《应用LabVIEW实现PID控制功能》.doc

? 作为虚拟仪器的主流开发语言，图形语言（Graphical Language）在测试系统中得到广泛应用。优秀的图形语言开发环境使LabVIEW不仅包括了开发虚拟仪器面板的各种对象和进行信号分析的丰富的函数，而且提供了外挂的PID控制工具包，使用户可以将虚拟仪器拓展到自动控制领域。 对于自动控制的基本形式，图(4-1)所示的闭环负反馈系统，不仅可以应用虚拟仪器技术完成它的测量部分的功能，而且可以将虚拟仪器技术拓展到系统的控制器部分，构成一种基于虚拟仪器的测量控制系统。 ? ? ? 图4-1 闭环负反馈系统 ? ? §4.1 PID算式的确定 §4.1.1 PID算式的确定 在测控系统中，被控量和操纵量确定之后，就可以根据对象的特性和对控制质量的要求，选择控制器的控制作用，由控制器按规定的控制规律进行运算，发出相应的控制信号去推动执行器。控制器的控制规律，即为控制器的PID算式。 PID控制算式是一种在工业控制中广泛运用的控制策略。它的优点是原理简单，易于现实，稳定性能好。实际上，大多数的工业过程都不同程度的存在着非线性、参数时变性和模糊不确定性，而传统的PID控制主要是控制具有确定模型的线性过程，因此常规PID控制不具有在线整定参数的能力，其控制效果就不是十分理想。如果采用模糊推理的方法实现PID参数：、、 的在线自适应，不仅保持了常规PID控制的特点，而且具有更大的灵活性、适应性和精确性等优点，是目前一种较为先进的控制算法。 但是考虑到本软件应用客户所具有系统的特点：对象比较简单，非线性程度不高，大多数不具有时变性和模糊不确定性，而且设备的投资成本要求较低，比较适合采用常规PID控制，故本课题中的PID控制算式就确定为常规的PID控制算式。 ? §4.1.2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—Process Variable)，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：［6］ ? (4-1) ? 式中 ：控制器的输出 ：偏差设定值R与过程变量值PV之差。 ：控制器的放大系数。 ：控制器的积分时间常数。 ：控制器的微分时间常数。 基于虚拟仪器的控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式(4—1)中的积分项和微分项不能准确计算，只能用数值计算的方法逼近，称为数字PID控制算式。数字PID控制算式通常又分为位置式PID控制算式和增量式PID控制算式。 1.????? 位置式PID控制算式 在采样时刻t=kθ(θ为采样周期)时，式(4—1)表示的PID控制规律可以通过以下数值公式近似计算： 比例作用： (4-2) ? 积分作用： (4-3) ? ? 微分作用： (4-4) ? 式(4—2)、式(4—3)、式(4—4)表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)， 所以称为位置式PID控制算法，实际的位置PID控制器输出为比例作用、积分作用与微分作用之和，即 ? (4-5) 如果采样周期θ取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近。 这种算法的缺点是，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(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的。因而产生了增量式PID控制算式。位置式PID控制算式的系统控制示意图如图(4-2)所示。 ? ? ? 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Δu(k)。当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电机）时，可由式(4-5)导出提供增量的PID控制算式。 根据递推原理可得： (4-6) ? 用式(4-5)减去式(4-6)可得： (4-7) ? 式(4-7)称为增量式PID控制算式。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期θ，一旦确定了KP、KI、KD ，只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式(4-7)求出控制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu(k)对应的是本次执行机构位置（例如阀门