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摘要 基于虚拟仪器的复杂系统控制器设计 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：刘撷捷 指导教师：杨智教授 摘要 虚拟仪器是基于计算机的仪器，是电子测量和计算机测试的前沿技术。虚拟 仪器拥有卓越的分析功能和强大的数据采集处理及运算功能，配合其工程平台 l a b v i e w ，它将会成为今后控制领域及仪器仪表领域发展的一个重要研究和应用 方向。 在控制领域，复杂系统控制器设计问题一直是研究人员和工程师所关注的重 点。现如今，尽管有许多先进的、“智能 化的控制器涌现出来，但是在工业控制 中，仍然有9 0 以上的控制过程使用经典的p i d 控制器。本文尝试以美国n i 公司 的图形化编程语言l a b v i e w 、控制设计工具包及仿真模块作为开发平台，设计了 一类通用过程控制系统。该系统功能包括简便地建立对象模型及其性能分析、仿 真设计合适的控制器、以及对实际的被控对象进行实时控制。而在控制器的设计 过程中，研究人员不仅可以设计参数手动整定p i d 控制器，也可以使用本文设计 的继电反馈p i d 参数自整定控制器。通过对工业过程中几种典型的被控对象进行 仿真及实时控制实验，证实了该系统的稳定性以及本文所设计的自整定控制器算 法利用虚拟仪器技术实现的可行性和抗干扰能力的有效性。仿真及实时控制效果 令人满意，对自动化研究者具有较大的科学方法理论验证及工程实用价值。 关键词：l a b v i e w 、p i d 、自整定、继电反馈、系统仿真、实时控制 d e s i g no fc o n t r o l l e ro nc o m p l e xs y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t m a j o r ：m e a s u r i n gt e c h n o l o g y & a u t o m a t e de q u i p m e n t n a m e ：l i ux i q i e s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gz h i a bs t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n ti st h ei n s t r u m e n tb a s e do nc o m p u t e r , i ti sa d v a n c e dt e c h n i q u ei n e l e c t r o n i cm e a s u r ea n dc o m p u t e rt e s t i n g w i t ht h ee x c e l l e n ta n a l y t i ca n dp o w e r f u ld a t a a c q u i s i t i o na n do p e r a t i o nf u n c t i o n , v i r t u a li n s t r u m e n tw i l lb et h ed i s q u i s i t i v ea n d a p p l i e de m p h a s e si nt h ec o n t r o la n di n s t r u m e n tf i e l dc o o p e r a t ew i t he n g i n e e r i n g p l a t f o r ml a b v i e w t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e ri nc o m p l e xs y s t e mi sa t t e n t i v es i g n i f i c a n t l yb y r e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r $ n o w a d a y s ，al o to fa d v a n c e da n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rc o m e o u t , b u tt h e r ei ss t i l lm o r et h a n9 0 p i dc o n t r o l l e ri nt h ep r o c e s sc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , au n i v e r s a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d , w h i l eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wi st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，c o m b i n i n gw i t hc o n t r o ld e s i g nt o o l k i ta n d s i m u l a t i o nm o d u l e t h er e s e a r c h e r sc a