用Labview实现的电机PID控制 毕业论文.docx

tongji zhejiang college毕业设计（论文） 课题名称： 用labview实现的电机pid控制 副 标 题: 系 名 称： 机械与电气信息工程系 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 1013003 指导教师: 日 期： 2014年5月22日 毕业设计（论文）报告纸用labview实现的电机pid控制 【摘要】在电机转动过程中，由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到转速保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给pid控制器，改变过程变量值(简称pv值)，经变送器送至pid控制器的输入端，并与其给定值(简称sp值)进行比较得到偏差值，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(sp值)，以达到控制目的。本文基于labview软件中的pid模块，完成以下工作：（1） 认识labview软件和其中pid模块，设计辅助学习pid控制系统的仿真系统。（2） 利用labview设计一个简单测频仪并仿真。（3） 将电机控制板块在电路板上焊接完成，利用ni elviesmx完成该电路测量和调试。（4） 利用labview设计pid控制程序，实现对电机系统的pid控制和调节。运行结果显示，结合labview进行试验的方法简单有效，运用labview的pid模块设计pid控制程序不仅方便，而且简单易懂，调节方便，观察分析方便。【关键词】labview；电机；pid ；控制motor pid control based on labviewprofessional 10automation name wu yalangstudent id number 1013003the instructor liu gushan【abstract】in the process of motor rotation, due to various disturbance from the outside constantly, in order to achieve the purpose of speed constant, control action must be constant. if disturbance makes the scene control object values change, the detecting element is this change will be recorded and transmitted to the pid controller, the change process variable values (pv), via the transmitter to the pid controllers input, and its set value (sp) compare get deviation, regulator according to the deviation and with our preset setting parameters of the control law signal control, to change the regulator opening, make the regulator of the open degree of increase or decrease, so that the control object values change, and tends to the given value (sp), in order to achieve the control purpose. this article is based on the labview software pid module, do the following:(1) understanding the labview software, and the pid module, design assisted learning simulation system of pid control system.(2) using labview to design a simple frequency measuring instrument and simulation.(3) the motor control plate was completed on the circuit board welding, using ni elviesmx measurement and complete the circuit debugging.(4) using the labview design pid control procedures, implementation of pid control and regulation of motor system.running results show that the combination of labview test method is simple and effective, using labview pid module design pid control program is not only convenient, and easy to understand, convenient adjustment, easy observation analysis.