【正文】 應(yīng)該說這是一個比較簡單的控制器設(shè)計程序，但能夠?qū)崿F(xiàn)較好地控制器設(shè)計，很適合初學(xué)控制理論的人以此作為學(xué)習(xí)的平臺。需調(diào)用 CD Construct Transfer Function 來創(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。如果對象特性發(fā)生變化，可重新進(jìn)入測試模式，再進(jìn)行測試，以求得新的整定參數(shù)。該方法也是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先將積分時間置于最大值，微分時間置于最小值，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。 ? 臨界比例度法 所謂臨界比例度法，又叫臨界振蕩法。 比例積分微分控制器適用于控制對象負(fù)荷變化大、對象容量滯后大、工藝要求無余差、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。 綜上所述，比例積分（ PI）控制可以消除余差，但會減小系統(tǒng)穩(wěn)定性，使比例增益必須減小，從而使過渡過程變慢，動態(tài)余差偏大。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 被控對象 Kp Kds 傳感器 25 統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，結(jié)合各個控制環(huán)節(jié)的特性，正確選用控制器及其參數(shù)。 （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)同樣可以用兩個參數(shù)來表示它的特性： ? —— 時間常數(shù)； ? —— 阻尼比。其運動方程式為 ( ) ( )c t K r t?? 。 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)的項寫在方程的右端，與輸出量有關(guān)的項寫在方程的左端，方程兩端變量的導(dǎo)項均按降冪形式排列。一個控制系統(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。 下面以一個空白的開發(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。 LabVIEW 程序被稱為虛擬儀器（ VIs），是因為 用 LabVIEW 設(shè)計的虛擬儀器可脫離LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶最終看到的是 和實際硬件儀器相似的操作面板。 （ 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。 第二章，簡單概述了虛擬儀器及其開發(fā)軟件 LabVIEW的基本概念并簡單介紹了 LabVIEW的程序設(shè)計方法。 Afterwards, discuss designing the controller, the emphasis is the method of tuning the PID controller ’ s parameters。首先介紹了 LabVIEW 的使用，然后研究了受控對象的數(shù)學(xué)建模與分析，并研究了控制器的設(shè)計和 PID 控制器參數(shù)自整定的方法，最后對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，包括離線和在線仿真。本研究主要是利用 LabVIEW及其控制設(shè)計包和仿真模塊建立受控對象模型，并分析其開環(huán)動態(tài)特性，然后對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，最后進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真。傳統(tǒng)儀器是將這三部分放在一個儀表機箱內(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，它并不強調(diào)物理上的實現(xiàn)形式。 虛擬儀器實例 采樣 LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計的基于 PCDAQ的虛擬儀器測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 22所 示。 “ 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例給用戶參考。 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。另一種方法是實驗辯識法，即根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理編寫。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 ??? 接下來會對這六種典型環(huán)節(jié)的特點進(jìn)行分析。因此，實際上要完全滿足上式的理想環(huán)節(jié)是不可能的。 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 為積分時間， dT 為微分時間。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù) Ti， Ti越小 ， 積分作用就越強 ， 反之 Ti大則積分 作用弱 。 無論是比例（ 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， 為揚長避短，本實驗平臺采用 PID 綜合控制。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。 表 42 反應(yīng)曲線法控制器參數(shù)計算（ 4:1衰減比） 控制規(guī)律 比例度 1/K 積分時間 iT 微分時間 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便，只要知道過程對象的函數(shù)模型，即可根據(jù)公式算 得PID控制器的三個參數(shù)，但具體操作起來卻難以精確確定最大斜率處；其次，反應(yīng)曲線法要求測定廣義對象的動態(tài)特性，對于有些不允許被控量長時間偏離設(shè)定值的實際系統(tǒng)要測定對象特性就有困難，況且，有些系統(tǒng)的干擾因素較多而且干擾頻繁，也會使測出的對象特性不準(zhǔn)確，從而不能獲得令人滿意的整定結(jié)果。這里介紹繼電型自整定方法。具體有： Model Construction， Model Conversion， Model Interconnection， Model Reduction， 33 Time Response， Frequency Response， Dynamic Characteristics， StateSpace Model Analysis，State Feedback Design。 控制器的設(shè)計 快速整定法 41 其程序框圖包含 并聯(lián)型 PID控制器和被控對象模型兩個基本部分，通過串聯(lián)和反饋將其組成 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在這里引入一個二階動態(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間 rt ，最大超調(diào)量 %p? 35%，調(diào)節(jié)時間 st 1s。 