【正文】 面圖 。 在這里引入一個(gè)二階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)： 4 7 6 .1 9 0 5() ( 1 2 .5 2 3 8 )pGs ss? ? （ 51） 它的性能要求是上升時(shí)間 rt ，最大超調(diào)量 %p? 35%，調(diào)節(jié)時(shí)間 st 1s。 2） 減小比例增益， pK = 時(shí)， 43 圖 pK = 此時(shí)，上升時(shí)間 rt =，最大超調(diào)量 %p? =%，調(diào)節(jié)時(shí)間 st =。 控制器的設(shè)計(jì) 快速整定法 41 其程序框圖包含 并聯(lián)型 PID控制器和被控對(duì)象模型兩個(gè)基本部分，通過(guò)串聯(lián)和反饋將其組成 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。 構(gòu)造離散傳遞函數(shù)模型 在實(shí)際的控制系統(tǒng)當(dāng)中，尤其是現(xiàn)在發(fā)展迅猛的數(shù)字控制系統(tǒng)當(dāng)中，有很多都是非連續(xù)的模型，這就有必要通過(guò)采樣來(lái)構(gòu)造離散模型。具體有： Model Construction， Model Conversion， Model Interconnection， Model Reduction， 33 Time Response， Frequency Response， Dynamic Characteristics， StateSpace Model Analysis，State Feedback Design。 3) 與臨界比例度法一樣，根據(jù) T? 和 pK 的值，利用臨界比例度的經(jīng)驗(yàn)公式，求出控 制器各整定參數(shù)。這里介紹繼電型自整定方法。這時(shí)可以測(cè)取從干擾開始直到第一個(gè)波峰的上升時(shí)間 rT 以及滿足 10:1衰減的比例 系數(shù) 39。 表 42 反應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計(jì)算（ 4:1衰減比） 控制規(guī)律 比例度 1/K 積分時(shí)間 iT 微分時(shí)間 dT P oK ( / )T? PI oK ( / )T? ? PD oK ( / )T? ()? PID oK ( / )T? ? ? 使用反應(yīng)曲線法理論上非常簡(jiǎn)便，只要知道過(guò)程對(duì)象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算 得PID控制器的三個(gè)參數(shù)，但具體操作起來(lái)卻難以精確確定最大斜率處；其次，反應(yīng)曲線法要求測(cè)定廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于有些不允許被控量長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)定值的實(shí)際系統(tǒng)要測(cè)定對(duì)象特性就有困難，況且，有些系統(tǒng)的干擾因素較多而且干擾頻繁，也會(huì)使測(cè)出的對(duì)象特性不準(zhǔn)確，從而不能獲得令人滿意的整定結(jié)果。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)； 理想曲線兩個(gè)波，前高后低 4 比 1；一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。如果設(shè)計(jì)方案不合理、系統(tǒng)儀器選擇或安裝不當(dāng)、被控對(duì)象特性不好等，要想通過(guò)控制器的參數(shù)整定來(lái)提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量也是很難達(dá)到目標(biāo)的。 無(wú)論是比例（ P）控制、比例積分（ PI）控制還是比例微分（ PD）控制，都有一定的缺陷， 為揚(yáng)長(zhǎng)避短，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用 PID 綜合控制。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti越小 ， 積分作用就越強(qiáng) ， 反之 Ti大則積分 作用弱 。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate Error）。 PID 控制基本可以由以下的傳遞函數(shù)表示： 1( ) (1 )cdiG s K T sTs? ? ? (41) 其中 cK 為比例增益， iT 為積分時(shí)間， dT 為微分時(shí)間。它所具有的控制作用決定了控制系統(tǒng)的控制功能。因此，實(shí)際上要完全滿足上式的理想環(huán)節(jié)是不可能的。因此，使得振蕩環(huán)節(jié)的輸出帶有振蕩性質(zhì)。我們將這六種典型環(huán)節(jié)分別稱作： 比例環(huán)節(jié) ()Gs K? 積分環(huán)節(jié) 1()Gs Ts? 微分環(huán)節(jié) ()Gs s?? 慣性環(huán)節(jié) 1() 1Gs Ts? ? 振蕩環(huán)節(jié) 22 2 2 21() 2 1 2 n nnGs T s T s s s?? ? ? ???? ? ? ? 延遲環(huán)節(jié) () sG s e ??? 接下來(lái)會(huì)對(duì)這六種典型環(huán)節(jié)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)電路理論得 )()(1)()( tRidttiCdt tdiLtu r ? ??? 19 而 ?? dttiCtuc )(1)( 式中 ()it 為網(wǎng)絡(luò)電流，是除輸入量、輸出量之外的中間變量。另一種方法是實(shí)驗(yàn)辯識(shí)法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理編寫。 )(1 sG )(2 sG)( sH)( sC)( sR)( sB)( sE 圖 31 典型控制系統(tǒng)方框圖 傳遞函數(shù)表達(dá)式 研究一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，除了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析外，還必須進(jìn)行定量分析，進(jìn)而探討改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的具體方法。 