虚拟PID调节器Word格式.docx
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生产过程自动化
班级：
计控0921
是否隶属科研项目：
否
1、设计（论文）的主要任务及目标
毕业设计/论文是本专业教学计划中重要的、最后的一个综合性的教学环节，其主要任务及目标是：
培养和提高学生综合运用所学的专业基础知识、专业理论知识和专业基本技能来分析、解决实际问题以及动手操作的能力，也使学生在思想作风、学习毅力和工作作风上受到一次良好的锻炼。
PID调节器是构成自动系统的重要环节，其调节质量影响系统的控制品质。
由于模拟的调节器采用定位器旋钮调P、I、D参数，存在不直观和调节不准确的缺点。
虚拟仪器也是当前仪器发展的趋势之一，甚至很多人提出“软件就是仪器”的概念。
本次设设计的虚拟的PID调节器，采用图形化编程，人机界面形象和直观，操作方便，并用PID对一阶二阶系统控制效果进行仿真，采用NI公司的LabVIEW语言开发设计。
2、设计（论文）的主要内容
（1）查阅文献了解PID的规律及（位置型、增量型等）数字化形式。
（2）了解虚拟仪器技术的发展趋势及虚拟仪器的结构，熟练掌握虚拟仪器技术开发语言LabVIEW。
（3）能运用LabVIEW中的控件设计PID调节器界面，界面功能主要包括：
●PID参数设置旋钮，设定和测量值指示
●编程实现PID控制并显示输出。
●对一阶系统和二阶系统对象进行控制仿真。
●利用数据处理功能自动计算品质指标：
超调、余差、衰减比、调节时间、
3、设计（论文）的基本要求
⑴正确理解设计的目的和要求，掌握课题设计的一般程序。
⑵掌握LabVIVEW的基本使用方法。
掌握软件实现技术及系统调试方法。
⑶了解PID控制规律及设计方法。
⑷具有运用系统分析、计算和系统设计（论文）的能力。
⑸具有收集参考资料加以消化、归纳的能力。
⑹具有调研、收集、查阅资料、分析判断确定设计/论文方案的能力。
⑺具有归纳、整理技术资料，撰写技术文件的能力。
（8）具有阐述论证设计/论文成果及其技术答辩的能力。
4、主要参考文献
（1）《LabVIEW高级程序设计》，杨乐平等主编，清华大学出版社；
5、进度安排
设计（论文）各阶段任务
起至日期
1
查阅文献，了解PID规律、数字形式及发展应用
0.5周
2
阅读了解虚拟仪器的发展趋势、结构及特点
3
练习并掌握LabVIEW语言的编程思想和方法
1周
4
利用LabVIEW来实现PID控制
3周
5
相应软件编程
6
相应软件调试
7
撰写设计说明书
2周
8
装订及答辩准备
9
答辩
合计
8周
注：
1、此表一式三份，系部、指导教师、学生各一份。
2、类别是指毕业论文或毕业设计，类型指应用型、理论研究型和其他
目录
摘要7
第一章绪论8
1.1课题来源及PID控制简介8
1.1.1课题的来源和意义8
1.1.2PID控制简介8
1.2国内外研究现状10
第二章控制系统及PID调节计算12
2.1控制系统构成12
2.2PID控制12
2.2.1比例、积分、微分13
2.3.1位置式PID控制算式16
2.3.2增量式PID控制算式16
第三章虚拟仪器及LabVIEW的简介18
3.1虚拟仪器技术背景介绍18
3.1.1虚拟仪器的介绍18
3.1.2虚拟仪器系统的软硬件结构18
3.1.3虚拟仪器的发展趋势19
3.2LabVIEW的简介20
3.2.1系统软件LabVIEW8.620
3.2.2LabVIEW的特点21
3.2.3LabVIEW的运行流程图22
第四章一种基于LabVIEW的PID控制器设计的方法24
4.1PID控制原理24
4.2PID控制器设计的LabVIEW实现方法25
4.2.1LabVIEW程序设计25
4.2.2控制器设计27
参考文献28
致谢29
摘要
PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。
PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器（至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%）。
在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的LabVIEW。
LabVIEW作为一款可以用计算机模拟生产过程的虚拟软件，可以帮助我们更好的实现生产过程自动化。
基于PID调节的自动控制系统，完全可以在LabVIEW上完整的实现。
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:
利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理:
利用工/0接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。
虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。
虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。
增加了学生的自主动手学习的能力。
论文关键字：
PID；
LabVIEW；
控制
第一章绪论
1.1课题来源及PID控制简介
1.1.1课题的来源和意义
任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以有很多种数学形式来描述它，如微分方程、传递函数、状态空间方程等。
但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果，比如快速性稳定性准确性等。
为了达到最佳的控制效果，我们在闭环系统的中间加入PID调节器并通过调整PID参数来改造系统的结构特性，使其达到理想的控制效果
在工业控制中人们经常采用PID调节器。
但是在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程控制时，效果不是很理想，虚拟仪器技术通过软件系统将现代计算机强大的运算和处理能力与硬件的测量技术有机的融合在一起，通过简单的硬件可以快速灵活的搭建各种测量系统。
现代测量技术的发展要求有功能更强大，应用更灵活的测量仪器，因此，虚拟仪器代表了电子测量仪器的发展方向。
本课题充分利用了虚拟仪器性能高。
扩展性强。
开发时间少和无缝集成等特点，采用LabVIEW设计开发了实用的PID参数自整定调节器。
1.1.2PID控制简介
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分：
测量、比较和执行。
测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统，PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为公式（1-1）
公式（1-1）
