基于LabVIEW的直流电机控制系统的设计与分析4980.pdf

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1、 本 科 生 毕 业 论 文（设计）题 目：基于 LabVIEW 的直流电机控制 系统的设计与分析 院 系：信息科学与技术学院自动化系 专 业：自动化 学生姓名：*学 号：*指导教师：*（职 称）中山大学教授 二九 年 五 月-i-摘 要 虚拟仪器技术是计算机测量与控制技术的一个新的发展方向。虚拟仪器是虚拟仪器技术的一个重要组成部分，其中最具有代表性的是图形化编程开发平台LabVIEW，它是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用的开发工具。在现代工业领域中，电机是工业应用及电能生产的基本装备，同时也是速度调节控制系统的核心部件之一，应用范围极为广泛，特别是拖动系统。因此弄清和熟悉电机的特性，

2、研究其速度控制方法尤为重要。本文主要开发了基于 LabVIEW 的直流电机的速度控制系统，设计出了电机转速控制 VI，实现了其速度的在线实时控制，达到了较好的速度控制效果。软件方面，主要采用美国 NI 公司推出的虚拟仪器开发软件 LabVIEW 作为平台；硬件方面，主要采用 NI ELVIS 虚拟仪器教学实验套件,并结合多功能数据采集卡（DAQ)PCI-6024E。本文以 PID 经典控制方法为理论指导，采用经验法、4：1 衰减法分别对直流电机 PID控制参数进行整定，然后利用整定结果进行速度在线实时控制，最后对控制效果进行对比与分析。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；PID；电机转速；数据采

3、集卡 -ii-Abstract Virtual instrument technology is a new development direction of computer measure and control technology.Virtual instrument is an important component of virtual instrument technology,and LabVIEW is the most representative graphic programming development platform with its powerful and

4、flexible function.In the modern industry domain,the DC motor is basic equipment in industry application and electric energy producing,and it is the most important part in the DC motor velocity control system,which is used in many domains,especially in drag system.Therefore,it is very important to cl

5、ear and know well the feature of DC motor and its velocity control methods.The article mainly develops the speed control system based on the LabVIEW for the DC motor,and designs the speed control VI which has realized its speed online real-time control and achieves a good speed control effect.The so

6、ftware system mainly uses LabVIEW,which is a virtual instrument development platform and is promoted by NI Corporation.The hardware mainly uses virtual instrument teaching experiment suite of the NI ELVIS,unifies the multi-purpose data acquisition system called PCI-6024E.The article takes the PID cl

7、assical control theory as the conduct,uses the thumb rule and 4:1 weaken law to carry on the installation separately to the PID variable of DC motor,and then carries on the speed online real-time control using the installation result,and finally carries on the contrast and the analysis to the contro

8、l effect.Keywords:Virtual instrument;LabVIEW;PID;velocity of DC motor;DAQ -iii-目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章 绪论.1 1.1 本课题的研究背景和意义.1 1.2 本课题的国内外研究现状.1 1.3 本课题的工作内容.3 1.4 本文的结构安排.3 第二章 直流电机.4 2.1 工作原理.4 2.2 直流电机的基本结构.4 2.3 直流电机的速度控制方法介绍.5 2.3.1 改变电枢回路电阻调速.5 2.3.2 改变励磁电流调速.6 2.3.3 改变电枢电压调速.7 第三章 虚拟仪器与LabVI

9、EW介绍.10 3.1 虚拟仪器概述.10 3.1.1 虚拟仪器的概念.10 3.1.2 虚拟仪器的前景.10 3.1.3 虚拟仪器的优点.11 3.2 LabVIEW 概述.11 3.2.1 编程语言的介绍.11 3.2.2 编程语言的优点.13 3.2.3 LabVIEW 编程基础.13 第四章 PID 控制器设计.17 4.1 引言.17 4.2 PID控制规律.17 4.2.1 PID控制系统模型.17 4.2.2 PID参数的调节作用.18 4.3 PID控制器的不完全微分形式.19 4.4 动态响应的性能指标.20 4.5 PID控制器参数整定方法.21-iv-4.5.1 经验法.