圖 函數(shù)表達(dá)式及時域響應(yīng)參數(shù) 35 圖 根軌跡圖 圖 脈沖響應(yīng)及階躍響應(yīng) 圖 幅頻特性及相頻特性 構(gòu)造開環(huán)及閉環(huán)系統(tǒng) 用受控對象、控制器及 CD 、 CD ，并比 36 較其階躍響應(yīng)。 調(diào)節(jié) R Y + 整定 圖 44 繼電型 PID自整定控制結(jié)構(gòu) 整定步驟如下： 1) 在控制模式下，通過人工控制使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀 態(tài)，然后將整定開關(guān)撥向測試模式，接通繼電器，是系統(tǒng)處于等幅振蕩。 表 43 衰減曲線法控制器參數(shù)計算（ 4:1衰減比） 控制規(guī)律 比例 K 積分時 間 iT 微分時間 dT 30 P pK PI pK / PID pK / 對于有些希望衰減得比較快的系統(tǒng)， 可以 采用 10:1衰減 比。其整定計算公式見表 41 所示。所謂參數(shù)整定，就是對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，選擇合適的控制器參數(shù)（比例系數(shù) cK 、積分時間 iT 、微分時間 dT ）來改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率 ， 具有預(yù)見性。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差 ,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。在系統(tǒng)中引進(jìn)二階微分環(huán)節(jié)，主要是用于幫助改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。 （三）積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的輸出量的變化速度等于輸入量，亦即輸出量 ()ct 與輸入量 ()rt 之間呈積分關(guān) 21 系。 R Lru cui C 圖 32 RLC電路 (1) 明確輸入量、輸出量 網(wǎng)絡(luò)的輸入量為電壓 ()rut， 輸出量為電壓 ()cut。 不考慮擾動作用，典型控制系統(tǒng)的方框圖如圖 31 所示。 圖 24 前面板開發(fā)窗口及控制模板 流程圖編輯窗口如圖 25 所示?？刂颇０鍎t提供所有用于前面板編輯的控制和顯示對象的圖標(biāo)以及一些特殊的圖形。 （ 5）傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)封閉，功能固定；虛擬儀器則是基于計算機技術(shù)的開放靈活的功能模塊，可構(gòu)成多種儀器。 主要研究了幾種工程整定方法和繼電自整定方法。在上述背景下，出現(xiàn)了新的儀器概念 虛擬儀器。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 實驗室虛擬儀器工程平臺 ）是一款出眾的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。至于以 LabVIEW為平臺的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計，從 1994年至今的國內(nèi)外期刊文獻(xiàn)及 1999 年至今的碩博士論文中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的基于 LabVIEW 的控制系統(tǒng)設(shè)計主要使用公式計算模塊、 PID 工具包、模糊控制工具包，或他們的組合幾種方式 [23]。虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機的界限模糊了 [1]。用軟件在屏幕上生成儀器控制面板，用軟件來進(jìn)行信號分析和處理，完成傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理，完成多種多樣的測試。 “ Open?”按鈕是 LabVIEW 用于給用戶已設(shè)計好的各個層次不同類型的 VI 以及用于 12 各種不同目的的軟件模塊的存放環(huán)境的，用戶命名過的虛擬儀器也可以存放其中。 LabVIEW 的 VI 程序可以層層調(diào)用子 VI，使框圖程序的編寫不致太繁雜。經(jīng)典控制理論中廣泛應(yīng)用的頻率法和根軌跡法，就是以傳 18 遞函數(shù)為基礎(chǔ)建立起來的，傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中最基本和最重要的概念。因此，在研究系統(tǒng)動態(tài)特性時，熟悉和掌握各種典型環(huán)節(jié)，就有助于我們對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。這時，環(huán)節(jié)可以看成是由兩個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)組成。 PID 控制器介紹 PID 控制器結(jié)構(gòu) PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項 ”。此外 ， 微分反應(yīng)的是變化率 ， 而當(dāng) 輸入沒有變化時 ， 微分作用輸出為零 ，因此 微分作用不能單獨使用 ， 需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合 ， 組成 PD或 PID 控制器 ，能夠較好地 改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 廣義頻率特性法是一種常見的理論計算整定法，這里不再詳細(xì)介紹。 將系統(tǒng)開環(huán)后（不加入控制環(huán)節(jié)），給其輸入一定幅值的階躍信號，可得如圖 42所示的飛升曲線（即階躍響應(yīng)曲線）。pK / 繼電 自整定法 以上介紹的幾種整定方法，不管采用哪一種，都是費時費力的工作，尤其是對于那些特性經(jīng)常變動而需要多次整定的系統(tǒng)。 在第六章中，將會把繼電自整定應(yīng)用于離線仿真和在線仿真。 控制設(shè)計與仿真的轉(zhuǎn)換 用 LabVIEW實現(xiàn)系統(tǒng)的分析與控制，需要用到控制工具包和仿真工具包，控制設(shè)計 模塊與仿真設(shè)計 模塊 可以通過一些特定的子 VI進(jìn)行 互相 轉(zhuǎn)換。 3） 增加微分項， pK = ， dK =， 圖 pK = ， dK = 此時，上升時間 rt =，最大超調(diào)量 %p? =%，調(diào)節(jié)時間 st =。 圖 構(gòu)造離散模型程序框圖 圖 連續(xù)模型與離散模型的傳遞函數(shù) 38 延時信息的合并 在現(xiàn)實的工業(yè)生產(chǎn)及測控當(dāng)中，有些系統(tǒng)不可避免的包含有延時信息，本例演示把延時信息通過 CD Convert Delay Pade 。 繼電自整定方法簡單、可靠，需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)就是繼電特性的參數(shù) ? 和 d 。pK ，然后按照 表 44的經(jīng)驗公式來整定控制參數(shù)。 雖然該整定方法應(yīng)用簡單普便，但也有其固有的缺陷。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。解決的辦法是 利