nm o d e la n da n a l y s et h ec o n t r o lp l a n te a s i l y , d e s i g nac o n t r o l l e ri ns i m u l a t i o na n dc o n t r o lt h er e a lo b j e c to n - l i n ew i t ht h i ss y s t e m i n t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e r , t h er e s e a r c h e rc a nn o to n l yd e s i g nt h em a n u a lt u n i n gp i d c o n t r o l l e r , b u ta l s ot h ea u t o m a t i ct u n i n gc o n t r o l l e r t h es i m u l a t ep r o c e s sa n dt h e r e a l - t i m ec o n t r o lf o rt h ec l a s s i c a ls y s t e m si nt h ei n d u s t r ya p p r o v et h a tt h ea b i l i t yo ft h e s y s t e mi ss t e a d ya n dt h ea r i t h m e t i ci s r e a l i z a b l eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ta n d a v a i l a b l ew h e ni ta g a i n s tt h ed i s t u r b a n c e s m o r e o v e r , t h ec o n t r o le f f e c ti ss os a t i s f y i n g t h a tt h i ss y s t e mi sh e l p f u lt oc o n f n - mt h es c i e n t i f i ct h e o r yf o ra u t o m a t i o nr e s e a r c h e r s a n da v a i l a b l ei nc o n t r o le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：l a b v i e w , p i d ，a u t o m a t i ct u n i n g , r e l a yf e e d b a c k , s y s t e ms i m u l a t i o n , r e a l - t i m ec o n t r o l m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：云乍陵徒 日期：7 口o 年多月岁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：备f 刁玖礁， 日期：加匆年6 月乡目 导师签名：彬v 日期：丸p 年6 月甲日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，是对传统仪器概念的 重大突破，它的出现使测量仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新 时代，是仪器领域的一次革命。l a b v i e w 作为虚拟仪器开发环境在测试系统中得 到广泛的应用，推动着仪器工业的飞速发展。l a b v i e w 独特的基于g 语言的图形 化编程方式，配合n i 公司的数据采集硬件及丰富的软件资源，能够方便地现实各 种物理量数据采集，更可利用丰富的信号分析处理函数对数据进行处理。因此， 应用虚拟仪器技术不仅可以完成测量任务，还能将其拓展到自动控制领域，构成 一种基于虚拟仪器的控制系统【l 】。 与传统仪器不同，虚拟仪器是由通用计算机和一些功能化硬件模块组成的仪 器系统，它利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分硬件的软件化，节省了物 质资源，增加了系统灵活性，在这种仪器系统中，不仅仪器的操控和测量结果的 显示是借助于计算机软件显示其及虚拟面板的形式来实现的，而且数据的传送、 分析、处理、存储都是由计算机软件来完成的，通过软件技术和相应数值算法， 实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，并且通过图形用户界面( g u l ) 技术， 设计友好的人机交互界面。基于虚拟仪器的信号检测系统具有性能高、扩展性强、 开发时间少，以及出色的集成等特点 2 1 。 从标准的单回路p i d 控制到包括数百个p i d 控制器组成的分散控制系统，p i d 控制技术因其结构简单、鲁棒性好而被广泛应用，其所涉及的领域众多，包括仪 器仪表、过程控制、汽车、飞机、太空探测等。特别是在工业过程控制中，有超 过9 5 的控制回路具有p i d 结构【3 】。p i d 控制器虽然被广泛应用但其参数的整定 一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万 别，又有滞后、非线性等因素，使p i d 参数的整定有一定的难度，为此人们提出 了自整定p i d 控制器。