10、21 4.5.2 等幅振荡法.22 4.5.3 4：1衰减法.22 第五章 直流电机控制系统的设计与分析.24 5.1 速度控制模型分析.24 5.2 NI ELVIS 硬件.25 5.2.1 NI ELVIS平台工作站.25 5.2.2 NI ELVIS原型实验板.26 5.3 DAQ 系统.28 5.3.1 DAQ系统的构成.28 5.3.2 DAQ的关键概念.29 5.4 控制系统的电路设计.30 5.5 控制系统的软件设计.32 5.5.1 控制系统前面板程序设计.32 5.5.2 控制系统控制程序框图.33 5.6 PID参数整定过程.35 5.6.1 经验法的在线实时控制过程.35

11、 5.6.2 4：1衰减法的在线实时控制过程.36 5.7 小结.39 第六章 结 论.40 参考文献.41 致谢.42-1-第一章 绪 论 1.1 本课题的研究背景和意义 随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过 20 年的技术进步与发展，已成为 21 世纪测试技术发展的一个重要方向，并在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。采用虚拟仪器技术构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证，具有很高的性价比，节省投资，便于设备更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在产品性能测试，设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍的应用，其研究

12、的意义非常重要。LabVIEW 作为虚拟仪器概念的首创者，自 1986 年问世以来，已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准，在研究、制造和开发的众多领域得到广泛应用。直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然应用不如交流电机广泛，但是由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍有一定的优势。在实验室开发系统上，由于直流电机价格便宜，结构简单，控制效果良好，因而得到众多研发人员的青睐。在此基础上，研究直流电机的基于虚拟仪器的速度控制将有极大的意义。1.2

13、 本课题的国内外研究现状 电机控制是一个既成熟而又发展迅速的课题，电机控制具有种种优点，近年来一直是国内外很多公司、大学研究开发的热点。目前，国内外电机控制有关方面的研究工作正围绕电机控制理论、计算机辅助技术、电机控制器、电力电子技术几个方面展开。电机控制理论方面。目前，在电机速度控制领域，由于 PID 控制算法简单，结构改变灵活，技术成熟，适应性强，可靠性高等特点，而得到广泛的应用。随着理论研究的发展，各种改进的控制算法层出不穷，近年来研究得很热门的自适应控制算法、-2-模糊控制算法、神经网络控制算法、鲁棒控制理论等等。计算机辅助设计方面。由于计算机微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强

14、大。为系统的设计和方针提供的软件业越来越多。值得一提的 MATLAB 和LabVIEW。MATLAB 程序设计语言是美国 MathWorks 公司在 20 世纪 80 年代中期推出的高性能数值计算软件，是国际、国内控制领域内最流行的计算和仿真软件,功能强大，工具箱丰富。LabVIEW 是 NI 公司推出的一种基于 G 语言（图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。目前，现场可编程门阵列（FPGA）可以作为一种解决方案，一片 FPGA 可以实现非常复杂的逻辑，替代对快集成电路和分立元件组成的电路。现在市面上较

15、通用的变频器大多都是采用单片机来控制，但单片机的处理能力有限。近年来，各种集成化的数字信号处理器（DSP)的性能得到很大的改善，比起单片机，DSP具有更快的 CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和 FIFO 缓冲器，越来越多的单片机使用者开始选用 DSP 器件来提高产品性能。新型电力电子技术。电力电子器件是实现弱电控制强电的关键所在。目前电力电子器件正向高电压、大功率、高频化、组合化、智能化方向发展。功率器件及变频技术以电力电子技术为基础。低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、GBT 以及智能功率模块 IPMI(Intelligent Power Module

16、)1 2，后两种集GTR 的低饱和电压特性和 OSFET 的高频开关特性于一体，是目前通用变频器中使用最广泛的主流功率器件。第四代 I GBT 具有发热减少、高载波控制、开关频率高、驱动功率小等特点，它的应用使变频器的性能有了很大的提高。基于以上技术的研究，设计出实用效率高就成为控制专家的工作内容，目前，国内外的工业控制系统的研究不外乎是上述技术的有机综合。其中，采用虚拟仪器对系统进行 PID 控制是一个新的组合方法，有较好的发展前景。但是，国内对虚拟仪器技术的使用研究，很多只是建立在仿真的基础上进行的，实际控制应用有待研究。-3-1.3 本课题的工作内容 本文完成的工作有：（1）详细介绍了虚

