基于直流电机的LABVIEW的PID控制系统.doc

直流电机PID控制系统实验031130217 一、实验目的和内容1.目的：理解计算机测控系统的一般构成，掌握计算机测控系统软硬件的一般设计方法。通过实际应用，掌握Labview的基本用法。2.实验内容：（1）控制实验平台，实现对游标的闭环控制。即可以输入期望位置，由程序自动控制游标到达该位置，也可以手动控制。（2）游标的实际位置与期望位置的误差应尽可能小。（3）游标的实际位置进入误差范围内时，电机应该停机。二、总体设计在直流电机控制系统中，被控制量一般都是电机的转速，控制的目的是保持电机转速稳定在所需要的数值上。但在实际生产过程中，经常会遇到直流电机带动生产机械产生一定的位置变化的装置，这时需要的控制量就不再是电机的转速，而是控制生产机械的直线位移，因此需将电机的转速输出转换为电机的位移输出，从而实现对生产机械直线位移的控制。系统采用虚拟仪器图形化编程软件Labview实现对直流电机的位置控制，为了取得较好的控制效果，采用PID控制算法。系统结构简单，有较好的人机交互界面，并且编程简单，可根据不同的要求随时调整控制方式。 三、硬件设计系统由l台计算机、1台直流电机运动装置、l块数据采集板及电机驱动电路组成，如图1所示。其中直流电机运动装置如图2所示，图中直流电机转轴连接蜗杆减速传动装置，蜗杆减速传动装置通过齿轮驱动皮带传送带，通过这种装置就可将电机的圆周运动转换成皮带的水平运动。皮带水平运动的位移量可通过指针和刻度尺来量化表示，同时皮带移动的同时带动右端一只多圈电位器（位移传感器）的转动，位移传感器输出的电压就可定量地表示直流电机角位置量，这样直流电机的角位置量也就可由电机负载指针位置直观地表示出来。在系统中，直流电机负载指针在O16cm的行程范围内运动，对应的位置反馈电压范围为05V。计算机通过采集位移传感器输出的反馈电压，就可得到当前电机负载指针位置，与指定指针位置比较，得到位置偏差，采用PID控制算法可得控制量，通过DA及电机驱动电路可控制电机向指定位置运动。四、软件设计 直流电机控制系统程序流程如图3所示，首先采集当前直流电机负载指针位置，得出当前位置与指定位置的偏差，当偏差小于稳态误差(001cm的线位移)，则控制直流电机停转，当偏差大于稳态误差，则通过PID算法得到控制量，控制直流电机向指定位置运动。 系统软件编程采用美国NI公司的LabVIEW86软件，它是一种图形化编程语言，使用数据流编程方法描述程序的执行，用图表和连接线写程序，其应用程序由3部分组成：前面板、框图程序和图标/连接器。图4为直流电机控制系统前面板，图中，直线表示直流电机负载指针的指定位置，曲线表示电机负载指针到达指定位置的过渡过程；图5为直流电机控制系统框图程序，整个程序结构是一个while循环。其内部结构分为4个模块：数据采集模块、波形显示模块、PID控制量计算模块和电机控制模块。 下面介绍各模块的设计方法。 1)数据采集模块其功能是采集直流电机负载指针位置的电压信号。设计方法：选取通道0，模拟输入电压范围0一+5V； 把采集到的电机负载指针位置的电压信号进行标度变换，转换成指针的实际位置，方法是将采集到的实际位置电压值乘以16/5(因为在系统中直流电机负载指针的线位移范围为O16cm，对应于采集的电压是0+5V)，这样就可得到指针的实际位置。2)波形显示模块 其功能是将直流电机负载指针的实际位置和指定位置实时显示出来。设计方法：将电机负载指针的实际位置和指定位置用Labview软件的Bundle函数将它们绑定在一起作为输入量，并输出到Waveform Chart显示模块中。3)PID控制量计算模块该模块输入直流电机负载指针实际位置和指定位置电压差值，输出的是经过PID算法计算出的电机控制量。程序采用增量式PID算式：du=kp*(k1-k2)+ki*k1+kd*(k1-2*k2+k3);式中：du为PID调节器增量输出值；kp为PID调节器的比例系数；ki为PID调节器的积分系数；kd为PID调节器的微分系数；k1为第1次采样时的偏差值；k2为第2次采样时的偏差值；k3为第3次采样时的偏差值。在计算控制量时，调用公式节点，并向节点输入最近3次的位置偏差和PID参数，即可由公式节点算出PlD控制量。4)电机控制模块 直流电机控制分3种方式：左转、右转和停止。在系统中，控制直流电机的DA输出量02.5-4V分别对应直流电机反转最高速-停止-正转最高速3种运行状态，因此，设计软件时，只要将2.5与PID算出的控制量相加即可得到实际控制量。在编程时，由于系统要求DA的输出范围是O-4V，因此PID算出的控制量应在-1.51.5之间，如果小于-1.5，为了满足要求，PID控制量就取-1.5；如果大于1.5，PID控制量就取1.5。图5 直流电机控制系统框图程序五、系统调试说明本着由易到难的思路，此次系统调试分为以下几个步骤：(1)、建立一个模拟输入通道，读取到指针的当前位置对应的电压，经过标度变换把指针实际位置显示出来。(2)、建立一个模拟输出通道，自行写出一个电压（0-2.5-4V），实现对直流电机的开环控制，即使其能够正转、停止、反转。(3)、采取直接控制的方法对直流电机实现闭环控制(即输出控制量仅仅与当前读到的电压值相关)，当误差小于设定误差值时电机停机。(4)、采取PID控制算法对直流电机实现闭环控制（即输出控制量不仅与当前读到的电压值有关，还与先前时刻的值有关，具体见PID算法），当误差小于设定误差值时电机停机。此步骤中应加入滤波部分。(5)、完善和美化前面板，达到不仅物理意义清晰，而且美观的效果。六、实验结果分析对于上述步骤（1），我们组虚拟仪器上显示的值与电机的实际位置并不一致，经过思考与试探，我们很快发现，只需把机电平台上的电阻调零和调满度即可；对于步骤（2），我们组先写出的电压在04V内，但是就是控制不了电机转动，经过一段时间的试探与思考，仍然不能使其转动。最后我们查阅相关理论部分知识之后，发现IN0应该接地而没有接地导致上述结果，IN0接地后问题迎刃而解，所以做实验一定得搞懂理论部分并且细心；对于步骤（3）,我们组电机开始正反转并不是那么灵敏与准确，甚至有时给出正转却停机，思考后发现，是输出电压没有将其控制范围，经过完善程序，正反转、停机效果良好良好，但是误差太大，达不到设定的效果。故此有了采用具有更高精度的PID控制算法的念头；对于步骤（4），首先要知道PID算法的原理，形式，每个参数的物理意义，在此基础上编写PID控制算法还是挺简单的，实验结果表明，控制精度很高，符合实验要求，但是到达设定位置后电机不能停机，即有抖动；经过思考与摸索，在此部分增加了滤波部分，结果不仅停机稳，而且精度高；7、 心得体会经过这次试验，我深刻体会到了理论和实际运用的关系，仅仅学习了课本上的内容是不够的。实验中我们遇到了许多没想的困难，实验中我们几次查阅相关书籍，进行操作，在实践中我们慢慢理解了这个软件的运用