圖 28 PID Advanced(DBL)子 VI 前面板 15 圖 29 PID Advanced(DBL)子 VI 程序框圖 圖 210 Plant Simulator 子 VI 前面板 16 圖 211 Plant Simulator 子 VI 程序框圖 這兩個(gè)子 VI 程序又各自調(diào)用了自己的子 VI 程序，這里就不再列出。 13 圖 25 流程圖編輯窗口及功能模板 此外，還有一個(gè)工具模板（ Tool palette）。 “ Help?”按鈕提供了詳細(xì)的使用指南，是最好的工具書，并且提供了大量的實(shí)例給用戶參考。這些子儀器能實(shí)現(xiàn)一些基本的信號(hào)處理功能，具有普遍性。 虛擬儀器實(shí)例 采樣 LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基于 PCDAQ的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 22所 示。 （ 7）信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次硬件處理都會(huì)引起誤差；由于虛擬儀器減少了硬件的使用，因而減少了測(cè)量誤差。傳統(tǒng)儀器是將這三部分放在一個(gè)儀表機(jī)箱內(nèi)，而虛擬儀器則是 一種功 能意義上的儀器，是具有儀器功能的軟硬件組合，它并不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式。 第六章，利用仿真工具包進(jìn)行 了綜合設(shè)計(jì) ，重點(diǎn)是離 線和 在 線的自整定設(shè)計(jì)。本研究主要是利用 LabVIEW及其控制設(shè)計(jì)包和仿真模塊建立受控對(duì)象模型，并分析其開環(huán)動(dòng)態(tài)特性，然后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真。 6 在自動(dòng)控制領(lǐng)域，隨著控制原理迅速的發(fā)展，受控對(duì)象和系統(tǒng)的復(fù)雜化，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制的精度要求越來(lái)越高，控制算法越來(lái)越復(fù)雜，控制器的設(shè)計(jì)也越來(lái)越困難，這就需要借助計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ ComputerAid Control System Design，縮寫為 CACSD）。首先介紹了 LabVIEW 的使用，然后研究了受控對(duì)象的數(shù)學(xué)建模與分析，并研究了控制器的設(shè)計(jì)和 PID 控制器參數(shù)自整定的方法，最后對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，包括離線和在線仿真。 而 虛擬儀器（ Virtual Instrument， 簡(jiǎn)稱 VI） 則可以 由用戶定義， 用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件儀器， 徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無(wú)法改變的局面，引起 了 儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。 Afterwards, discuss designing the controller, the emphasis is the method of tuning the PID controller ’ s parameters。 本文就是利用 LabVIEW及控制設(shè)計(jì)包和仿真模塊實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和仿真，以此為自動(dòng)控制的學(xué)習(xí)者提供一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，筆者認(rèn)為這不失為一個(gè)有益的嘗試。 第二章，簡(jiǎn)單概述了虛擬儀器及其開發(fā)軟件 LabVIEW的基本概念并簡(jiǎn)單介紹了 LabVIEW的程序設(shè)計(jì)方法。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模塊來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù) 據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用 I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 （ 2）傳統(tǒng)儀器與其它儀器設(shè)備的連接受限制；而虛擬儀器則是面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其它應(yīng)用連接。 虛擬儀器的功能 任何一臺(tái)儀器或系統(tǒng)都可以概括為由三大功能模塊組成：信號(hào)的采集（包括傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路）、數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的輸出與表達(dá)，虛擬儀器也不例外。 LabVIEW 程序被稱為虛擬儀器（ VIs），是因?yàn)?用 LabVIEW 設(shè)計(jì)的虛擬儀器可脫離LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶最終看到的是 和實(shí)際硬件儀器相似的操作面板。 LabVIEW 入門 啟動(dòng)界面介紹 以 版本為例，進(jìn)入 LabVIEW 程序后，會(huì)顯示如圖 23 所示的界面，該對(duì)話框有用于操作的四個(gè)基本按鈕。 下面以一個(gè)空白的開發(fā)環(huán)境為例介紹前面板和程序框圖，以及取用模板和控件的方法。 圖 26 液位控制仿真前面板 14 圖 27 液位控制仿真流程圖 從示例可以看出，前面板可以用來(lái)顯示和操作，相當(dāng)于人機(jī)界面，流程圖則是后臺(tái)程序。