17、拟仪器技术以及 LabVIEW 编程方法。（2）设计了基于 LabVIEW 的 PID 控制器。（3）以 LabVIEW 为开发平台，设计出来直流电机转速控制 VI，并拥有良好的使用界面。然后借助已设计出来的硬件电路，实现了转速的在线实时控制。（4）详细介绍了 PID 控制系数整定方法，并应用于直流电机转速在线实时控制过程中。然后在过程控制中分析控制效果，总结经验。1.4 本文的结构安排 本论文主要分六章：第一章 前言，介绍论文研究背景、国内外研究现状、本文内容以及架构；第二章 直流电机，主要介绍了直流电机的速度控制方法；第三章 虚拟仪器与 LabVIEW 介绍，详细介绍虚拟仪器和 LabVI

18、EW 编程语言。第四章 PID 控制器设计，介绍了 PID 控制器的设计方法；第五章 直流电机速度控制系统的设计与分析，本章是本文的核心部分，详细的介绍了本论文控制系统的硬软件设计过程以及 PID 在线实时控制过程，分析控制效果并总结经验。第六章 结论，主要是对本文的研究情况作总结。-4-第二章 直流电机 本章简单的介绍了直流电机的工作原理、基本结构，详细的分析了直流电机速度控制方法。2.1 工作原理 本论文系统设计采用的电动机是普通的直流电机，直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。在直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是

19、交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。2.2 直流电机的基本结构 实际上的直流电机是在上述工作原理的基础上加以完善和改进而成的。下面介绍它的具体结构3（如图2-1）。直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有空隙，称为气隙。定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装备；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、转向器、转轴、风扇等部件。.图2-1 直流电机结构图-5-2.3 直流电机的速度控制方法介绍 在生产中经常需要改变生产机械的工作速度

20、，改变方法有机械和电气两种。机械方法是通过改变传动机构的传动比来实现调速的。电气方法是通过改变电动机的参数、电源的参数和电动机的接线方式，使电动机运行在不同的人为特性曲线上以得到不同的相对稳定转速。直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为：(/min)aaaeUIRnrC )1.2(式)1.2(中：aU电枢供电电压（V）；aI电枢电流（A）；励磁磁通（Wb）；aR电枢回路总电阻（）；eC电势系数；apNCe60 )2.2(式)2.2(中：P为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式)1.2(可以看出，式中aU、aR、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速

21、，所以直流电动机有三种基本调速方法4 2.3.1 改变电枢回路电阻调速 各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图 2-2(a)是改变电枢电阻调速电路图。此时转速特性公式为：ewaaaCRRIUn)()3.2(式中wR为电枢回路中的外接电阻（）。-6-当负载一定时，随着串入的外接电阻wR的增大，电枢回路总电(abRRR）增大，电动机转速就降低。其机械特性如图 2-2(b)所示。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，调速比一般约为 2：1 左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。2.3.2 改变励磁电流调速 当电枢电压恒定时，改变电

22、动机的励磁电流也能实现调速。由式（2.1）可看出，电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩eT是磁通和电枢电流aI的乘积（即eaTCTI），电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为 1.5:13:1，特殊电动机可达到

23、5:1。这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速图 2-2 电阻调速电路与机械特性图（a）调速电路（b）机械特性-7-时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。2.3.3 改变电枢电压调速 常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。1）采用发电

24、机-电动机组调速方法。如图 2-3(a)所示，通过改变发电机励磁电流 IF 来改变发电机的输出电压 aU，从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压aU时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图 2-3(b)所示。由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图 2-3(a)中切换接触器 ZC 和 FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点，50 年代开始

25、采用水银整流器（大容量）(a)调速电路(b)机械特性 图 2-3 发电机-电动机调速电路机械特性图-8-和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。2）采用晶闸管变流器供电的调速方法。有晶闸管变流器供电的调速电路如图 2-4(a)所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图 2-4(b)中。图 2-4(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角 a 时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机

26、-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50：1150：1,甚至更大。3）采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法。脉宽调速系统出现的历史久远，但因

27、缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产(a)调速电路（b）机械特性 图 2-4 晶闸管供电的调速电路机械特性图-9-实际中推广应用。今年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是 IGBT 功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法，其基本原理是：用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。5 其中前