因此它的传递函数为公式（1-2）
公式（1-2）
比例调节作用：
是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用：
是使系统消除稳态误差,提高无差度。
因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。
反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用：
微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。
因此,可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。
此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。
微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，
Ki和Kd）即可。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。
虽然很多控制过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子，在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。
现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：
如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。
另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。
因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
但仍不可否认PID也有其固有的缺点：
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。
最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
1.2国内外研究现状
PID控制中最重要的是对其参数的控制，所以当今国内外PID控制技术的研究主要是围绕如何对其参数整定进行的。
自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定.根据发展阶段的划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法；
按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；
按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。
Astrom在1988年美国控制会议（ACC）上作的《面向智能控制》［2］的大会报告概述了结合于新一代工业控制器中的两种控制思想——自整定和自适应，为智能PID控制的发展奠定了基础。
他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化，在文［3］中继续阐述了这种思想,认为自整定调节器包含从实验中提取过程动态特性的方法及控制设计方法，并可能决定何时使用PI或PID控制，即自整定调节器应具有推理能力。
自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究变得日益重要。
目前，在众多的整定方法中，主要有两种方法在实际工业过程中应用较好，一种是由福克斯波罗（Foxboro）公司推出的基于模式识别的参数整定方法（基于规则），另一种是基于继电反馈的参数整定方法（基于模型）.前者主要应用于Foxboro的单回路EXACT控制器及其分散控制系统I/ASeries的PIDE功能块，其原理基于Bristol在模式识别方面的早期工作［11］。
后者的应用实例较多，这类控制器现在包括自整定、增益计划设定及反馈和前馈增益的连续自适应等功能.这些技术极大地简化了PID控制器的使用，显着改进了它的性能，它们被统称为自适应智能控制技术。
自适应技术中最主要的是自整定。
按工作机理划分，自整定方法能被分为两类：
基于模型的自整定方法和基于规则的自整定方法。
在基于模型的自整定方法中，可以通过暂态响应实验、参数估计及频率响应实验来获得过程模型。
在基于规则的自整定方法中，不用获得过程实验模型，整定基于类似有经验的操作者手动整定的规则。
为了满足不同系统的要求，针对多变量和非线形的系统还分别采用了多变量PID参数整定方法和非线性PID参数整定方法。
PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略.有许多不同的方法以确定合适的控制器参数.这些方法区分于复杂性、灵活性及使用的过程知识量。
一个好的整定方法应该基于合理地考虑以下特性的折衷：
负载干扰衰减，测量噪声效果，过程变化的鲁棒性，设定值变化的响应，所需模型，计算要求等.我们需要简单、直观、易用的方法，它们需要较少的信息，并能够给出合适的性能。
我们也需要那些尽管需要更多的信息及计算量，但能给出较好性能的较复杂的方法。
从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点。
①对于单输入单输出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。
②对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显着耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。
③智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；
结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；
将预测控制、模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID控制发展的极有前途的方向。
第二章控制系统及PID调节计算
2.1控制系统构成
对控制对象的工作状态能进行自动控制的系统称为自动控制系统，一般由控制器与控制对象组成，控制方式可分为连续控制与反馈控制，即一般所称，开回路与闭回路控制。
连续控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响，也就是说，控制端与控制对象为单向作用，这样的系统亦称开回路系统。
反馈控制是指将所要求的设定值与系统的输出值做比较，求其偏差量，利用这偏差量将系统输出值使其与设定值调为一致。
反馈控制系统方块图一般如图2-1所示：
图2-1反馈控制系统方块图
2.2PID控制
