基于LabVIEW的PID控制器的设计毕业论文.doc

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第55页基于LabVIEW的PID控制器的设计毕业论文目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题研究的背景与意义11.3 国内外研究的状况与成果21.4 设计研究的思路和主要内容22 虚拟仪器基础42.1 虚拟仪器技术42.1.1 虚拟仪器概念42.1.2 虚拟仪器的发展历程42.1.3 虚拟仪器的体系结构52.1.4 虚拟仪器的优势技术72.1.5 虚拟仪器将来的发展方向82.2 labview软件平台82.2.1 labview的简介82.2.2 选用labVIEW设计控制器的优势所在92.2.3 labview的操作模板92.2.4 创建VI132.3 本节小结173 PID算法及基本知识183.1 模拟PID控制器183.1.1 模拟PID控制器的基本原理183.1.2 PID控制器参数对控制性能的影响193.2 数字PID控制算法213.2.1 位置式PID控制算法223.2.2 增量式PID控制算法253.3 PID控制器的优缺点273.3.1 PID控制器的优点273.3.2 PID控制器的缺点273.4 控制系统的分类及性能指标273.4.1 控制系统的分类273.4.2 控制系统的性能指标283.5 PID控制器参数整303.5.1 经验试凑法303.5.2 临界比例度法313.5.3 归一参数整定法323.5.4 衰减曲线法333.5.5 响应曲线法333.5.6 变参数寻优法353.6 本章小结354 labVIEW中PID控制器的实现364.1 用LabVIEW进行仿真的可行性364.2 PID控制器的设计及各SubVI的设计364.2.1 积分作用374.2.2 微分作用384.2.3 比例微分积分作用394.3.1 总体程序的前面板设计404.3.2 总体程序的框图程序设计41总结45致谢46参考文献47附录481 绪论1.1 引言目前，微电子技术和计算机技术日新月异，测试技术与计算机技术深层次结合，引起了测试仪器领域里一场新的技术革命，一种全新的仪器概念导致了新一代仪器虚拟仪器的出现。它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物、是传统仪器观念的一次巨大变革、是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现使测试技术进入了一个新的发展纪元。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是NI公司推出的一种虚拟仪器软件开发工具。它类似于VB，VC+。但它使用图形化编程语言在流程图中创建源程序，而没有使用基于文本的语言来产生源程序代码。使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称VI。这是因为它的很多界面控制与操作都模拟了现实世界中的仪器，例如万用表和示波器等。由于LabVIEW可以创建通用的应用程序，因此被称为一种通用的编程语言。但是它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势。它不仅提供了大量的工具与函数用于数据的采集、分析、显示和存储，还提供了大量常用于自动化测试领域的图形控件。现今，越来越多的工程师选择它来开发应用软件。它已被广泛应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制PID控制器问世至今已有近70年历史。PID控制调节原理简单，易于整定、使用方便，是历史最悠久、控制性能最强的基本调节方式，广泛地应用于机电、冶金、机械、化工等各个工业生产部门。PID控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，PID控制技术在化工，医药，热工等工业领域都有着广泛的应用，随着科技的发展，自动化技术的提高，PID控制技术在智能控制世界里也随处可见，应用越来越广泛，课题基于labview的PID控制器的设计显得很有必要。1.2 课题研究的背景与意义国际上有一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如日本电子测量仪表制造协会在1989年对过程控制系统做的调查报告。该报告表明90以上的控制回路是PID结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000多个控制回路，其中97以上是PI控制，而且仅仅有20的控制回路工作比较满意，因此利用LABVIEW进行PID控制器的设计具有重要的意义，它可以对直观容易的对比例系数 、积分系数和微分系数进行调整，快速的确定PID的三个参数，实现对控制系统设定值的跟踪和快速消除扰动，使控制系统达到最佳控制效果。 1.3 国内外研究的状况与成果虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，能够更好的满足测控要求。虚拟仪器是随着计算机总线技术的发展而发展起来的。USB是一种近几年才发展起来的通用串行总线。它已经成为现行PC机上常用的设备。它解决了一般通用总线存在的麻烦，具有速度快、连线少、即插即用、自带电源以及支持热插拔等特性，能很好地满足现场工业测量控制系统的要求，是一种具有广泛应用前景的仪器总线。它的出现，也进一步推动了虚拟仪器技术的进一步发展。近几年来，以NI为首的厂家已经生产出了基于USB的数据采集卡等一系列虚拟器件配套硬件设备，有力地保证了基于USB的虚拟仪器的研究开发。就我国而言，从90年代开始，国内的一些大学相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，至今已经取得了一些成绩，但和国外先进国家相比远远不够。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打翅控制理论、现代控制理论利智能控制理论一个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统 ，闭环控制系统。目前，PID控制及其扮制器或智能PID控制器已经很多，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，备大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，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。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。国内的有些研究已将神经网络和PID控制规律融为一体，用虚拟仪器实现神经网络控制的方法,将虚拟仪器技术和PID神经网络控制有机地结合起来,采用LabView设计PID神经网络控制模块,提高控制系统的性能和开发效率。 1.4 设计研究的思路和主要内容面对实际的PID控制系统中，如何实现对一个已知的被控对象快速的实现PID的三个参数的整定，是个实际的问题。