28、两种是改变电机参数的方法，后一种是改变电源参数的方法。对于要求在一定内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最佳。因为改变电阻只有极调速，而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故。且本控制系统采用的直流电机为小功率电机，所以直流调速系统以变压调速为主。-10-第三章 虚拟仪器与 LabVIEW 介绍 3.1 虚拟仪器概述 本章主要从概念、发展阶段、研究现状、发展方向、优点等五个方面对虚拟仪器做了详细地介绍。3.1.1 虚拟仪器的概念 所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的通用硬件平台上，由用户设计定义，采用虚拟面板，测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。这里的“虚拟”有两层含义6

29、：（1）虚拟的仪器面板。在虚拟仪器里由软件在计算机显示器上生成类似于真实仪器的操作面板，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件都是由与实物外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或者键盘操纵软件界面中的这些控件来完成仪器的控制。（2）由软件实现仪器的测量功能。在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。它不仅能实现传统仪器的测量功能，也能实现传统仪器不能实现或者很难实现的一些数据处理功能，如FFT分析、小波分析、数字滤波、回归分析、统计分析等。通过不同软件模块的组合，还可以实现多种自动测试功能。3.1.2 虚拟仪器的前景 随着计算机技术、微电子技术、通信技术的不断发展，以及网络时代

30、的到来和信息化要求的不断提高，虚拟仪器正在深入各行各业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入家庭自动化管理。由于可充分利用 PC、网络和通讯的相关技术，虚拟仪器有望取代测量技术传统领域的各类仪器。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器技术将不但成为测量技术领域的主流，而且将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。-11-3.1.3 虚拟仪器的优点 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可以一机多用、可重复开发等。虚拟仪器与传统仪器相比，有以下6个特点7：（1）传统仪器的面板只有

31、一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。而虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。同时，虚拟仪器面板上的学生研究和操作元件的种类与小时不受“标准件”和“加工工艺”限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。（4）仪器的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。（5）研制周期较传统仪器大为缩短。（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边

32、设备互联。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键软件”。3.2 LabVIEW 概述 3.2.1 编程语言的介绍 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，用线条将各种功能(图形)连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调试提供了简单方便、完整的环境和工具

33、，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在-12-实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点:其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场

34、工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样。因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW，也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。LabVIEW 的功能十分强大。像C或C+等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，

35、比其它语言的开发环境更方便、更有效。本论文程序设计使用的是LabVIEW7.1版本，该版本拥有强大的子VI库，依据它们，我们可以更加方便的构建多样化的LabVIEW控制系统。双击LabVIEW图表，启动如图3-1所示对话框。图3-1 LabVIEW 启动后对话框-13-3.2.2 编程语言的优点 LabVIEW 具有强大的编程能力与可读性，具体来说有七大优点8：第一，图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。第二，提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。第三，既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计

36、者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。第四，32bit是编辑器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。第五，囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在内的各种仪器通信总线表针的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。第六，提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs（动态链接库）、DDE(共享库)、ActiveX等。第七，强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。3.2.3 LabVIEW 编程基础 所有的LabVIEW程序（即虚拟仪器VI）都是由前面板

37、和框图构成的。下面通过一个简单的加减法程序的实现来说明。（1）前面板（Front Panel）在LabVIEW中，前面板式虚拟仪器VI的图形用户界面，其中包含着旋钮、按钮、图表等控件（Control）、指示器（Indictor），用来接收用户的输入以及显示程序的输出。各种控件、指示器是LabVIEW 与用户的接口，它们的外观和实际仪器对应元件的外观几乎一样，因此，计算机屏幕所显示的就像一台实际仪器的前面板，既直观又友好。图3-2为加减法程序的前面板。-14-（2）框图（Block Diagram）框图与图元（Icons）一起包含着虚拟仪器图形方式的源代码。在框图中，可以使用G语言对前面板中所创

38、建的各种输入、输出的功能进行编码。框图中可以包括LabVIEW内部的虚拟仪器库函数（Function）、结构（Structure），还可以包括与前面板的控件、指示器有关的接线端子。如图3-3为加减法程序的框图。图3-2 加减法程序前面板 图 3-3 加减法程序框图-15-（3）选项板（Palette）选项板提供了创建、编辑用户VI的前面板、框图时所需要的一些选项LabVIEW中有以下三个选项板。工具选项板 工具选项板既可用在前面板设计时，也可用在框图设计时，它包括了创建、编辑、调试前面板及框图对象的一些工具(如图3-4所示)。控件选项板 该选项板用在前面板设计时，其中包括了创建用户界面时所需要

