基于LabVIEW的自整定PID控制器設(shè)計與分析

關(guān)艷翠　趙碩偉　楊振元

摘 要：為進一步提高工業(yè)控制效果，本文引入LabVIEW工程開發(fā)平臺，利用其提供給的友好人機交互界面和較強的數(shù)據(jù)采集與處理功能對基于繼電反饋的PID控制器展開了詳細的設(shè)計。仿真分析結(jié)果表明，基于LabVIEW的自整定PID控制器設(shè)計能夠有效提高工業(yè)生產(chǎn)的控制效果，具有良好的使用與推廣價值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)過程控制；LabVIEW；自整定PID控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.193

1 繼電反饋PID自整定技術(shù)分析

首先，對PID控制器的基本結(jié)構(gòu)進行分析。反饋控制系統(tǒng)中，以y和ysp分別表示系統(tǒng)輸出和預(yù)先設(shè)定值，以e=ysp-y表示控制誤差，u表示控制信號[1]。給出如式1所示的經(jīng)典PID控制器傳遞函數(shù)：

Gc（s）=KP（1++s） （1）

其中，KP、和分別表示比例增益、微分時間和積分時間。需要說明的是，因不同工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)ID控制器的性能要求具有較大差異，故應(yīng)對其結(jié)構(gòu)進行針對性改動從而確保達到預(yù)期控制效果。通常情況下，實際應(yīng)用中的PID控制器大都被進行了微分增益的限幅，由此，其傳遞函數(shù)可改寫為如下形式：

Gc（s）=KP（1++） （2）

其次，給出機電反饋PID的自整定法相關(guān)原理。機電反饋PID自整定法是以非參數(shù)模型辨識為依托的自整定法，該方法中，具有機電特性的非線性控制被相應(yīng)的閉環(huán)控制回路所引入，以達到使被控過程產(chǎn)生極限環(huán)振蕩的目的，同時，以得到的極限環(huán)振蕩曲線為依據(jù)獲得相應(yīng)模型的特征參數(shù)，簡單說來就是獲取模型的振蕩周期與臨界比例系數(shù)Ku和Tu，在此基礎(chǔ)上，借助Z-N臨界比例度的參數(shù)整定表實現(xiàn)具體的PID參數(shù)計算。待整個自整定控制結(jié)束后，反饋控制系統(tǒng)將自動切換到PID控制模式。

2 基于LabVIEW PID控制器的設(shè)計

2.1 PID控制器設(shè)計

PID控制器設(shè)計流程如下：LabVIEW首先變換其采集的被控過程輸出量的具體標度，而后，將變換后的標度值與設(shè)定值進行比較。需要說明的是，在自整定開始后，如果輸出量超出了期望值，則可將其等效于繼電器在關(guān)閉狀態(tài)下輸出的電壓幅值（以m表示）；如果輸出量小于期望值，則可將其等效于繼電器在導(dǎo)通狀態(tài)下輸出的電壓幅值（以M表示。其次，LabVIEW會對控制量施加轉(zhuǎn)換操作，從而生成PWM波，生成的PWM波在抵達相應(yīng)的模擬輸出通道后，繼電器在關(guān)閉和導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓幅值m和M的占空比則分別為0和100%[2]。在自整定過程結(jié)束后，平臺則根據(jù)對應(yīng)的極限環(huán)振蕩曲線對被控對象的特征參數(shù)，即Ku和Tu進行計算，而后，利用Z-N臨界比例度對PID控制器參數(shù)予以計算，并將算得的參數(shù)傳至PID自整定控制器中用以切換PID自動控制模塊。

2.2 LabVIEW程序設(shè)計

基于LabVIEW的PID控制器設(shè)計中，平臺程序的設(shè)計主要包括以下兩方面工作：（1）前面板設(shè)計。用戶同程序?qū)崿F(xiàn)對接的接口便是LabVIEW的前面板程序，設(shè)計人員可利用LabVIEW創(chuàng)建相應(yīng)的圖形化界面，在確保該界面友好的基礎(chǔ)上，增加結(jié)果分析的直觀性。以自整定PID控制器VI前面板程序框圖為依據(jù)，利用該程序，控制人員可實現(xiàn)對不同被控過程輸出波形的同步獲取[3]。

程序框圖設(shè)計。前面板對象的控制可借助程序框圖的編程來實現(xiàn)，而程序執(zhí)行順序的最直接的影響因素則為對應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)流向。設(shè)計過程中，可利用程序框圖中節(jié)點的數(shù)據(jù)流向形成對前面板I/O量的控制，以保證程序可以個人根據(jù)事先設(shè)定的功能順利運行。基于LabVIEW的自整定PID控制程序框圖如圖1所示，其中，a圖表示采集的數(shù)據(jù)與前面板輸入數(shù)據(jù)的預(yù)處理和自整定過程，b圖為系統(tǒng)進入PID控制模式。

3 仿真結(jié)果分析

為進一步驗證基于LabVIEW的自整定PID控制效果，以具體的工業(yè)模型（式3）為例展開仿真控制工作，具體如下：

G（s）= （3）

令M和m分別為5.4V和0.0V。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，于t=320s時向其中加入0.05V幅值的階躍擾動，圖2為相應(yīng)的軟件方針與系統(tǒng)實施控制曲線圖，由圖2了解到，基于LabVIEW的自整定PID控制系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)振蕩，也正因如此，其才順利完成了PID控制模式與參數(shù)自整定間的轉(zhuǎn)換，在此過程中，PID控制系統(tǒng)在自身工作穩(wěn)定性以及抗干擾性以及對工業(yè)過程的控制精度均得到了有效改善。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的LabVIEW自整定PID控制器的仿真結(jié)果表明，以LabVIEW作為平臺支撐的自整定PID控制器無論在對工業(yè)過程控制的適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面，還是對工業(yè)控制過程的控制精度與干擾性方面均具有良好效果。未來，還需進一步加強對基于LabVIEW自整定PID控制器的設(shè)計與研究，為提高工業(yè)過程控制效果，促進工業(yè)產(chǎn)業(yè)健康、穩(wěn)定發(fā)展提供可靠的技術(shù)保障。

參考文獻：

[1]肖奇軍，李勝勇.模糊自整定PID控制器設(shè)計以及MATLAB仿真分析[J].計算機仿真，2013，09（15）：242-244.