而在labview上设计PID控制器，若被控对象的传递函数已知，我们可以在labview上实现对控制系统的仿真，从系统的响应曲线可直观的看出控制效果的好坏，而且可以很方便的确定PID控制器的三个参数，这样可为实际的控制过程节省大量的时间和资源，无需对实际过程反复的调试来确定最佳参数，这是本设计的实际意义所在。全文的安排如下：第一章：绪论 主要介绍了国内外PID控制技术的状况与成果以及虚拟仪器技术的发展，并阐述了该课题研究的意义。第二章：虚拟仪器基础知识这章分两个大的方面：一方面介绍了虚拟仪器的概念、国内外的发展历程和虚拟仪器的体系结构，总结了虚拟仪器的优势技术；另一方面阐述了labview开发平台的基本知识，包括操作模板、编程方法、调试程序的经验等。第三章：PID运算及基本知识这章主要介绍了PID控制器的基本原理，基本的PID运算，分析了控制系统的稳定性和性能指标，以及PID控制器的参数整定方法。第四章：labview中PID控制器的实现方法这章主要介绍了如何用labview实现PID控制器的设计，以及最后得出对给定被控对象的控制相应曲线。 最后是总结与展望。2 虚拟仪器基础2.1 虚拟仪器技术2.1.1 虚拟仪器概念所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理。2.1.2 虚拟仪器的发展历程1、国外发展历程随着个人电脑技术的出现，人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所测数据。由此，GPIB技术在20世纪70年代发展起来，这也就是IEEE 488及后来的IEEE4882标准。但由于GPIB总线带宽(1Mbytess)限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身所带有的功能。20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。1986年，美国NI公司提出了“软件即仪器的口号，推出了NILabVIEW直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。20世纪90年代，计算机总线速度进一步加快，PCI总线的数据传输速度达到了132Mbytess。1996年底，美国NI公司在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI系统的技术规范。现在，PXI技术联盟已经有很多的成员公司为这一平台开发产品。2、我国发展历程1985年，我国的东方振动和噪声技术研究所(China Orient Institute of NoiseVibration以下简称COINV)开始提出PC卡泰(PCCATAI)一微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件(DASP Data Acquisition&SignalProcessing)，随后又提出了“把实验室拎着走的口号，进而进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了INV虚拟仪器库。DASP软件概念突破了传统的随机振动信号分析仪和FFT分析仪概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。3、国内外发展趋势和开发平台比较虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是GPIB_VXI_PXI总线方式，二是PC插卡式-LPT并行口式一串口USB方式一IEEE标准的1394口方式瞄1。美国NI公司开发的LabVlEW和中国COINV开发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。LabVIEW平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器的开发商、学校仪器制造专业的教学以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非可最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户即只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。DASP平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常的快捷方便、可靠，精度又很高，用户拿起来就可直接使用，但是，对于专业仪器开发商或者仪器行业自己需开发虚拟仪器的用户，有一定的局限性。2.1.3 虚拟仪器的体系结构1、虚拟仪器的硬件平台虚拟仪器的硬件平台由计算机和IO接口设备组成。IO接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线有其相应的IO接口硬设备，如利用PC机总线的数据采集卡板(简称为数采卡板，DAQ)、GPIB总线仪器、VXI工总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型，如图2-1所示：（1）PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统，这种系统采用PCI或ISA计算机本身的工总线，将数据采集卡板(DAQ)插入计算机的空槽中即可。（2）GPIB工系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（3）VXIPXI系统是以VXIPXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（4）串口系统是以标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。被测信号PC-DAQGPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块计算机 图2.1 虚拟仪器的构成模块图2、常见虚拟仪器应用软件开发平台应用软件开发平台是设计虚拟仪器所必须的软件工具。在确定的硬件基础条件下构造和使用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件来实现不同的功能。虚拟仪器的应用软件主要包括集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。应用件开发平台的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用程序。常用的虚拟仪器软件开发工具分类如下：（1）文本式编程语言，如VisualC+，Visual Basic，LabwIND0wSCVI等。（2）图形化编程语言，如LabVIWE、HPVEE等。（3）实现虚拟面板功能的软件程序。（4）定义测试功能的流程图软件程序。2.1.4 虚拟仪器的优势技术虚拟仪器与传统仪器相比，它的特点可以概括为以下几个方面一：1、传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，容易导致许多的识别和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器面板上的指示控件和控制控件的种类与形式不受“标准件和“加工工艺的限制，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。