【key words】labview ;motor ;pid; control目 录1 绪论41.1 前言41.2 课题的背景和意义41.3 虚拟仪器的概念41.4 labview的介绍51.5 pid控制的介绍51.6 研究内容62 基于labview的自控原理设计72.1 虚拟仪器的功能模块72.1.1 daq助手72.1.2函数信号发生器82.1.3 提取单频信息92.1.4 while循环112.1.5 pid模块112.2 基于labview的程序设计原理132.2.1 利用ni elvismx进行电路板的测试132.2.2 频率测量仪的设计152.2.3 pwm波形模拟输出的完成和仿真162.2.4电压输出模拟输出的完成和仿真183 基于labview的自控原理实验193.1 pid控制的原理和特点193.2基于labview的电机pid控制程序设计204 基于labview电机pid控制仿真234.1 利用pid进行仿真控制234.2 控制器参数整定284.2.1 凑试法295 结 论306 实验中出现的不足和注意事项31参考文献32谢 辞33iii1 绪论1.1 前言 “自动控制原理”是工业自动化专业一门重要的专业基础课，要求学生掌握自动控制系统的分析及设计方法，为设计和调试工业自动控制系统打下基础。自动控制课程中，实验是一种重要的教学手段，学生通过做实验，可以加深对所学知识的理解，提高动手能力，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。但是目前自动控制实验教学存在一系列问题，例如实验设备和实验场地数量有限，实验设备老化严重以及严重缺乏实验指导教师等，因此各种虚拟实验方法相继提出。随着虚拟仪器技术的出现和计算机技术的发展，采用ni公司的labview编程语言，开发出基于labview虚拟实验系统，结合第三方公司提供的数据采集卡，对虚拟实验系统稍加改动就能够实现既可以在课堂上进行模拟实验，又能结合学校原有的硬件电路设备进行硬件实验的综合实验系统，可以显著提高教学效果和实验效果电机控制理论方面。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。电力电子器件是实现弱电控制强电的关键所在。虚拟实验系统具有交互式人机接口和界面友好的特点。通过课堂上的模拟实验，可以更好的帮助学生理解、消化、吸收所学内容，重点解决教学及实验过程1.2 课题的背景和意义labview像c或c+开发环境一样，也是一种程序语言开发环境，但与现有的计算机高级语言不同的是，labview采用图形化编程语言g语言，产生块状的程序。labview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，如设置断电、单步等。labview的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观测程序中数据及其变化情况，比起其它语言的开发环境更方便、更有效。labview程序又称虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但labview程序容易改变设置和功能。因此labview特别适用于实验室、多种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。利用一套数据采集硬件设备，通过不同的软件编程，就可以实现多个仪器的功能。采用虚拟仪器技术，不仅大大节约经费，还可以有效提高实验室建设水平，为大学实验仪器建设提供了一条新可行的途径。虚拟仪器具有仿真的用户面板，学生通过操作虚拟面板就可学习和掌握仪器原理、功能与操作。虚拟仪器采集的是现场真实的物理数据，可通过与其它仪器、电路的相互配合，完成实际实验过程，达到与用实际仪器教学相同的实验目的。在很大程度上，虚拟仪器可以代替真实仪器进行实验教学。学生在进行实验时不必担心弄坏仪器，可以极大地提高学生的学习兴趣、激发学生自主学习的积极性。1.3 虚拟仪器的概念虚拟仪器（virtual insturment，简称vi)，是仪器技术与计算机技术深层级结合的产物，它是全新概念的仪器，它通过软件将计算机硬件资源（如微处理器、内存、显示器）与仪器硬件资源（如a/d、d/a、i/o信号调理等）结合起来，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器的概念是适应卡式仪器发展而提出的，传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成，而卡式仪器由于自身不带仪器面板，所以必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时就像是在操作一台他自己设计的传统电子仪器。1.4 labview的介绍labview是一种基于图形的集成化程序开发环境，实现了虚拟仪器的概念，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，强调了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。