自整定技术的发展大大减轻了控制工程师现场调试的工作 中山大学硕士论文 量，节省了大量的时间，整定结果更加可靠，并且使一些复杂但是更加精细的设 计方法得以应用于实际过程工业控制。其中，由a s t r o m 和h a g g l u n d 提出的继电 反馈的p i d 参数自整定算法被广泛应用于商品化温度控制器t 4 1 。 本文基于虚拟仪器的开发平台l a b v i e w ，设计了一类通用过程控制系统，利 用继电反馈p i d 参数自整定控制器对被控对象进行控制，不仅能进行离线仿真， 而且能对实时控制效果进行分析。因此，本文所研究的内容不仅对控制学科有较 好的理论仿真设计价值，而且对实际工业过程控制自动化仪表中嵌入虚拟仪器p i d 参数自整定也具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 虚拟仪器是上世纪9 0 年代初期出现的一种新型仪器，早期的虚拟仪器系统是 数据采集系统、g p i b ( 通用接口总线) 仪器系统、v x i 仪器系统以及它们三者的 组合。利用g p i b 虚拟仪器将许多以前由硬件完成的信号处理工作，交由计算机软 件进行处理，这样用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，以满足多样化 的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的测试系 统开发周期缩短，费用降低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于维护 和扩展 5 】。因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向。 虚拟仪器发展初期主要应用于仪器测量领域，而随着其软硬件技术的不断发 展，虚拟仪器的应用也越来越广泛。目前，虚拟仪器在发达国家中设计、生产、 使用己经十分普及。例如，利用虚拟仪器设计系统用以调节控制水中溶解氧的浓 度【6 】、基于l a b v i e w 平台完成对加速器束流机的测量与控制【丌、虚拟仪器技术在 生物安全识别技术中的应用【8 】、美国的g e o m a t i c s 公司和g o l d s m i t h 公司等利用虚 拟仪器开发工具，研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系绀9 1 、国外许多 大学尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中【i o 】等等。 而在国内，对虚拟仪器的研究起步较晚，但是经过多年努力，我国也已经在 虚拟仪器开发方面形成了自己的特色，应用领域也在不断增加。比如，清华大学 利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检验 【l i 】、虚拟仪器技术在核物理实验中的多种应用【1 2 1 、在机械液压传动系统中运用虚 拟仪器技术的监测系统进行故障诊断【1 3 】、利用虚拟仪器对煤矿井下环境参数进行 2 第一章绪论 测量，用于排除安全隐患【、基于虚拟仪器平台实现电网谐波测试系统，完成对 电网谐波的实时采集、计算与分析【1 5 】等等。 虽然已经经过了长时间的发展，单回路p i d 控制至今仍是应用最广泛的一种 实用控制器。各种现代控制技术的出现对p i d 控制技术的发展起了很大的推动作 用，涌现出了许许多多新的p i d 控制器设计方法，例如，受限最优化设计方法【1 6 】、 基于s m i t h 预测器的设计方法【1 7 1 、基于内模控制的设计方法【i 8 】、模糊p i d 控制器 设计方法【1 9 1 、基于智能技术的控制方法【2 0 l 、多变量p i d 控制方法【2 i 】、神经网络p i d 控制器设计方法【2 2 】等。 正因为p i d 控制器的种类越来越多，而其参数配置的好坏直接决定了控制系 统的性能，因此p i d 参数整定过程就显得格外重要。p i d 控制器的参数整定方法 可以分为三类：非模型方法、非参数模型方法和参数模型方法。对于非模型方法， 整定过程无需辨识过程模型或求出任何特殊频率点。非参数模型方法只需使用部 分模型信息，通常是稳态模型和临界频率点，而不需要过程的初始信息，因此适 合在线整定。参数模型方法需要辨识过程模型，适合离线的p i d 参数整定，参数 模型方法又可以分为非最优化方法( n o n o p t i m a lm e t h o d ) ，基于固定结构控制的最 优化方法( o p t i m a lm e t h o db a s e do nr e s t r i c t e ds 仃u c t i 鹏c o n t r 0 1 ) ，和基于控制信号的最 优化方法( 叫i m a lm e t h o db a s e do nc o n t r o ls i g n a lm a t c h i n g ) 2 3 1 。 对于p i d 参数自整定方法，按工作机理划分，可以分为基于模型的自整定方 法和基于规则的自整定方法。基于模型的自整定方法包括前文提到的非参数模型 方法和参数模型方法，基于规则的自整定方法相当于非模型方法【2 4 】。 基于模型的自整定方法需要对模型进行辨识。参数模型辨识方法首先将过程 假定为一种模型结构，再确定模型的参数。