一种基于LABVIEW的PID控制器的设计方法

一种基于LABVIEW的PID控制器的设计方法摘要利用虚拟仪器技术,采用LABVIEW图形编程环境,设计了一个PID程序,用于仿真PID控制规律。PID控制器是一种线性的控制器，具有原理简单、易于整定、使用方便和控制性能较强的优点，它能够对线性控制系统快速准确的确定P、I、D三个参数和阶跃响应曲线。同时，可以给出控制系统开环或者闭环的阶跃响应。通过改变P、I、D参数和设定值，观察不同情况下的控制曲线，或在同样参数情况下比较位置型PID与增量型PID的控制效果。通过对各种控制器作用下，对线性控制对象，阶跃输入的响应曲线分析，从而得到各个阶跃响应特性。证明该控制器设计正确，实用技术方法可行。并总结出PID调整Kp，Ki，Kd参数的一般顺序。该控制器为各个领域的过程控制系统提供了方便，节省了时间，大大的提高了生产效率。关键词：虚拟仪器；LABVIEW；PID控制BaseonLABVIEWforPIDcontrollerdesignmethodABSTRACTUsingthetechnologyofvirtualinstrument,usingLABVIEWgraphicalprogrammingenvironment,todesignaPIDprogram,usedtocontrollawsimulationPID.PIDcontrollerisalinearcontroller，whichhassuchadvantagesassimpleprinciples,easysetting,convenientapplicationandstrongcontrolperformance.Itcanquicklyandexactlydefinethreeparameter-P、I、D-forlinearcontrolsystembelowthreeorders,andaccuratelydeterminethestepresponsecurveoftheopenloopsystems.Atthesametime,maygivethecontrolsystemsplit-ringortheclosedloopstepresponse.BychangingtheP,I,Dparametersandthesetvalue,observationandcontrolcurveunderdifferentconditions,thecontroleffectorinthesameparametersundertheconditionofcomparativepositionPIDandincrementtypePID.Throughavarietyofcontrollerfunction,linearcontrolobjectoftheorderof,responsecurvesofstepinput,resultingineachstepresponsecharacteristic.Resultsshowthatthecontrollerdesigniscorrect,practicalandfeasibletechnicalmethod.AndsummedupthePIDKp,Ki,thegeneralorderofKdparameters.Alongwiththecomputertechnology,hasprovidedtheoutstandingsolutionfortheprocesscontrolandtheindustrialautomationapplication.Keywords：virtualinstrument；LABVIEW；PIDcontrol目录１引言................................................11.1课题研究的来源及意义....................................11.2国内外发展状况..........................................11.3PID介绍................................................21.3.1PID控制原理...........................................21.3.2开环控制系统..........................................31.3.3闭环控制系统..........................................32LABVIEW程序设计......................................52.1LABVIEW程序设计简介.....................................52.2PID阶跃响应的LABVIEW程序设计...........................62.2.1前面板设计............................................62.2.2框图程序设计..........................................62.2.3PID控制器设计........................................73实际问题提出分析.....................................83.1设计目的................................................83.2实际问题的提出..........................................83.3实际问题分析............................................93.3.1阶跃响应..............................................93.3.2带PID控制器的闭环系统...............................94PID控制器调节.......................................124.1PID调节规律............................................124.1.1比例（P）控制........................................124.1.2积分（I）控制........................................124.1.3微分（D）控制........................................124.1.4比例积分（PI）控制...................................124.1.5比例微分（PD）控制...................................134.1.6比例积分微分（PID）控制..............................134.2PID调节规律对系统稳定性的影响..........................144.2.1比例调节作用.........................................144.2.2积分调节作用.........................................144.2.3微分调节作用.........................................144.2.4比例积分调节作用.....................................144.2.5比例微分调节作用.....................................144.2.6P、I、D控制特性的一般结论...........................154.3P、I、D控制算法选择....................................154.3.1比例控制器系数的设置.................................164.3.2比例积分控制器系数的设置.............................164.3.3比例微分控制器系数的设置.............................164.3.4比例积分微分控制器系数的设置.........................164.4PID算法最终形式.......................................164.5稳定性.................................................174.6优化过程...............................................174.7偏差...................................................175总结................................................20参考文献...............................................21致谢....................................错误!未定义书签。1１引言1.1课题研究的来源及意义国际上有一些研究文章阐述了目前工业控制的状况，利用LABVIEW进行PID控制器的设计具有重要的意义，它可以对比例系数、积分系数和微分系数进行调整，很快的确定PID的三个参数，实现对控制系统设定值的跟踪和快速消除扰动，使控制系统达到最佳控制效果。而LABVIEW有一个比较大的函数库，包括数据采集、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等[1]。PID的应用很方便，若果我们不完全了解一个系统和它的被控对象，或者说不容易利用某种测量方式测得系统参数时，PID控制技术适用于这个系统。总得来说，PID控制包括PI和PD的控制，它就是根据系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。1.2国内外发展状况仪器仪表技术既是现代科技的前沿技术,也是信息产业的关键技术，它是信息产业的基础与源头。虚拟仪器技术是仪器仪表技术的最前沿技术，也是测试技术和计算机技术综合的产物,代表了现代测试技术和仪器技术的发展方向。虚拟仪器的软件开发平台很多,目前最具代表性的虚拟仪器开发平台就是美国国家仪器(NI)公司的LabWindows/CVI、LABVIEW和惠普公司的HPVEE(AgilentVEE)[2]。LABVIEW是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的,类似于C和BASIC开发环境。但是LABVIEW与其他计算机语言的显著区别是，其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LABVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。控制方法理论自从1940年以来，推出了许多先进控制方法，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。但是，参数单一不变的PID控制器，在负载、环境变化的条件下控制效果明显变差。这时需要经验丰富的工程师重新设定PID参数以适应变化。这样费时费力，能满足现代化工业生产的需求。因此，PID参数自整定技术受到越来越广泛的关注。特别是在高品质的运动控制专用DSP出现后，使得在线实现PID参数自整定技术日益成熟。在生产过程中为了提高产品质，增加产量，节约原材料，要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计