labview是一种结构化解释型开发平台。结构化是指labview的程序完全支持顺序结构、循环结构和条件结构3种标准结构。同时又是由模块化的形式组成的，它的每一个子程序都称为一个vi，子程序之间可以互相调用。所谓解释型是指用labview开发的软件无法在windods操作系统下直接运行，所以软件必须在labview的平台支持下运行，也就是说labview不能生成真正的可执行文件。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备之间的连接和集成总需耗费大量时间，并不是轻易可以完成的。虚拟仪器软件平台为大部分i/0设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、分布式i/o等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。虚拟仪器改变了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。系统的功能、规模等可以根据用户的需要，通过软件的修改、增减，方便地同外设、网络及其它应用连接，为虚拟仪器加入新的测量功能，故虚拟仪器可作为许多仪器设备来使用。在驱动和应用两个层面上，优秀虚拟仪器开发平台已经将其高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能，让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。另外，由于充分利用了计算机技术，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，完善了数据的传输、交换等性能使得组建系统变得更加灵活和简单，增强了数据处理能力。虚拟仪器作为现代仪器仪表发展方向，已迅速成为一种新的产业，尤其在发达国家中发展更快，其设计、生产和使用已经十分普及，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。1.5 pid控制的介绍在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。pid控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术。pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的pid控制器产品，各大公司均开发了具有pid参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator），其中pid控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。1.6 研究内容将各个基本环节焊成电路板，结合labview的图形显示功能，观察输入波形经过之后的直流电机转速变化，从图像中获取超电机转速频率和设定值的关系，研究pid控制。2 基于labview的自控原理设计2.1 虚拟仪器的功能模块 2.1.1 daq助手信号输入和输出部分可以借助daq助手来实现，也可以使用daq通道来实现。在ni-daqmx中，任务是包括一条或多条通道以及定时、触发等属性的集合。从概念上来说，任务就是要进行的测量或生成。daq助手总共有十个端口，6个输入，4个输出。 图2-1 daq助手程序框图输入部分数据：包含要写入任务的采样。数据可作为测量任务的输出，以及模拟/数字输出任务的输入。计数器输出任务无数据接线端。错误输入：说明express vi运行前发生的错误。采样数：指定有限数据采集任务中每通道采集或生成的采样数。 对于有限数据采集任务，vi忽略该输入的设置，而不是初始输入的设置。 例如，在循环中使用该vi时，可在每次迭代中指定新的值，但ni-daqmx仅使用第一迭代时指定的值，忽略其它值。 如需在循环中运行多个有限数据采集任务（例如，生成多个包含不同数量脉冲的脉冲序列），可使用该vi生成代码。对于连续数据采集任务，ni-daqmx使用该值确定缓冲区大小和从缓冲区读取的采样数。该输入不适用于某些通道和采样定时类型。采样率：指定采样率，以采样/通道为单位。 该输入不适用于某些通道和采样定时类型。 如使用外部源作为采样时钟，应将该输入设置为时钟的最大预期速率。停止：指定在express vi完成执行后停止任务，释放设备资源。 对于连续数据采集任务，默认状态下，该输入为false。应用程序停止后，该任务仍可继续执行。 如需停止任务，在相同的应用程序中使用设备，可将该输入与while循环的条件接线端连线至相同的停止按钮。 对于单点有限数据采集任务，默认状态下，该输入为true。采样完成后，该任务停止。 在循环中使用该express vi时，如需优化单点有限数据采集的性能，可将该输入与while循环的条件接线端连线至相同的停止按钮。超时：指定等待vi读取或写入全部采样的时间，以秒为单位。 在超时状态下，vi将返回错误。 对于输入操作，vi将返回超时前读取的所有采样。 默认的超时值为10秒。 超时值为-1时，vi将无限等待。 如设置超时值为0，vi将尝试读取或写入采样一次，并在无法完成操作时返回错误。 