如果模型结构也无法完全确定，则需 要使用一些结构辨识方法首先确定模型结构( 如模型的阶次) 。参数模型辨识使用 的方法有最小二乘法，梯度法，极大似然法。非参数模型辨识方法通过简单的调 节试验获得过程的阶跃响应或频率响应曲线，再由响应曲线的特征辨识过程的非 参数模型【2 3 1 。基于继电反馈的自整定方法【2 5 1 、基于互相关度的自整定方法【2 6 1 、基 于频率响应的自整定方法 2 7 1 和基于内模原理的自整定方法闭都是典型的基于模型 的自整定方法。 基于规则的自整定方法无需获得过程模型，整定的规则类似有经验的操作者 3 中山大学硕士论文 的手动整定。基于规则的自整定过程与基于模型的方法一样，使用阶跃响应、设 定值响应或负载扰动等信息，观测被控过程的特性，若被控量偏离设定值，则基 于规则整定控制器参剡2 9 1 。基于规则的整定方法更适用于连续自适应控制。与基 于模型的整定方法相比，基于规则的整定方法对于处理负载扰动和处理设定值变 化的方法相同，而前者比较适用于设定值变化的情况【3 1 。文献 3 0 】提出的基于模式 识别的自整定方法和文献 3 l 】提出的基于频域辨识的自整定方法都是属于基于规 则的p i d 参数自整定方法。 另外，p i d 参数自整定方法，按自动程度划分，又可以分为全自动和半自动整 定。全自动整定即所谓的“一键整定”，半自动整定需要在调节试验开始之前向自 整定控制器输入一些初始信息。按其他的标准也可以分为常规方法和智能方法， 线性和非线性方法，单变量和多变量方法。目前，有两种自整定方法在实际工业 过程控制中应用较好，一种是基于继电反馈的参数自整定方法( 基于模型) ，另一 种是基于模式识别的参数自整定方法( 基于规则) 瞄】。 从上个世纪6 0 年代开始，控制系统的计算机辅助设计多基于m a t l a b 仿真 平台，其功能强大，对于控制理论研究人员而言确实是一种优秀的仿真工具，但 m a t l a b 难以直接与各种商业控制器相连接，在未知控制算法的情况下无法检验 和比较这些控制器的性能【3 2 】，而虚拟仪器的出现很好地弥补了这一缺陷，l a b v i e w 拥有强大的数据采集功能，能够很方便地与实际对象相连接。然而，现今国内外 研究人员大多将虚拟仪器用于测量检测方面，而对控制系统进行分析设计的例子 还比较少，本文针对这个问题设计了一套基于虚拟仪器的系统，该系统实现对被 控对象的离线仿真以及实时控制，加以改进则可直接应用于商品化的仪器仪表中。 1 3 本文主要研究内容和论文安排 论文基于l a b v i e w 平台，设计了一类通用过程控制系统，研究人员可以根据 需要建立被控对象模型，并对所建立的被控对象模型进行时域及频域分析。在离 线仿真过程中，利用设计的继电反馈p i e ) 参数自整定控制器对建立的被控对象进 行控制，并将得到的结果和手动整定的p i d 控制器效果进行对比分析。最后，利 用设计的p i d 控制器对搭建的实际被控对象进行控制，将得到的结果与仿真的结 果进行比较分析。 4 第一章绪论 本文内容总共分为六章： 第一章：绪论，主要阐述了本课题的研究背景及意义、国内外研究现状、论 文主要研究内容和方法以及全文章节安排。 第二章：虚拟仪器基础，简要叙述虚拟仪器的概念以及l a b v i e w 的基础知识。 详细介绍l a b v i e w 的配套设施，包括控制设计工具包、仿真模块、n ie l v i s 等。 同时还介绍了数据采集的相关知识。 第三章：p i d 控制器设计及参数整定方法，介绍p i d 控制器的结构及改进形 式，讨论了p i d 控制器的性能指标和设计参数。随后阐述了p i d 参数整定方法， 从工程上常见的手动整定方法到参数自整定方法，重点研究了继电反馈p i d 参数 自整定算法。研究中还简要介绍了经典的z o n 整定公式。 第四章：基于虚拟仪器的控制系统设计，在l a b v i e w 平台上设计控制系统， 功能包括被控对象模型建立，模型时域与频域分析，参数手动整定p i d 控制器设 计，以及继电反馈p i d 参数自整定控制器的设计方案与具体实现。 第五章：动态系统仿真与实时控制，对设计的控制系统进行离线仿真，分析 其是否满足设计要求，并且搭建实际对象进行实时控制，将得到的结果与离线仿 真的效果进行对比，得出结论。 第六章：结论，对本文的工作进行了总结，并探讨未来可以继续研究深入的 方向。 5 第二章虚拟仪器基础 第二章虚拟仪器基础 2 1 虚拟仪器概论 现代科技的进步以计算机的进步为代表。不断创新的计算机技术为新型测控 仪器的产生奠定了现实基础，另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进 步的需要，鉴于上述原因，将计算机技术与测量控制技术相结合的新型测控仪器 “虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ”就应运而生了【3 3 】。 1 9 8 6 年，美国n i 公司( n a t i o n a li m m a n e n t ) 提出了虚拟仪器的概念，提出了 “软件即仪器的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改 变的局面。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件资源结合，虚拟仪器代表着从 传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变【l 】。 