基于LabVIEW的控制原理虚拟实验台开发----PID文章.doc

系统PID校正虚拟实验系统一、 PID校正原理1、 原理概述在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减少系统误差，提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成系统闭环系统不稳定；积分控制可以系统的型别（无差度），有利于提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90度的相位滞后，对系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。PID控制器增加了一个位于原点的开环极点和两个位于s左半平面的开环零点，可提高系统的稳态性能，改善系统的动态性能。 2、原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差： 对偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后通过线性组合构成控制量，作用于被控对象，其控制规律为： 3、 数学模型的建立PID控制规律的传递函数为 式中分别为,比例系数、积分时间常数、微分时间常数比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数，越小，积分作用越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间。二、 PID校正虚拟实验系统设计PID控制器设计的主要任务就是对于用户输入的被控对象，快速地确定比例系数、积分系数和微分系数，使系统满足相应的指标。1、 Labview程序设计1） 面板设计启动Labview，进入仪器编辑环境，建立仪器的面板。如图1所示，面板主要控件如下：6个“水平指针滑动杆”控件，功能是分别输入被控对象参数K、t1、t2及适当的Kp、Ti、Td值；6个“数值显示控件”控件，功能是分别输出校正前的系统参数pm1、Gm1、wp1和校正后的参数pm2、Gm2、wp2；2个“Express XY图”控件，功能是输出系统校正前后的单位阶跃响应曲线；个“确定按钮”布尔控件，功能是退出系统。 图1 PID校正虚拟实验系统前面板2） 程序框图设计a、 执行“数学脚本与公式脚本节点Matlab脚本”操作，然后添加如下输入、输出变量：输入变量 类型 输出变量 类型 K real wp1 real t 1 real wp2 realt 2 real Gm1 real Kp real Gm2 realTi real pm1 realTd real pm2 realt 2-D Array of realT 2-D Array of realy1 2-D Array of realy2 2-D Array of real 然后将下列的Matlab程序写入节点内num=K;den=conv(1,0,conv(t1,1,t2,1);sys0=tf(num,den);sys1=feedback(sys0,1);t=0:0.1:50;y1=step(sys1,t);margin(sys0);gm1,pm1,wg1,wp1=margin(sys0);Gm1=20*log10(gm1);numc=Kp*Ti*Td,Kp*Ti,Kp;denc=Ti,0;sysc=tf(numc,denc);sys=sys0*sysc;sys2=feedback(sys,1);hold onT=0:0.01:5;y2=step(sys2,T);margin(sys);gm2,pm2,wg2,wp2=margin(sys);Gm2=20*log10(gm2); b、 将y1、y2和t、T数据维数统一c、 连线，完成后如图2所示 图2 程序框图 d 、保存，运行例：被控对象为 要求利用PID校正，使系统，。根据系统要求，K取值10，再输入t1=0.5，t2=0.1，运行的原系统的参数及单位阶跃响应可以看到相角裕度不满足系统要求设计PID校正，根据系统要求，取，则PID传递函数为，输入运行得校正后的系统参数及单位阶跃响应曲线这时系统参数满足要求，同样，输入不同的PID参数，可得不同的校正结果三、 实验系统的Matlab仿真和正确性验证在设计虚拟实验系统中，为了对设计好的实验系统进行验证，采用Matlab软件进行仿真，仿真结果如下图所示时的PID校正前后系统的