只有在vi等待读取或写入采样时，ni-daqmx才进行超时检查。 该输入不适用于某些通道和采样定时类型。程序框图输出部分数据：包含要读取任务的采样。数据可作为测量任务的输出，以及模拟/数字输出任务的输入。计数器输出任务无数据接线端。错误输出：包含错误信息。如错误输入表明错误发生在express vi运行前，错误输出将包含相同的错误信息。 否则，错误输出将表明express vi产生的错误状态。已停止：表示任务是否停止执行。 如停止输入为true或发生错误，任务将停止执行。 该输出仅适用于连续或硬件定时单点任务。任务输出：函数执行结束后，包含对任务的引用。 连续该输出至其它ni-daqmx vi，可通过该任务进行其它操作。本次实验将daq用作一个与硬件联系的端口，所以只用到程序框图的一个连接口，设置成信号生成接口或者是信号采集接口。2.1.2函数信号发生器信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（s/n）均优于模拟，其锁相环（ pll）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。labview中自带简易的函数信号发生器，总共12个端口，能够产生4种波形：正弦波、三角波、锯齿波、方波。我们这次会用到方波。图2-2函数信号发生器偏移量指定信号的直流偏移量。默认值为0.0重置信号如值为true，相位可重置为相位控件的值，时间标识可重置为0。默认值为false。信号类型是要生成的波形的类型。刚建立发生器之后默认为正弦波。sine wave（正弦波）、triangle wave（三角波）、square wave（方波）、sawtooth wave（锯齿波）。频率是波形频率，以赫兹为单位。默认值为10。幅值是波形的幅值。幅值也是峰值电压。默认值为1.0。 相位是波形的初始相位，以度为单位。默认值为0。如重置信号为false，则vi忽略相位。错误输入（无错误）表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。采样信息包含采样信息。fs是每秒采样率。默认值为1000。#s是波形的采样数。默认值为1000。方波占空比是方波在一个周期内高电平所占时间的百分比。仅当信号类型是方波时，vi使用该参数。默认值为50。信号输出是生成的波形。相位输出是波形的相位，以度为单位。 错误输出包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。 2.1.3 提取单频信息 本次实验中，需要测量波形的频率，所以用到了提取单频信息这个元件。图2-3 提取单频信息对话框选项时间信号输入是时域波形。导出模式选择要导出至导出的信号的信号源和幅值。错误输入（无错误）表明节点运行前发生的错误。该输入将提供标准错误输入功能。高级搜索控制频域搜索范围，中心频率和频率宽度。高级搜索可用于限制单频搜索范围。近似频率是用于在频域中搜索单频的中心频率。默认值为-1.0。vi可在全频范围(0, fs/2)搜索单频。搜索指定频率宽度，格式为采样率的百分数，用于在频域中搜索单频频率。导出的信号中包含由导出模式指定的信号。导出的时间信号是包含导出模式指定的导出时间信号的波形。导出的频谱(db)是由导出模式参数指定的导出时间信号的频谱。f0返回谱的起始频率，以赫兹为单位。df返回谱的频率分辩率，以赫兹为单位。db频谱(hann)是加（hanning）窗的输入信号的幅度谱，以db为单位。检测到的频率是检测到的单频的频率，以赫兹为单位。检测到的幅度是检测到的单频幅度的峰值。检测到的相位是检测到的单频的相位，以度为单位。使用包角vi改变检测到的相位单位。连接检测到的相位至“包角vi”的角输入端，并为角单位选择角度输入、角度输出或角度输入、弧度输出。错误输出包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。测量信息返回与测量有关的信息，主要是对输入信号不一致的警告。不确定性保留以便今后使用。警告如处理过程中产生错误，则值为true。注释包含当警告为true时显示的警告信息。提取单频信息详细信息。可通过下列方程表示实数单频信号： a、f和分别是单频信号的是幅值、频率和相位，fs是输入波形信号的采样率。可通过下列方程表示复数单频信号： a、f和分别是单频信号的是幅值、频率和相位，fs是输入波形信号的采样率。该vi通常用于在for循环或while循环内部连续处理单通道或多通道。对于实数信号，频率范围是（最小频率，最大频率） = （0，fs/2）。对于复数信号，频率范围是（最小频率，最大频率） = (fs/2, fs/2)。结果：显示express vi设定的测量以及测量结果。单击测量栏中的任何测量项，结果预览中可显示相应的数值或图表。输入信号：显示输入信号。 如连线数据至express vi后运行，输入信号可显示实际数据。如关闭后再打开express vi，输入信号可显示示例数据，直至再次运行vi。结果预览：显示测量预览。结果预览图用虚线表明已选的测量值。 如连线数据至express vi后运行vi，结果预览可显示实际数据。如关闭后再打开express vi，结果预览可显示示例数据，直至再次运行vi。如截止频率值非法，结果预览不显示合法数据。2.1.4 while循环本次实验中要使波形连续采样，所以要在整个程序外加个while循环框。