虚拟仪器是在通用计算机和数据采集卡组成的平台上由用户根据自己的需求 来定义和设计仪器的测量功能，其实质是将可完成传统仪器功能的硬件和最新计 算机软件技术充分结合起来，实现并扩展传统仪器的功能，完成数据采集、分析 处理、显示与自动化功斛蚓。图2 1 反映了常见的虚拟仪器方案。 图2 - 1常见的虚拟仪器方案 虚拟仪器可以概括为由三大功能模块组成：信号的采集( 包括传感器电路、 信号调理电路) 、数据的处理、结果的输出与表达。虚拟仪器把信号的分析与处理、 结果的表达与输出放到计算机上来完成，或在计算机上插上数据采集卡，把仪器 的三个部分全部放到计算机上来实现。用软件在屏幕上生成仪器控制面板，用软 件来进行信号分析和处理，完成传统仪器在数据处理，完成多种多样的测试。通 过计算机屏幕形象的各种形式表达输出检测结果，突破了传统仪器在数据处理、 7 中山大学硕士论文 表达、传送、存储等方面的限制。 虚拟仪器与传统的仪器相比其主要特点有【蚓： 1 、具有更好的测量精度和可重复性。 2 、可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，测量速度快。 3 、系统组建时间短，研发周期大为缩小。 4 、由用户根据自己的需要自定义仪器功能。 5 、可扩展性能强，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。 6 、出色的集成功能。 7 、技术更新快。 虚拟仪器正在继续迅速发展，它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚 拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别 适用于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题 和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。”虚拟仪器将会在科 学技术各个领域得到广泛应用 3 5 1 。另一方面，随着计算机、通信、微电子技术的 不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟 仪器领域中是其发展的大趋势，网络化虚拟仪器的发展将是仪器发展史上的有一 次革命【1 1 。 可以说，虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的电 新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产 生不可估量的影响。 2 2l a b v i e w 基础介绍 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图形 化的开发环境，是美国n i 公司开发的商业产品，它的语法基础是一种称为g 语言 的可视化语言。g 语言是一种基于数据流模型的编程语言，主要特征是结构化【3 6 1 。 2 2 1l a b v i e w 的工作环境 双击l a b v i e w 图标启动l a b v i e w 即可得到如图2 2 所示界面。该界面为 l a b v i e w 对话框，通过对话框可以直接访问某些l a b v i e w 上的资源和工具，如 8 第：$ 口拟仪基础 白带的例程e x a m p l e s 。l a b v i e w 开发程序简称v l 。保存后缴名为v i ，每个程序 都包括三个部分：前面板( f r o n tp a n e l ) 、框图( b l o c k d i a g r a m ) 、图标( 1 e o n ) 及 连接器( c o n n c c 如r ) 1 3 7 1 。 ( 1 ) 前面板开发窗口 前面板是程序与用户交流的窗口，窗口中包含常见的菜单栏以及工具栏。 如图2 3 所示为前面板开发窗口搬计者可以在前面板中放入控制模板( c o n t r o l s p m e u e ) 上的任何控件。用户可以通过在前面板单击鼠标右键打开控制模板， 进而单击“a l lc o n t r o l s ”就可看到全部控件，如图2 - 5 所示为控制模板全部控 件。 ( 2 ) 流程框图编辑窗口 流程框图是图形化程序的源代码，是v i 测试功能软件的图形表示，如图2 - 4 所示。与前面板相似，在流程框图中单击鼠标右键可以打开函数模扳( f u n c t i o n s p m e n e ) ，同样单击“a l lf u n c t i o n s ”按钮可以查看所有功能函数如图2 - 6 所示。 函数模扳包含用于v i 编辑的各类对象，包括结构、数值运算、布尔逻辑运算、 字符串运算、数组运算、簇运算和比较运算等子模板。 ( 3 ) 图标及连接器 圈标及连接器是具有层次化和结构化特征的表示形式。当一个作为 另一个v i 的子程序被调用时，称为子v i ( s u b v i ) 。子v i 则可以通过编辑图标 的图案区分于其他v l ，而连接器则相当于子v i 的输入输出端口。 - _ _ _ - - _ _ 一 x 簖裂， 、，害= ? e 二二二= ! 二 l + “h 疆l a 蝴e w 。j 三三 “塑n ! o ，! 。 v 图2 - 2l a b v i e w 对话框 中ii 大学硕上论文 “精简；错藩矗目司；悯目罡 ，。 