最新一種基于labview的pid控制器的設計方法(編輯修改稿)
2025-07-22 01:27 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)方框圖如圖13所示圖13 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖2 LABVIEW程序設計 LABVIEW程序設計簡介用LAB LABVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LABVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LABVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[3]。與 C 和BASIC 一樣，LABVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LABVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LABVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LABVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LABVIEW的程序模塊。LABVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LABVIEW中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LABVIEW]的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。VIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序如圖21，簡稱VI。VI包括三部分：程序前面板、框圖程序和程序調(diào)試。用戶可以利用控制模版和工具模版加入輸入控制器和輸出指示器框圖程序的設計主要是對節(jié)點、數(shù)據(jù)端口和連線的設計程序調(diào)試，排除程序執(zhí)行過程中可能遇到的錯誤前面板的設計框圖程序的設計程序調(diào)試圖21 虛擬儀器程序 PID階躍響應的LABVIEW程序設計 前面板設計前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳統(tǒng)儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過前面板傳遞給框圖，計算和分析也在前面板上以數(shù)字、圖標、表格等各種不同方式顯示出來。可以同時得到仿真波形[8]。閉環(huán)控制及波形如圖22所示 圖22 閉環(huán)控制及波形 框圖程序設計框圖程序是虛擬儀器的圖形化源代碼，如圖23，與前面板相對應，連線表示信號的方向。它是利用圖形語言對前面板上的控制量和顯示量進行控制，使程序完成設定的功能。圖23 框圖程序 PID控制器設計完成程序設計后，然后運行程序，設置參數(shù)Kp、Ki、Kd 的大小，使得輸出的階躍響應達到預期的效果。還可以通過開關選擇對開環(huán)系統(tǒng)或者閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真。對不同的被控對象只需改變其傳遞函數(shù)，重復上面步驟即可獲得的PID 參數(shù)，完成PID 控制器的設計。3 實際問題提出分析 設計目的利用LABVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，設計一個程序，可以對3階以內(nèi)的線性被控對象快速的確定PID控制器的各個參數(shù)，完成PID控制器的設計。同時可以給出控制器系統(tǒng)開環(huán)或者閉環(huán)的階躍響應?！嶋H問題的提出一個簡單的關于質(zhì)量，彈簧和阻尼器的系統(tǒng)如圖31所示圖 31 簡單受控系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)的數(shù)學模型是 ： （31）式中M：小車的質(zhì)量b：阻尼系數(shù)k：彈簧系數(shù)F：施加給小車的外力對上式進行Laplace變換Mx2 X(s)+bsX(s)+kx(s)=F(s) （32）在位移X（s）和輸入F（s）力之間的傳遞函數(shù)是： （33）這里 M = 1kg b = 10 k = 20 N/m F(s) = 1將上述值代入上式 （34）本設計的目標是如何確定Kp，Ki和Kd是的該系統(tǒng)的階躍響應具有：一、 快速的上升時間二、 最小的過調(diào)三、 無穩(wěn)態(tài)誤差 實際問題分析 階躍響應階躍響應是指將一個階躍輸入加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字 來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控 制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應的快速性，通常用上升時間來定量描述。 帶PID 控制器的閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)串聯(lián)一個比例積分微分(PID)控制器后,其傳遞函數(shù)為: （38）設置比例系數(shù)Kp=100、積分系數(shù)Ki=300、微分系數(shù)Kd=5。其階躍信號的響應曲線如圖32所示。圖 32 Kp = 100、Ki = 300、Kd = 5 的閉環(huán)階躍響應曲線從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)此調(diào)節(jié)器之后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間慢。如果把比例系數(shù)Kp 設為300、積分系數(shù)Ki 設為300、微分系數(shù)Kd 設為5，則響應曲線如圖33所示。圖 33 Kp = 300、Ki = 300、Kd = 5 的閉環(huán)階躍響應曲線此時系統(tǒng)產(chǎn)出了一定振蕩，但響應時間也縮短了。再如把比例系數(shù)Kp 設為300、積分系數(shù)Ki 設為300、微分系數(shù)Kd 設為10，其響應曲線如圖34所示。圖 34 Kp = 300、K
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