39、的各种控件、指示器（如图3-5所示）。函数选项板 函数选项板用于框图设计时，其中包括了对VI进行编程时可使用的一些标准图3-4 工具选项板 图3-5 控件选项板-16-模块，如算术运算、文件IO、仪器IO、数据采集等模块（如图3-6所示）。数据流图（Dataflow）用LabVIEW创建的VI是按一定的数据流动模型来执行的。框图一般有VI、结构、前面板上的接线端子等节点（Node）组成，这些结点通过“导线（Wire）”连接起来。由此连接关系决定了程序执行过程的数据流动（如图3-3）。当一个结点的功能被执行完后，其所有的输出都将被移动到数据流图路径的下一个结点上。图3-6 函数选项板-17-第四

40、章 PID 控制器设计 4.1 引言 P I D 控制是广泛应用于工业过程控制中的最为成熟、应用最广泛的控制技术。从 P I D 制器问世至今的 70 多年时间里，如雨后春笋般涌出了其它各种各样的控制方法，但是 P I D 控制器以其结构简单，工程上易于实现，适用性强，鲁棒好，工作可靠稳定，参数调整方便的突出优点而成目前工业控制中的主要控制手段。P I D 控制器就根据输入的偏差值，利用比例控制(P)、积分控(I)、微分控制(D)的函数关系进行运算，其运算结果用于对被控量的控制。当我们不完全了解一个制系统和被控对象的结构和参数，或得不到其精的数学模型，无法对被控量进行有效的控制时，最合用P I

41、 D 控制技术通过经验和现场调试确定系数，找到比较理想的控制方案。4.2 PID 控制规律 4.2.1 PID 控制系统模型 所谓PID控制，就是对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律，即：)1)(0tdtdTdTtKtudtip )1.4(式（4.1）中：)tKp比例控制项，其中pK为比例系数；dTti0)1 积分控制项，iT1为积分时间常数；)(tdtdTd为微分时间常数。控制器的传递函数为：()1()(1)()cdiU sG sKT ssTs )2.4(-18-控制系统模型9如图4-1：4.2.2 PID 参数的调节作用 PID 控制器包括积分、比例、微分三个

42、部分，分别代表过去，现在，还有未来的控制作用。三个部分对控制性能的影响如下所述：比例系数pK：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。pK越大，系统响应速度越快,系统调节精度越高，对偏差的分辨率越高。但pK过大，会产生超调，甚至导致系统不稳定；pK 取值过小，则会降低调节精度，尤其是响应速度变慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分系数iT：积分环节的主要作用是确保在系统稳态时过程输出和设定值一致。比例控制通常产生稳态误差，在积分作用下，无论多小的正向误差总是导致控制信号增加，无论多小的负向误差总是导致控带信号减小，因此，具有积分作用的控制器总是使得稳态误差为零。iT越小，系统的静

43、态误差消除越快，但iT过小，在响应过程初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调；若iT过大，将使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数dT：微分环节的主要作用是改善闭环系统的稳定性。由于控制信号的变化引起过程输出改变需要一定的时间，所以控制信号对误差的反映总是滞后地影响系统偏差的变化率，改善系统的动态特性，对偏差进行提前预报，抑制偏差向任何方向的变化。但 dT 过大，会使响应过程提前抑制，从而延长调节时间，而且系统的抗干扰能力变差。图4-1 PID控制系统模型-19-4.3 PID 控制器的不完全微分形式 在计算机系统中，为了改善控制质量，可根据系统的不同要求，对PID

44、控制进行改进。众所周知，微分对高频干扰的响应很灵敏，极易引起振荡，因此在PID控制中串联低通滤波器（一阶惯性环节）达到抑制高频干扰的目的，这就是不完全微分PID控制算法，其PID控制器为：)111()()(NsTsTsTKsEsUddic )3.4(其中N的值一般取3-10，显然，当频率时，微分环节的增益不会超过N。LabVIEW 控制包提供的控制算法正是不完全微分 PID 控制算法，其中的子程序 CD Construct Special Model VI（如图 4-2 所示）构建的 PID 控制器有三种形式10：1)PID Academic:)111()()(sTsTsTKsEsUddic