图2 - 3l a b v i e w 前面板图2 4k a b v i e w 框图窗u o i q s h io - - - i 固i 酬蚓圄翌星l 剜到引劐 蚓园囝霭召画删哥m 图2 - 5 控制模板 一一= m a 奇i q 州= i j ：日i 零l 嗯 嘎刭嘧l 囤 睁釜| 。d 日i 蓉崮 i 圄嚣i 苗圈翻型固围唾 园 ! 拦i 倒l 疆l 哥i 瑙i 剥画l 掣i 2 2 2 l a b v i e w 工具包 图2 - 6 函数模板 n i 公司为了满足用户的需求，开发了多款专业工具包，其中包括控制设计工 具包、仿真工具包、信号处理工具包、数字滤波器设计工具包、谱分析工具包等， 这些工具包为l a b v i e w 提供了无比强大的分析、处理功能。本文着重介绍控制设 计工具包( c o n t r o ld e s i g nt o o l k i t ) 和仿真模块( s i m u l a t i o nm o d u l e ) 。 ( 1 ) 控制设计工具包 n i 公司开发的控制设计工具包是一个用于分析、设计和实现控制系统的工具 与数学函数集含，如图2 7 ，它包括模型的建立、转换、连接、时域分析、频域分 第$ 虚拟仪嚣摹础 析及状态空间特性分析等。控制系统模型可以表示为多项式形式、状态空间形式 或零极点增益形式等。作为l a b v e w 图形亿系统设计平台的组成部分，控制设计 工具包具有高性能、实时运行等功能。有助于工程和科研人员快速进行控制系统 的设计及最终实现。拧制包适用于汽车、航空、复杂机械控制及硬件在环 ( h a r d w a r e i n t h e - l o o p ) 等应用，其所具有的实时功能可使工程人员缩短开发时 间【3 “。 囝圈 l 塑搁4 i 窒 圈2 - 7 控制设计工具包界面 ( 2 ) 仿真模块 仿真模块使l a b v i e w 图形化开发环境成为一个用于控制系统建模、设计、仿 真和实时执行的无缝平台。所有的仿真过程都在仿真环中进行，通过创建的仿真 节点( s i m u l a t i o nn o d e ) 、并加入图彤显示和控制器测试设计工程师们可卧轻松地 构造、分析线性、非线性、离散及连续的控制系统。工具包交互式的特性允许在 修改参数的同时查看仿真的结粜。另外，得益于l a b v i e w 与硬件的高度集成，我 们可以无缝地将控制系统的设计转换到实时执行，从而大量地节省时问。图2 - 8 所示为仿真模块界面【划。 2 3n i e l v i s 简介 图2 - 8 仿真模块界面 n i e l v i s ( n i e d u c a t i o n a ll a b o m t o r y v i m 皿l i n s t r u m e n t a t i o n s u i t e ) 虚拟仪器教 中i i 大学磺论i 学实验套件是美国国家仪器公司2 0 0 4 年推出的一套基于l a b v i e w 设计和原型创 建的实验装置。n ie l v i s 系统实际上是将l a b v i e w 和n i 的d a q 设备相结合的 产物，它包括硬件和软件两部分，硬件包括一台可运行l a b v i e w 的计算机、一块 多功能数据采集卡、一根6 8 针电缆和工作台，如图2 - 9 所示【3 引。由于本研究没有 用到n ie l v i s 配套的软件部分，故在此不对这部分作过多介绍。 f “i 一 7 一数据采集 “鲤鲒 图2 - 9n i e l v i s 硬件配套 n 1e l v i s 的原型设计面板如图2 一l o 所示： 图2 1 0n i e l v l s 的原型设计面板 本文将在n ie l v i s 的原型设计面板上搭建所需的实际电路。表2 - 1 描述了原 型板上主要端口对应的信号。 第二章虚拟仪器基础 表2 - 1 原型设计面板主要信号描述 信号名称信号类型信号描述 a c h + 常规a i模拟输入通道0 - - 5 ( + ) 到a l 通道的正差分输入 a c h 一常规a i模拟输入通道o 5 ( 一) 到朋通道的负差分输入 c h +示波器示波器通道a 和b ( + 卜示波器通道的正输入 c h 一 示波器示波器通道a 和b ( 一卜示波器通道的负输入 模拟输入s 即s e 一非参考单端( n r s e ) 模式的模拟a i s e n s e 常规a i 通道的基准 模拟输入地d a q 设备的a i 接地参考端，该地信 a i g n d 常规a 1 号并非连到n ie l v i wg r o u n d 信号上 d a c 模拟输出模拟输出通道o 和1 0 a q 设备缓冲器的输出 g r o u n d可变电源接地设计面板接地端，所以接地针均连接在一起 + 1 5 v 直流电源 + 1 5 v 直流电源一稳流+ 1 5 v 电源输出 1 5 v直流电源 1 5 v 直流电源一稳流1 5 v 电源输出 在本研究中主要用到模拟信号输入、模拟信号输出、1 5 v 直流电源和地端 口。n ie l v i s 的原型设计面板提供了6 个差分模拟输入通道a c h 和2 个模 拟输出通道d a c o 、d a c i 。要使用这些通道时，只需要在程序框图中选用所需通 道对应的物理通道名即可。 2 4 数据采集基础 数据采集主要作用是将计算机外部的模拟量转换为计算机可识别的数字量， 将其导入计算机进行运算。数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q 系统) 一般由 传感器和变换器，信号调理设备，数据采集卡( 或装置) ，计算机，应用软件几个 部分组成。 