PID算法的LabVIEW的实现.docx

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PID算法的LabVIEW的实现

第三章PID算法的LabVIEW的实现

3.1增量型PID控制器程序实现

LabVIEW的PID工具包中实现位置型PID算法具体如下：

误差：

3-

（1）

比例环节：

3-

（2）

积分环节：

3-（3）

微分环节：

3-（4）

sp—设定点即被控过程变量指定的理想值，pv—过程变量即被控制的系统参数。

由于sp的值可能随时改变，为了避免sp突变造成的影响，微分环节采用对pv的偏微分，而不是一般用到的误差的偏微分。

将式（4）的微分部分作如下变形：

3-（5）

得到增量型PID算法的输出表达式为：

3-（6）

3-（7）

所得流程图如图所示

3.2程序说明

1.数据采集子程序

2.滤波子程序

3.PID控制子程序

子程序包括偏差计算、位置PID算式计算、抗积分饱和措施等。

4.显示子程序

将PID控制子程序中确定的PID控制曲线、设定值曲线、被控对象相应曲线及虚拟的PID控制器的控制按钮等加以显示。

5.PID控制区控制作用输出子程序

将PID控制器的控制作用转换成执行机构所能接受的电压信号输出。

LabVIEW中PID工具中包括用于LabVIEW环境中开发控制系统的各种函数。

为了适应工程实际使用中的需要，还对式1-

（1）做了次要的修正，并未用户提供接口，一边根据现场情况配置参数。

应用LabVIEW提供的功能软件实现PID控制功能的程序的前面板如图3.2所示，流程图如图3.3所示。

图3.2PID控制程序前面板

3.2程序的仿真试验

为验证程序的准确性，在进行仿真时选择了三个对象，并利用LabVIEW提供的实时控制模块（RT模块）模拟对象的传递函数。

图3.3PID控制程序流程图

3.2.1仿真演示实例一

在LabVIEW环境下选择的传递函数为：

3-（8）

这是一个一阶惯性环节，当PID参数整定为：

=22%；TI=15s;TD=0s时，其仿真结果如图3.4所示。

在仿真过程中设定值采用的是方波信号。

图3.4一阶惯性环节仿真结果

3.2.2仿真演示实例二

在LabVIEW环境下选择的传递函数为：

3-（9）

这是一个二阶惯性环节，当PID参数整定为：

=8.5%；TI=12s；TD=3s时，其仿真结果如图3.5所示。

在仿真过程中设定值采用的是单位阶跃信号。

若比例作用增加，即PID参数整定为：

=2.5%；TI=12s；TD=3s;

若比例作用减弱，即PID参数整定为：

=17%；TI=12s；TD=3s；

若积分作用减弱，即PID参数整定为：

=8.5%；TI=30s；TD=3s；

若积分作用增强，即PID参数整定为：

=8.5%；TI=6s；TD=3s；

若微分作用增强，即PID参数整定为：

=8.5%；TI=12s；TD=6s；

若微分作用减弱，即PID参数整定为：

=8.5%；TI=12s；TD=1.5s；

取上述参数是其仿真结果比较如图3.6所示。

图3.5二阶惯性环节仿真结果

a）对象响应曲线

b）调节器输出曲线

图3.6取不同参数时二阶惯性环节仿真结果的比较

3.2.3仿真结果分析

1.基本控制规律对过渡过程的影响

控制规律就是控制器接受了输入的偏差信号后，控制器的输出随输出随输入变化的规律，在工业自动控制系统中最基本的控制规律有：

比例控制、积分控制、微分控制。

（1）比例控制规律：

比例控制规律是控制器输出的变化量与被控参数的偏差值成比例的关系，常用P表示。

工业上所用的控制器，都用比例度（也称比例带）来表示比例控制作用的强弱。

比例度可以用下式来表示：

3-（10）

式中e————控制器输入变化量（即偏差）；

P————控制器的输出变化量；

Xmax——Xmin————仪表的量程；

Pmax——Pmin————控制器输出的工作范围。

比例度就是使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了满量程的百分数。

当仪表的量程和控制器输出的工作范围相等时，比例度就和仪表的放大倍数Kc互为倒数关系，即：

3-（10）

比例控制规律就是控制器的输出与输入成比例关系，只要控制器有偏差输入，其输出立即按比例度变化，因此比例控制作用及时迅速；但只是具有比例控制规律的控制系统，当被控参数受干扰影响而偏离给定值后，控制器的输出必定改变，在系统稳定后，由于比例关系，被控参数就不可能回到原先数值上，即存在残余偏差一余差。