图2-4 while循环重复执行内部的子程序框图，直至条件接线端（输入端）接收到特定的布尔值。连线布尔值至while循环的条件接线端。右键单击条件接线端，在快捷菜单中选择真(t)时停止或真(t)时继续。也可连线错误簇至条件接线端，右键单击条件接线端，在快捷菜单中选择真(t)时停止或真(t)时继续。while循环至少执行一次。2.1.5 pid模块labview软件为了方便所有研究人员使用，具有插入模块的功能，研究此课题我们可以下载插入pid模块，能更方便的完成实验要求。基本pid模块（如图2-5，图2-6）具有6个输入和2个输出接口，如表2-5所示。图2-5 pid模块图2-6 pid模块程序框图表2-7 pid模块接口接口说明设定值（setpoint）信号的输入接口，输入需要进行pid控制的信号作为pid调节的设定值过程变量（process）作为pid控制的过程变量接口，在此pid模块中会先进行减法计算，先将设定值过程变量，再进行pid调节pid 增益（pid games）pid增益接口输入的为pid增益参数的数组，可以设定pid增益：kc，ti，td循环周期时间（dt（s） 如果dt(s)是小于或等于零,这个vi计算时间自上次叫使用一个内部定时器1毫秒分辨率。在此dt(s)必须小于1毫秒重置信号（reinitialize？（f）重置信号的接口为判断输入，输入项为布尔变量输出范围（output range）设定pid调节后的输出范围，在本实验中为输出电压的限制输出（output）pid模块的输出接口，是信号经过pid模块调节后信号输出的接口dt输出（dt out（s）同步输出dt的值，实时观察dt的变化使用此pid模块的同时需注意，不能与labview中的函数信号发生器同时使用，否则pid 就会出错。2.2 基于labview的程序设计原理这次这次实验用到了tip122达林顿管，达林顿管又称复合三极管。它是将两个三极管适当的连接在一起，以组成一个等效的新的三极管。这个新的三极管就是达林顿三极管。其放大倍数是两者放大倍数的乘积。一般应用于功率放大器、稳压电源电路中。还有一些场合，需要中、大功率，即高电压、大电流、开关速度快的继电器控制；其他执行电器连续动作的程序控制等。他们概要满足控制功率要求，更重要的是要满足开关速度要求。在这种情况下，使用一般普通的达林顿管满足不了要求，就需要对达林顿管进行设计。因为tip122达林顿管没有太多值得探讨的，在本次实验中就不做太多讲解了。三极管基极作为达林顿管的输入,集电极接正电源5v，发射极接直流电机，直流电机负极接负电源2.5v，直流电机接负2.5v是为了防止电机在低电压时处于死区状态，这样就可更好地观察电机的转速属性，以便于pid的控制。2.2.1 利用ni elvismx进行电路板的测试本实验将完成如何用三极管放大虚拟仪器的电流以达到可以和labview虚拟实验平台进行衔接的要求，足以使电机启动，达到控制的目的。当所有任务准备就绪之后，开始在面包板上焊接电路，焊接过程中应注意安全，电焊笔的温度高，用好之后应放置在固定的位子，避免自己或他人不小心碰到，发生危险，也防止发生火灾。焊接完成后的电路板如图2- 8所示。由于此电路没有较简易就不一一详述。最后整个电机板块焊接完成，直流电机转盘有刻槽便于光电传感器测量频率，旁边的三极管为了增益labview输出电流，使电机能够转动。完成电路如图2-9所示。最后测试的频率通过示波器仿真得到了频率的图像如图2-10所示。图2-8三极管焊接接电板 图2-9直流电机焊接接电板图2-10示波器显示的波形 2.2.2 频率测量仪的设计daq助手为输出连接提取单品信息模块，这个元器件是软件与硬件的枢纽，是电路板的输出端口，这样电脑上的波形就可以送入电路板中。daq助手设置为采集信号，生成模式为连续采样，待写入采样与采样率必须设置一致，不然图像可能造成卡屏或者无法移动，这里我把它们设置为1khz，硬件设备的物理通道为ai4。daq助手创建两个输入控件，采样数和采样率。采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。采样定理表明采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍，另外一种等同的说法是奈奎斯特定律必须大于被采样信号的带宽。如果信号的带宽是 1000hz，那么为了避免混叠现象采样频率必须大于2000hz。换句话说就是采样频率必须至少是信号中最大频率分量频率的两倍，否则就不能从信号采样中恢复原始信号。daq助手采集到的信号给提取单品信息，可以测量出频率。最后在整个程序外加上while循环，用来替换连续运行功能键，在循环框的右下角接上“停止”输入控件，不然整个程序无法运行。2-11测频测量仪程序图经过自己的测量测量频率测量范围有限，测量的频率要小于采样数的一班，到达一定的值，系统会崩溃，目前最高大概可以测500khz，对于我们电机频率的测量量程够用，符合要求。图2-12前面板2.2.3 pwm波形模拟输出的完成和仿真利用pwm波形的占空比来调节电机的转速是我研究控制电机转速的方法之一。输入器件为函数信号发生器，将频率、幅值、相位、信号类型、偏移量、采样信息、方波占空比这些端口接上输入控件。在函数信号发生器的信号输出口连接daq助手，这个元器件是软件与硬件的枢纽，是电路板的输入端口，这样电脑上的波形就可以送入电路板中。