典型的d a q 系统如图2 1 1 所示【3 8 1 。 图2 1 1 典型d a q 系统 1 3 巾山人学硕士论文 数据采集系统中最重要的就是数据采集卡。数据采集卡是一种i o 接口设备， 通过数据采集卡获取数据是虚拟仪器获取数据的通道之一，也是虚拟仪器最基本 的构成方式。因此l a b v i e w 扶取数据的方法也是通过使用其相应模板中的图标 函数对接口设备的驱动来实现的。图2 一1 2 是数据采集卡典型的应用结构图。 圈2 一i 2 数据采集卡应用框图 本文所采用的数据采集卡是安插在计算机p c i 插槽的。典型的数据采集卡的 功能有模拟输入( a n a l o gi n p u t ，简称“模入，a i ”) 、模拟输出( a n a l o go u t p u t ， 简称“模出，a o ”) 、数字i o ( d i g i t a li o ) 、计时器( t i m e r ) ，计数器( c o u n t e r ) 等。如图2 1 3 所示。一个模拟信号通过数据采集卡可以转化为数字信号，一般数 据采集卡包含多路卡关( m u x ) 、放大器( a m p l i f i e r ) 、采样保持电路( s h ) 、模 数转换器( a d c ) 等部分州。 图2 - 1 3 数据采集卡 仪器驱动即所谓的仪器驱动器，是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程 序集。它通过封装复杂的仪器编程细节，为用户使用仪器提供简单的函数接口， 从而通过仪器驱动程序来使用这些仪器硬件。也可以认为仪器驱动是仪器的软件 描述，它是应用程序实现仪器控制的桥梁。应用软件建立在仪器驱动程序之上， 直接面对操作用户，通过提供友好直观的测控操作界面、丰富的数据分析和处理 功能，来完成自动测试任务瞰】。 n il a b v i e w7 0 以上版本提供了两套图形化驱动程序驱动各种总线的i o 接 口设备，分别是：t r a d i t i o n a ln i d a q ( 传统d a q ) 和n i d a q r n , x 。如图2 - 1 4 所 第= 章虚越位基础 尔 本文设计采用的是n i - d a q m x 数据采集系统 目、一o n 固豆歪蜀 羔l 型! ；毛团【 一一丽网圜匿 固国圈圈宦 圈田圜圈阴 蔺。嘭强划 j 圈2 - 1 4 传统d a q 及d a q m x 有了采样所需的硬件和软件辅助，还必需注意的是采样时应该满足的理论要 求。由香农采样定理可知，为了使采样后输出的离散时间序列信弓能无失真地恢 复原输入信导必须使采样频率正至少为输入信号最高有效频率，眦的两倍，否 则会出现频率混淆误差。实际系统中，为了保证数据采样精度，一般有下列关系 ( n 为多通道数据采集系统的通道教) 。 z = ( 7 1o ) 二n n ( 2 1 ) 2 5 本章小结 本章开始介绍了虚拟仪器的由来、概念、优势及其发展趋势，接着文章简要 介绍了n i 公司开发的虚拟仪器软件开发平台l a b v i e w 的基本概念和基本操作 附带介绍了与l a b v i e w 配套使用的控制设计工具包和仿真模块内容，之后对n i e l v i s 和数据采集相关内容做了详细的介绍。这些知识为接下来将要介绍的控制 系统的设计奠定了基础。 第三章p i d 参数自整定技术 第三章p i d 参数自整定技术 3 1p i d 控制器基本结构及其改进形式 p i d 控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。p i e d 控制 器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的p i d 控制器出现，但到目前为止没有一个p i d 控制器能够适用于所有控制场合。p i d 控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它已经成为应用最广泛的控 制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有9 7 的常规控制器都是p i d 控 制器【3 9 1 。 3 1 1p i d 控制器的基本结构 最典型反馈控制系统的方块图如图3 1 所示，此系统为单位反馈，其中偏差值 e 为给定值与测量值的差值，”为控制量，d 为系统中扰动量。 图3 - 1系统结构框图 p i d 控制器基本可以由以下的传递函数表示t g ( s ) = k 。( “l 互j + 乃j ) ( 3 1 ) 其中k 。为比例增益，乃为积分时间，乃为微分时间。 p i d 控制器的另一种表示方式也比较常见，称为并行结构( p a r a l l e lf o r m ) ，如 下所示： 1 7 中山大学硕士论文 其时域输出方程为： g 吗+ 等蝎占 ( 3 2 ) 砸) 啦印) 蝎m 出+ 巧警 ( 3 - 3 ) 式( 3 1 ) 与式( 3 2 ) 实际上可以互相转换，两者参数问的关系如下所式： k p - k c k t 2 瓮，k d 此时，模型的积分时间和微分时间也相应改变，分别为： 3 1 2p i d 控制器各参数作用 p i d 控制器包括积分、比例、微分三个部分，分别代表过去，现在，还有未来 的控制作用，相应的控制参数，以式( 3 1 ) 为例，比例增益k 。