2、虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。3、虚拟仪器提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设、网络及其他应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。4、在虚拟仪器中，传统仪器的某些硬件已被软件所代替，由于减少了许多可能随时间漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上采用标准化总线，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。5、虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。6、虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器的购买和维护费用，经济性好。目前，我国高档台式仪器，如频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术只需购买必要的通用仪器硬件就可以设计高性价比的仪器。总之，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，丰富了仪器在数据的处理、表达、传送、显示和存储等方面的使用，有广泛的应用前景。可见，虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。2.1.5 虚拟仪器将来的发展方向 从20世纪80年代末美国成功研制了虚拟仪器到1993年，虚拟仪器己发展到有三百多家厂商，一千多种虚拟仪器产品，1995年厂商更达到一千多家，产品种类达到数千种。虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速度飞速发展。目前，虚拟仪器已经在科研开发、测控、超大规模集成电路测试、军事、航天、生物医学和电工技术等许多领域得到了应用，且应用领域还在不断拓宽。近十年来，以互联网为代表的计算机网络技术迅猛发展，网络技术现已渗透到仪器仪表领域。虚拟仪器技术与网络技术的结合则进一步延伸了虚拟仪器的概念，大大增强了虚拟仪器的功能。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测和报警等。因此，使用网络化虚拟仪器，可以使在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息的愿望成为现实。与以个人计算机为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的功能分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的功能，以网络连接，实现信息资源共享。虚拟仪器的网络化是未来虚拟仪器发展的一个重要方向。2.2 labview软件平台2.2.1 labview的简介LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是NI公司推出的一种虚拟仪器软件开发工具。它类似于VB，VC+。但它使用图形化编程语言在流程图中创建源程序，而没有使用基于文本的语言来产生源程序代码。使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。这是因为它的很多界面控制与操作都模拟了现实世界中的仪器，例如万用表和示波器等。由于LabVIEW可以创建通用的应用程序，因此被称为一种通用的编程语言。但是它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势。它不仅提供了大量的工具与函数用于数据的采集、分析、显示和存储，还提供了大量常用于自动化测试领域的图形控件。现今，越来越多的工程师选择它来开发应用软件。它已被广泛应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域，涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段。2.2.2 选用labVIEW设计控制器的优势所在选择LabVIEW开发设计pid控制器的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用LabVlEW开发应用系统的速度比使用其他编程语言快4lO倍。这一速度背后的原因在于LabVIEW易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。LabVIEW的具体优势主要体现在以下几个方面：1、提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。2、内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。3、由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其基于LabVIEW信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论是多处理器的处理能力。4、通过DLL、CIN节点、ActiveX、NET或MATLAB脚本节点等技术，可以轻松实现LabVIEW与其它编程语言混合编程。5、通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。6、LabVIEW提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。7、LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。9、NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用。2.2.3 labview的操作模板LabVIEW具有多个图形化的操作模扳，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和功能(Functions)模板。工具模板（Tools Talette）工具模板如图2.2所示。工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试vI程序的工具。工具图标有如下几种： 图2.2 labview8.6的工具模板 操作工具：用于操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成标签工具。 选择工具：用于选择、移动或改变对象的大小。一当它用于改变对象的连框大小时，会变成相应形状。 标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签当创建自由标签时它会变成相应形状。 连线工具：用于在框图程序上连接对象。 