daq助手设置为生成信号，生成模式为连续采样，待写入采样与采样率必须设置一致，不然图像可能造成卡屏或者无法移动，这里我把它们设置为1khz，硬件设备的物理通道为ao0。由图2-15可以知道输出的方波理想能够驱动电机。但是由于直流电机本身在接受方波占空比调节有很大延迟，所以控制就不是很理想最终放弃了。目前为止没有达到理想的调试效果，不过也为后面研究提供了很多经验。图2-13 pwm波形模拟输出程序图利用ni elvismx进行电路板的测试，将电路板连接到pc上，正确连接各接线端，启动电源。在计算机中打开ni elvismx软件，会出现如图2-14所示的选择界面。本实验需要示波器（scope），点击scope图，打开示波器。图2-14 ni elvismx界面选择示波器，点击run按钮，开始发出信号。示波器（scope），如图2-15所示：点击run开始工作，可以得出一条波形曲线，绿色线条为所得方波。图2-15 pwm模拟输出2.2.4电压输出模拟输出的完成和仿真常量通过pid输出口连接daq助手，这个元器件是软件与硬件的枢纽，是电路板的输入端口，这样电脑上的波形就可以送入电路板中。daq助手设置为采集信号，生成模式为连续采样，待写入采样与采样率必须设置一致，不然图像可能造成卡屏或者无法移动，这里我把它们设置为1khz，硬件设备的物理通道为ao0。为了便于控制，将daq助手输出范围设置在-10v到10v之间，这为后调节打下了基础。程序如图2-16所示。图2-16 电压模拟输出 3 基于labview的自控原理实验3.1 pid控制的原理和特点对于一个系统，具有多种控制方式，而采用何种控制能提高控制系统的快速性，稳定性和准确性呢？在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。pid控制器作为最早实用化的控制，至今已有近70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。它以简单易懂、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。pid控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。实际运行经验及理论分析充分证明，这种控制规律用于多数被控对象能够获得较满意的控制效果。pid控制器是由比例单元（p）、积分单元（i）和微分单元（d）组成，其输入为error（t），输出为u（k）。模拟pid控制系统原理框图如图3-1所示。系统由pid控制器和被控对象组成。被控对象微分积分比例+r(t)+e(t)+u(t) y(t)-+ 如图3-1模拟pid控制系统原理图pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差。error(t)= rin (t)-yout(t) pid的控制规律为： 或写成传递函数的形式： 式中，kp比例系数；ti积分时间常数；td微分时间常数。pid控制具有以下优点：(1) 原理简单，使用方便。(2) 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。(3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。(4) pid参数较易整定。pid参数kp，ki和kd可以根据过程的动态特性及时整定。3.2基于labview的电机pid控制程序设计控制器件为pid模块，将设定值、pid参数、输出范围、信号类型这些端口接上输入控件。为了使数据能与其他模块相连接，将需要变化的设定值、输出范围、pid参数控件替换数组控件， 在pid模块的信号输出口通过减函数连接daq助手，这个元器件是软件与硬件的枢纽，是电路板的输入端口，这样电脑上的波形就可以送入电路板中。减函数输入控件也为数组输入，值为4，pid输入减四，是为了防止设定值r(t)为0的时候，e(t)等于5，直流电机转速很快，不会停下来，减4之后转速就几乎为0，达到了理想效果。由于daq助手不能识别数组，必须经过动态将数值、布尔、波形和数组数据类型转换成可与express vi配合使用的动态数据类型。daq助手设置为生成信号，生成模式为连续采样，待写入采样与采样率必须设置一致，不然图像可能造成卡屏或者无法移动，这里我把它们设置为2khz，硬件设备的物理通道为ao0。要将输入波形经过电路板后形成的波形呈现在vi界面上，所以要建立第二个daq助手作为硬件的输出端口，软件的输入端口，参数设置为采集信号，采集模式为n采样，不然图像不会同步，待读取采样、采样率和接线端配置必须与前一个daq助手一致，硬件设备的物理通道为ai4。将daq助手2的输出连接到提取单频信息模块，然后提取单信息的检测频率输出扣连接pid模块的过程变量输入控件，由于提取单频信息测频模块所测到的频率不稳定，有时测到的频率会远大于系统稳定范围内最大的频率，所以要通过数组比较模块来筛选，所测频率和设定值10比较大小，比10小就选原值，比10大就选10，所测频率和设定值-10比较大小，比-10大就选原值，比-10小就选-10，经过比较模块，可得到-10到10之间的频率，这个区间的数组也符合daq助手的范围。daq助手2的输入控件，采样数和采样率要一致，上面详解，不再做过多分析。