将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较，用输出信号源（2-10v或4-20mA）去控制最终控制组件。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的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。
即当我们不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的参数的时候，便最适合用PID控制技术。
2.2.1比例、积分、微分
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
比例
图2-2比例电路
公式（2-1）
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它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。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
积分器
图2-3积分电路
公式（2-2）
图2-4微分电路
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后（delay）的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。
所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分（PD）的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
微分器
公式（2-3）
实际中也有PI和PD控制器。
PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中如公式（2-4）和（2-5）:
u（t）=Kp（e（t）+Td
+
）公式（2-4）
U（s）=[
+
]E（s）公式（2-5）
公式中U（s）和E（s）分别为u（t）和e（t）的拉氏变换，
，
，其中
、
分别为控制器的比例、积分、微分系数
2.3数字PID控制算式
PID控制就是确定一个被控制系统的输出量（Y（t）），驱动过程变量接近设定值，其中被控制的系统参数叫做过程变量（PV—ProcessVariable），将被控制的过程变量指定的理想值叫做设定值（R（t））。
理论上模拟PID控制器的理想算式为：
公式（2-6）
基于虚拟仪器的PID控制是一种采样控制，智能根据采样是的偏差值计算控制量，因此式（2-6）中的积分和微分项不能准确计算，智能用数值计算的方法逼近，称为数字PID控制算式。
数字PID控制算式同城又分为位置式PID控制算式和增量式PID控制算式。
2.3.1位置式PID控制算式
在采样时刻t=KT（T为采样周期），为了便于计算机实现PID控制，把微分方程式
（1）改写成差分方程，即：
公式（2-7）
公式（2-8）
式中，T为控制周期，为控制周期序号；
e（n-1）,e（n）分别为第一（n-1）,（n）个控制周期所得的偏差。
将公式（6）和（7）带入公式
（1）可得位置PID表达式：
（2-9）
如果采样周期T取的足够小，这种逼近相当准确，缺点是由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e进行累加，计算机运算量大。
图2-5位置式PID控制系统框图
2.3.2增量式PID控制算式
增量式PID控制算式是指数字控制器的输出只是控制器的增量Au（K）。
根据递推原理可得：
公式（2-9）
用式（5）减去（6）可得：
如下公式（2-10）
可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定Kp,Ti，Td,只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式（10）求出控制增量。
图2-6位置式PID控制系统框图
第三章虚拟仪器及LabVIEW的简介
3.1虚拟仪器技术背景介绍
3.1.1虚拟仪器的介绍
所谓的虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能有用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；
利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；
利用I/O接口设备完成信号的采集、测试和调试，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
使用者用鼠标或者键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。
因此，虚拟仪器的出现，是测量仪器与计算机的界限模糊了。
与其他实验技术相比较，虚拟仪器具有3大优点：
1智能化程度高，处理能力强。
虚拟仪器的处理能力和智能化程度取决于仪器的软件水平。
用户完全可以根据实际应用的需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器的设计与集成，从而将智能仪器的水平提高到一个新的层次。
2复用性强，系统费用低。
应用虚拟仪器思想，用相同的剧本硬件可以构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采集器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计算器等舵主仪器。
这样形成的测试仪器系统功能灵活、系统费用更低。
通过与计算机网络的连接，还可以实现虚拟仪器的分布式共享，更好的发挥仪器的使用价值。
3可操作性强。
虚拟仪器面板可由用户自己定义，针对不用应用可以设计不同的操作显示界面。
使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解。
测试结果可以直接进入数据库或者通过网络发送。
测试完后还可以打印，显示所需要的报表或者曲线，这些都使得仪器的网可操作性大大的提高。
3.1.2虚拟仪器系统的软硬件结构
按照系统中各部分之间的依赖关系，可以把一套虚拟仪器系统划分成几个层次，如下图所示。
最笼统的划分方式是把虚拟仪器系统划分为软件部分和硬件部分。
图3-1虚拟仪器系统的层次结构
3.1.3虚拟仪器的发展趋势
随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：
（1）外挂式虚拟仪器
PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信
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