余差是比例控制器应用方面的一个缺点，在控制器的输出变化量相同的情况下，比例度越小（即Kp越大），余差越小。

但是若比例度过分减小，系统容易振荡。

比例度对控制过程的影响如图3.9所示。

由图中可以看出，比例度越大，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。

比例度越小，则过渡过程曲线越振荡。

图3.9比例度对过渡过程的影响

（1）积分控制规律

积分控制规律是控制器的输出变化与输入偏差的积分成比例关系，常用I表示口由于积分作用是偏差对时问的积分，因此积分作用的输出与时间的长短有关。

在一定偏差作用下，积分作用的输出随时问的延长而增加，因此积分作用有“慢慢来”的特点口由于这一特点，调节不及时，使被调参数的超调量增加，操作周期和回复时问增长，这些对控制是不利的.因此积分作用往往与比例作用一起使用。

当然若积分时问Ti减小些，被调参数的过渡过程会有所改善，但是Ti过小，将会导致系统激烈的振荡;也是由于这一特点，对一个很小的偏差，虽然在很短的时间内，积分作用的输出变化很小，还不足以消除偏差，然而经过相当长的时间后，积分作用的输出总可以增大到足以消除偏差的程度。

因此积分作用具有消除余差的能力。

图3.10是表示在同样的比例度下积分时间对过渡过程的影响。

由图可以看出，积分时间过大，积分作用不明显，余差消除很慢〔见曲线3）；积分时间过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低（见曲线1）。

图3.10积分时间对过渡过程的影响

（2）微分控制规律

微分控制规律是控制器的输出与偏差变化的速度成正比，常用D表示。

由于微分作用的输出与偏差变化的速度成正比，因此对于一个幅度很小，甚至为零的偏差，若变化速度很快，微分作用的输出可以很大。

这种根据偏差变化的趋势，提前采取控制措施，是微分作用的特点，称为超前。

由于微分作用具有超前的特点，因此微分作用用的恰当，被控参数的超调量减小，操作周期和回复时问缩短，系统的质量可得到全面提高。

特别对滞后较大的对象效果更加显著。

微分时间Td越长，微分作用越强;但微分时间过长时，容易引起系统的不良振荡。

微分时间对过渡过程的影响如图3.11所示.由图可以看出，微分作用具有抑制振荡的效果。

在同一个控制系统中，增加适当的微分作用后可以提高系统的稳定性，减少被控参数的波动幅度。

但是微分作用也不能加得过大，否则由于控制作用过强，不仅不能提高系统稳定性，反而会引起被控参数大幅度的振荡。

图3.11微分时间对过渡过程的影响

2.仿真结果分析

由图3.6仿真结果显示：

（1）因比例作用增加，过渡过程曲线振荡次数增加，过渡过程时问也相应延长；若比例作用减弱，过渡过程曲线相应较平稳。

（2）因积分作用减弱，则在过渡过程曲线上显示出积分作用不明显，余差消除较慢，过渡过程时间延长:

若积分作用增强，容易消除余差，可使过渡过程时间适当缩短口。

（3）因微分作用增加，过渡过程振荡幅度也有所增大；若微分作用减弱，

由过渡过程曲线可见，系统的平稳度有所提高，过渡过程时间有所减少。

由图3.8仿真结果显示:

（1）比例作用对系统性能的影响与图3.6的结果一样。

（2）积分作用减弱，过渡过程时间延长;若将积分作用增强，容易消除余差，使过渡过程时问相应有所减少。

（3）微分作用增加，控制器的输出信号变化明显增加，说明执行机构动作频繁，过渡过程振荡幅度也有所增大；将微分作用减弱，系统的平稳度有所提高。

综合观察、分析图3.6和图3.8所示的系统过渡过程响应曲线，由基本制规律对过渡过程的影响可知，应用LabVIEW所实现的虚拟控制器，基本具有模拟控制器的控制功能，能够完成对一阶惯性系统、二阶惯性系统的控制功能。