在通过过滤环节之后，再输入pid的过程变量形成反馈环节，这样通过daq助手和pid模块，我们构造了简易的闭环控制系统从而达到电机的自我调整。如图3-2所示。最后在整个程序外加上while循环，用来替换连续运行功能键，在循环框的右下角接上“停止”输入控件，不然整个程序无法运行。如图3-2模拟pid控制系统程序框图完成labview设计以后，我们将电路板连接到面包板上，应注意输入输出的接口对应，一切准备就绪之后，打开电源，运行程序观察前面板。调节不同的参数，可以测到不同的频率。运用这个程序，我们可以对相应的电路进行pid控制，完成电路的调试与运行。首先将输出电压范围设置好，这里由于实验条件有限，三极管不大稳定，再加上daq的原因只能将电压限制到正负10v以内调试，在得到一些有研究价值的数据。采样数和采样率我们只设定2000左右，足够测量直流电机在低压下运行的转速。这次实验不大完整，做的闭环由于实验条件超过设定就会减速直至停止，再加上测频器的不成熟，使得实验差强人意的进行，最后才将直流电机实现自动控制。如图3-3程序前面板所示，当kc=2,ti=0,td=0,设定值为15时，电机转速频率低于15时会加速转动，超过15时电机会减速但不会停猪，所以频率一直在15附近。由于实验条件有限，硬件系统不太稳定，波形图不能显示出来。再加上ti,td参数调试很难判断,所以在后面的pid模型仿真里面加以研究pid参数分析。如图3-3程序前面板 4 基于labview电机pid控制仿真4.1 利用pid进行仿真控制前面已经做好基于labview的直流电机pid控制实验，由于条件有限波形一直读不出来，在基于实验原理的基础上来设计的电机pid控制模型。输出模块用二阶传递函数代替，pid模块用pid模型代替，daq助手用传递函数模型代替。经过仿真调试试，可以进行需要研究的pid参数设定分析。到此为止，所有准备工作已经完成，可以开始进行仿真调控了，打开labview新建vi。进入程序编辑面板，将自制的方波编辑至程序面板。提取控制设计pid模型：鼠标右键空白处控制设计与仿真cdpid.vi，如图4-1所示。完成后的前面板程序框图如图4-3所示。图4-1 pid模型定位图4-2程序框图界面当然，程序面板还需要对开关，输入输出量，反馈传递函数，阶跃响应图表的属性节点进行设置，设置过程过于繁琐，可根据个人喜好进行设置，在这里就一一介绍了。程序界面完成后，切换至前面板，进入前面板的编辑状态，本实验用到的主要控件阶跃响应图表，数值输入控件，数值串显示控件，布尔开关，布尔指示灯，以及一部分波形图表的属性节点。其中阶跃响应图表显示输入输出信号，布尔开关控制系统的运行开始，布尔指示灯与字符串显示控件显示程序的工作状态，数值输入控件分为两个个部分：一是二阶阶跃输入，调节输入信号阶跃信号的静态增益、固有频率、阻尼比；二是pid增益调节，调节pid增益kp、ki、kd。有三个显示方程框，分别是pid控制,二阶传递和二阶pid的方程表达式。并联后的完成后的前面板界面如图4-3所示。为了方便观察和记录，我另外添加了数量时间参数响应模块，这样就可以很直观的观察到系统的超调量，峰值，峰值时间和稳定时间，稳态增益等值。有上述数值我得显现我们就可以比较直观方便的找到二阶系统的稳态状态，临界状态，震荡状态如图4.4所示。图4-3 前面板界面图4-4 前面板界面另外为了方便我们分析二阶系统，还另外增加几种察看方式。能纵向，横向，局部，全部等放大缩小功能的缩放如图4-5所示。能显示横坐标，纵坐标的定位游标如图4-6所示.能直接在波形移动xy轴的两种方式，可以快捷的移动自己想要分析的点如图4-7所示。最后还有你可以把视角移动到响应图的任何点，便于我们观察其稳态，临界值的趋向，以便更好的为后来的调试做准备如图4-8所示。 图4-5缩放功能前面板界面 图4-6 xy显示前面板界面 图4-7定位前面板界面图4-8拖动功能前面板界面分析运行结果，可以看出在这组参数下超调次数少，超调量叫小。由此分析结果，我们可以增大参数p的值，令p=1，静态增益等于1，=1.4，i=0，d=0其他值不变，运行结果如图4-9所示。图4-9 =1.4的运行结果上图中的波形用于观测和分析，超调量接近于0，基本满足要求，故我们将=1.4保存。调整固有频率，我可以发现上升时间变短和峰值变小。这几实验我们主要分析阻尼比大于0的状态。逐渐增加的值，当1.4时，系统处于稳态，没有出现峰值。当1，系统逐渐趋于平稳如图4-14所示。通过不断的分析图形的变化和超调量，以及稳态的出现，我们就可以大致确定pid参数最佳优化参数范围，这样既迅速又准确的实行自动控制。图图4-14 ki=35 kd1 kp=1的运行结果4.2 控制器参数整定 根据实验仿真，我阅读了关于pid参数整定的方法，我整理了下面几条。控制器参数整定：指决定调节器的比例系数kp、积分时间ti、微分时间td和采样周期ts的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。 整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。为了便于掌握，我就只简单介绍一下凑试法。4.2.1 凑试法 按照先比例（p）、再积分（i）、最后微分（d）的顺序。 置调节器积分时间ti=，微分时间td=0，在比例系数kp按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数kp。求得满意的1/4衰减度过