45、)4.4(2)PID Parallel:1)()(sKsKsKKsEsUddic )5.4(3)PID Serial:)11)(11()()(sTsTsTKsEsUddic )6.4(对比式（4-3）与式（4-4），可发现1N即的值一般取 0.1-0.33。图 4-2 CD Construct Special Model VI 的三种 PID 控制器形式-20-4.4 动态响应的性能指标 在古典控制理论中，用动态时域指标来衡量系统性能的优劣。动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性，动态指标包括超调量p，调节时间st，峰值时间pt，衰减比和振荡次数N。系统的过程特性如图所示：（1）超调

46、量p：p表示了系统过冲的程度，设输出量)(ty的最大值my，)(ty输出量的稳态值y，则超调量定义为%100yyymp，超调量通常以百分数表示。（2）调节时间st：st反映了过渡过程时间的长短，当stt，若yty)(，则st定义为调节时间，式中y是输出量)(ty的稳态量，取0.02y或0.05y。（3）峰值时间pt：pt表示过渡过程达到第一个峰值所需要的时间，它反映了系统对输入信号反映的快速性。（4）衰减比：表示了过渡过程衰减快慢的程度，它定义为过渡过程第一峰值1B与第二个峰值2B的比值，即21BB，通常，希望衰减比为4：1。（5）振荡次数N：N反映了控制系统的阻尼特性。它定义为输出量)(ty

47、的稳态值y的次数的一半。以上5项动态指示也称作时域指标，用得最多的是超调量p和调节时间st，在过程控制中衰减比也是一个常用的指标。-21-4.5 PID 控制器参数整定方法 P I D控制器参数整定方法经过几十年的发展，积累了丰富的经验，比如凑试法整定 P I D控器参数，就是根据人们多年来总结的经验，采用比例、后积分、再微分的整定步骤，根据响应曲的好坏反复改变各参数，以期得到满意的控制效果。从 P I D控制器3个参数的作用可以看出个参数直接影响控制效果的好坏，所以要取得好的控制效果，就必须对比例、积分、微分三种制作用进行调整，也就是根据所期望的控制效果选择适当的目标函数作为衡量指标，然后利

48、用化算法对控制器3个参数进行整定、寻优。本文选用的三种整定方法(经验法、等幅振荡法、4：1衰减法)是众多方法中用的比较广泛的，下面简单介绍一下：4.5.1 经验法 它的基本思路是：根据经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加阶跃扰动，观察被调量的阶跃响应曲线，若认为控制质量不满意，则根据调节器 P I D参数对控制过程的影响改变参数的设置，直到满意为止。具体步骤如下11：（1）调节器iT，0dT，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例增益cK，用给定值做扰动信号，观察控制过程，直到出现 1/4衰减曲线为止。（2）将比例缩小20%左右，由大到小改变积分时间iT，同样，观察阶跃

49、扰动曲线，直到得到满意的控制过程。（3）积分时间不变，改变比例增益，观察控制过程，如有改变，则继续调整，直到满意为止，否则比例增益不变，再调整积分时间，力求改善控制过程，如此反复凑试，直到找到满意的比例增益和积分时间为止。（4）引人微分时间dT，微分时间取积分时间的1/31/6之间，和前述步骤类似，微分时间也需反复调整，直到满意为上。注意：试凑过程中应使idTT的值尽量保持不变，以保证调节器干扰系数不变。-22-4.5.2 等幅振荡法 等幅振荡法在过去的工业过程中用的比较多，基本原理就是在纯比例作用下得到临界振荡过程，然后确定临界比例增益和临界周期sT的数值，根据表4-1 所列的经验公式，计算

50、出调节器各个参数的具体数值。（1）按纯比例系统整定：比例增益0cK，调节器 iT，0dT,控制系统投人闭环运行，由小到大改变比例增益cK，直到出现等幅振荡曲线，此时的比例增益称为临界比例增益，用uK来表示，振荡周期称为临界周期，用uT来表示。（2）按表4-1，计算cK、dT、iT 参数的具体数值。（3）按上述数值整定，投人运行，再观察调节过程的变化。若超调量太大，过渡过程时间较长，则可适当减小比例带和积分时间，效果就会好些。表 4-1 等幅振荡法经验公式 4.5.3 4：1 衰减法 4：1衰减法的基本原理是先把积分时间放到最大，微分时间放到零。待调节系统稳定后，逐步增大比例增益，观察输出电压(