、积分时间正、微 分时间乃的取值影响到系统控制效果的好坏。三个部分对系统性能的影响如下所 示【2 3 】： ( 1 ) 比例作用 引入比例作用是为了即时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏 差，比例调节作用立即生效，使系统偏差快速向减小的趋势变化。增大比例增 益，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高控制精度加快调 节速度。 但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳 定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成闭环系统不稳定。 ( 2 ) 积分作用 引入积分作用是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实 现对设定值的无静差跟踪，改善系统的稳态性能。从原理上看，只要控制系统 存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差，积分作用就停止，此时积分 调节的输出为常数。积分作用的强弱取决于积分时间常数互的大小，正越小， 积分作用越强，反之则积分作用弱。 但积分作用的引入同时使信号产生相位滞后，使系统稳定性下降，动态响 应变慢。因此，实际中一般不单独使用积分器，积分作用常与另外两种调节规 1 8 )4，)，k 2 d k 上墨 第三章p i d 参数自整定技术 律结合，组成p i 或p i d 控制器。 ( 3 ) 微分作用 引入微分作用是为了改善控制系统的响应速度，同时使相位超前，提高系 统的相位裕度增加系统的稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏 差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观而言，微分作用能在偏差还 没有形成之前，就已经消除偏差。因此，微分作用改善系统的动态性能。微分 作用的强弱取决于微分时间乃的大小，乃越大，微分作用越强，反之则越弱。 此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。 在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。 但是微分作用对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希 望看到的。所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰能力 产生不利的影响。因此，微分器也不能单独使用。 3 1 3p i d 控制器的改进形式 由于p i d 控制的应用范围非常广泛，在不同的应用中对控制器的性能要求也 不尽相同。有时对p i d 的结构进行针对性的改动可能会取得非常好的效果。经过 长时间的发展，工业应用中出现了许多改进形式的p i d 控制器，本文主要介绍不 完全微分和微分先行两种改进的p i d 控制器算法【2 3 1 。 ( 1 ) 不完全微分 不完全微分( l i m i t a t i o no fd e r i v a t i v eg a i n ) 形式是针对微分作用对噪声敏 感的弊端而设计的。当控制系统存在高频测量噪声时，p i d 控制器的微分作用 可能导致控制信号过大。因此实际p i d 控制器对微分增益限幅，即在算法中加 入一个一阶惯性环节。相应的控制器传递函数改写为： 器= k c ( 1 + 币1 + 蠡， 协5 ) 其中k 。为比例系数，互为积分时间，乃为微分时间，值通常取3 一l o 。 l a b v i e w 控制设计工具包中的c dc o n s t r u c ts p e c i a lm o d e lv i 构建p i d 控 制器时即使用不完微分形式的p i d 控制器，共有三种形式供选择，如图3 2 所 示。 1 9 中山大学硕士论文 1 、p i da c a d e m i c ： 2 、p i dp a r a l l e l ： 3 、p i ds e r i a l ： 鬻= k c ( - + 币1 + 南， 器= 疋粤+ 丽g d s 器刈+ 旁c 蒜， 冈需同 l k c , , i i i t 4 li k c k ；k j ii x q 孔i q 匦童童虱匡童塾i f o 塾s i x 1 图3 - 2c dc o n s t r u c ts p e c i a lm o d e lv i 的三种p i d 控制器形式 对比式( 3 - 5 ) 与式( 3 6 ) ，可发现= ，即口的值一般取o 1 0 3 3 。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 2 ) 微分先行 将p i d 控制器的微分作用移至系统输出反馈通道，即对设定值输入不加微 分作用，这样在设定值频繁改变的场合控制量的变化更为缓和，避免由于设定 值频繁改变造成的系统振荡，改善系统的动态特性。所谓的p i + d 控制器就是 一种微分先行的p i d 控制器，其系统结构如图3 3 所示。 图3 - 3p i + d 控制器结构 3 2p i d 控制器设计性能指标 设计控制系统首先必须知道设计的目标，而设计目标往往由性能指标和系统 参数规定。因此