一個(gè)控制系統(tǒng)的基本組成部分有控制目標(biāo)、控制系統(tǒng)元件、結(jié)果或輸出。 所謂傳遞函數(shù)，即線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換 ()Cs與輸入量的拉氏變換 ()Rs 之比。 一般情況下，應(yīng)將微分方程寫成標(biāo)準(zhǔn)形式，即與輸入量有關(guān)的項(xiàng)寫在方程的右端，與輸出量有關(guān)的項(xiàng)寫在方程的左端，方程兩端變量的導(dǎo)項(xiàng)均按降冪形式排列。對(duì) R 、 L 、 C 合理配置后得到的電路表達(dá)式如式（ 33）所示： 6262 1 0() 4 0 0 2 1 0Gs ss?? ? ? ? （ 33） 典型環(huán)節(jié)模型 自動(dòng)控制系統(tǒng)種類很多，構(gòu)成環(huán)節(jié)的類型就其物理本質(zhì)可能差別很大。其運(yùn)動(dòng)方程式為 ( ) ( )c t K r t?? 。應(yīng)該指出，只有當(dāng)阻尼比 01???時(shí)，即特征方程 22 2 1 0T s Ts?? ? ? 具有一對(duì)復(fù)根時(shí)，環(huán)節(jié)才產(chǎn)生振蕩，稱為振蕩環(huán)節(jié)。 （六）二階微分環(huán)節(jié) 所謂二階微 分環(huán)節(jié)，其微分方程式為 222( ) ( )( ) 2 ( )d r t d r tc t r td t d t? ? ?? ? ? 傳遞函數(shù)為 22()( ) 2 1()CsG s s sRs ? ??? ? ? ? 這種環(huán)節(jié)同樣可以用兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示它的特性： ? —— 時(shí)間常數(shù)； ? —— 阻尼比。 現(xiàn)在應(yīng)用已經(jīng)成熟的控制 規(guī)律已有多種，如 PID 控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等。要合理的使用控制器必須先了解控制器的基本控制規(guī)律及其適用條件，然后根據(jù)系Ki/s 被控對(duì)象 Kp Kds 傳感器 25 統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，結(jié)合各個(gè)控制環(huán)節(jié)的特性，正確選用控制器及其參數(shù)。 在積分控 制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 綜上所述，比例積分（ PI）控制可以消除余差，但會(huì)減小系統(tǒng)穩(wěn)定性，使比例增益必須減小，從而使過(guò)渡過(guò)程變慢，動(dòng)態(tài)余差偏大。 因此， 在微分時(shí)間選擇合適情況下 ，既 可以減少超調(diào) ，又可以減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 比例積分微分控制器適用于控制對(duì)象負(fù)荷變化大、對(duì)象容量滯后大、工藝要求無(wú)余差、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。這種方法計(jì)算較繁雜，工作量大，而且由于用解析法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定法求得的對(duì)象數(shù)學(xué)模型都只能近似地反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 ，整定結(jié)果的精度往往不能令人滿意，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改，因而未 27 在工程上得到廣泛地應(yīng)用。 ? 臨界比例度法 所謂臨界比例度法，又叫臨界振蕩法。 ? 反應(yīng)曲線法 反應(yīng)曲線法又叫飛升曲線法，是在 1942 年由 Ziegler和 Nichols 率先提出的，它是一種開環(huán)整定方法。該方法也是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先將積分時(shí)間置于最大值，微分時(shí)間置于最小值，比例度置于較大值，然后讓設(shè)定值的變化作為干擾輸入，逐漸加大比例 pK 值，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。pK PI 39。如果對(duì)象特性發(fā)生變化，可重新進(jìn)入測(cè)試模式，再進(jìn)行測(cè)試，以求得新的整定參數(shù)。另外，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象整定過(guò)程很浪費(fèi)時(shí)間；對(duì)于一些干擾因素多且頻繁的系統(tǒng)，則要求振蕩幅度足夠大，嚴(yán)重時(shí)將影響穩(wěn)定的等幅振蕩的形成，從而無(wú)法加以應(yīng)用。需調(diào)用 CD Construct Transfer Function 來(lái)創(chuàng)建函數(shù)，這里采用 CD Construct Transfer Function 的輸入端Numerator 和 Denominator是以零為基準(zhǔn)索引的數(shù)組。 這里 用 三階的有理式 來(lái)近似。 應(yīng)該說(shuō)這是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的控制器設(shè)計(jì)程序，但能夠?qū)崿F(xiàn)較好地控制器設(shè)計(jì)，很適合初學(xué)控制理論的人以此作為學(xué)習(xí)的平臺(tái)。 臨界比例度法 對(duì)式 51的二階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)加入延時(shí)，滯后時(shí)間 t=，則此時(shí)的二階滯后動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為： 0 .0 24 7 6 .1 9 0 5() ( 1 2 .5 2 3 8 ) spG s ess ?? ? （ 52） 1） 僅有比例控制， pK =1時(shí) 圖 pK =1時(shí)的響應(yīng)曲線 2） 改變比例增