[Labview经验]

基于NI DAQ和LabVIEW的PID控制系统

2019-5-14 09:40:11 2351 PID DAQ

0 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(Proportional Integral Derivative比例微分积分)控制是控制工程中技术成熟，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)=Kpε(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 ∫_0^t▒〖ε(t)dt〗，所以PI控制器的输出有： u(t)=K_p (ε(t)+1/T_i ∫_0^t▒ε(t)dt) =K_p ε(t)+K_p/T_i ∫_0^t▒ε(t)dt=K_p ε(t)+K_i ∫_0^t▒ε(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 ε(t)，所以PD控制器的输出有： u(t)=K_p (ε(t)+T_d d/d_t ε(t) )=K_p ε(t)+K_p T_d d/d_t ε =K_p ε(t)+K_d d/d_t ε(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 (ε(t)+1/T_i ∫_0^t▒〖ε(t)dt+T_d d/d_t ε(t) 〗) =K_p ε(t)+K_p/T_i ∫_0^t▒〖ε(t)dt+K_p T_d d/d_t ε(t) 〗 =K_p ε(t)+K_i ∫_0^t▒ε(t)dt+K_d d/d_t ε(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）。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 gains），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 Autotuning.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/Lag.vi可以对PID控制器前端由系统反馈来的输入信号做动态补偿。PID Setpoint Profile.vi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 Gains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。 PID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。 1
2019-5-14 09:40:11　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 基于LabVIEW的模糊PID控制系统设计与实现 9179 • 基于labVIEW的远程PID电机控制系统 7242 • 基于NI LabVIEW平台实现液位控制系统的设计 5745 • 基于LabVIEW的直流伺服电机模糊PID控制系统 146 • 基于LabVIEW的低速风洞风速量化PID控制系统设计 29 • 基于LabVIEW NI SoftMotion的运动控制系统结构及原理应用 14134 • 如何使用LabVIEW和NI myRIO实现PID控制器 10666 • 基于PID的控制系统仿真设计 0 • 模糊PID控制系统 1 • National Instruments (NI) DAQ( 21