越振蕩。Vo6小干臨界值x圖4-18比例度對過渡過程的影響(1) (1)積分

28、控制規(guī)律：積分控制規(guī)律是控制器的輸出變化與輸入偏差的積分成比例關系，常用 I 表示。由于積分作用是偏差對時間的積分，因此積分作用的輸出與時間的長短有 關。在一定偏差作用下，積分作用的輸出隨時間的延長而增加， 因此積分作用有 “慢慢來”的特點。由于這一特點，調節(jié)不及時，使被調參數(shù)的超調量增加，操 作周期和回復時間增長，這些對控制是不利的。因此積分作用往往與比例作用一 起使用。當然若積分時間Ti減小些，被調參數(shù)的過渡過程會有所改善，但是 Ti 過小，將會導致系統(tǒng)激烈的振蕩；也是由于這一特點，對一個很小的偏差，雖然 在很短的時間內，積分作用的輸出變化很小，還不足以消除偏差，然而經過相當 長的時間后，積分作用的輸出總可以增大到足以消除偏差的程度。因此積分作用 具有消除余差的能力。圖(4-19)是表示在同樣的比例度下積分時間對過渡過程的影響。 由圖可以看 出，積分時間過大，積分作用不明顯，余差消除很慢(見曲線 3);積分時間過 小，過渡過程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低(見