对象弹出菜单工具：用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。 漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。 断点工具：使用该工具在vI的框图对象上设置断点。 探针工具：可|三l在框图程序内的数据流线上设置探针。程序调试员可以通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。 颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 颜色工具：用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景色。与上述工具模板不同，控制和功能。 控制模板（Control Palette）该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象。每个图标代表一类子模板，只有前面板才能调用该模板。 图2.3 labview8.6的控制模板 数值子模板：数值的控制和显示。 布尔值子模块：逻辑数值的控制和显示。 字符串子模板：字符串和表格的控制和显示。 数组和群子模扳：复合型数据类型的控制和显示。 列表和表格模板：列表和表格的控制和显示。 图形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图。 环与枚举模板：环与枚举的控制与显示。 经典容器模板：提供各种编程所需的经典容器。 输入输出功能模板：输入输出功能，用于操作OLE,ActiveX等功能。 参考书模板：参考数。 修饰子模板：用于给前面板进行装饰的各种图形对象。 用户自定义的控制和显示 功能模板（Functions Palette）功能模板是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层国标都表示一个子模板。功能模板如下图所示。 图2.4 labview8.6的功能模板 结构子模板：包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变量和局部变量。 数组子模板：包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。 簇，类与变体模板：包括簇的处理函数，以及群常数等。 数值运算子模板：包括各种常用的数值运算符，如+ - 等；以及各种常见的数值运算式，如+1运算；还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算以及各种数值常数。 布尔逻辑子模板：包括各种逻辑运算符以及柿尔常数。 字符串运算子模板：包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数，以及字符f串)常数等。 比较子模板：包括各种比较运算函数，如大于、小十、等于 时问和对话框子模板：包括对话框窗口，时间和出错处理函数等 对话框与用户界面 文件输入输出于模板：包括处理文件输入输出的程序和函数 波形模板：各种波形处理工具 应用控制模板：包括动态调用VI,标准可执行程序的功能函数 图形与声音子模块：包括3D、OpenGL、声音播放等功能模块 文档生成子模板 2.2.4 创建VI1、 创建VI的流程 创建VI的过程分为四步，其流程图大致如图2.5：创建前面板创建框图程序运行和调试程序 创建图标 图2.5 创建VI的流程图下面利用创建一个能实现正弦信号幅值和频率调节的程序来介绍labview创建VI的基本流程和技巧。（1）创建前面板前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具见工具模板点击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行输入数值修改。图2.6中波形显示工具来自于控制模板，实现正弦波形的幅值和频率的显示；频率和调节旋钮实现对正弦信号的幅值和频率大小的调节；停止按钮作为控制开关，实现对信号的停止控制。波形输出显示停止按钮频率输入幅值输入 图2.6 示例程序的前面板（2）创建框图程序在前面板窗口的主菜单中选择将前面板窗口切换到框图程序窗口，此时会看到与前面板对象对应的端口。框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。数据显示While循环结构程序连线输入参数正弦函数发生器 图2.7 示例程序的框图连线（3）创建图标一个虚拟仪器的图标连接端口就像一个图形表示某一虚拟仪器的参数列表。这样，其它的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序的子程序。在前面板或者程序面板的右上角有图表编辑器，可将编好的程序进行图标更改。 图2.8 程序的图标编辑（4）运行和调试程序运行和调试程序是任何一门编程语言编程的最重要的一步。利用仿真或者实测进行运行检验，利用调试工具(如“RUN按钮、断点及探针设置等)进行程序调试。在工程中，用户可以通过两种方式柬运行程序运行和连续运行。如果一个程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，则弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。调试程序时可以利用单步执行、设置断点、设置探针来显示数据流动方向。2、程序的运行和调试方法在程序调试中根据出现的问题，找到以下几种解决方法：（1）找出语法错误如果一个V1程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，贝LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。（2）设置执行程序高亮在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮点击这个按钮使该按钮图标变成高亮形式，再点击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流在线的数据值。这样，你就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行。（3）断点与单步执行为了查找程序中的逻辑错误，希望框图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框对于联机表示为红点。当VI程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点（4）探针可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左键点击探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或框图窗口的上面。在框图中使用选择工具或联机工具，在联机上点击鼠标右键，在联机的弹出式菜单中选择“探针”命令同样可以为该联机加上一个探针。（5）保存连线值可以通过单击保存连线值按钮，在程序运行时保存流过连线的数据流的值。Labview虽然为我们提供了功能完善的调试工具，但仍然存在着许多隐含在程序内部的错误无法发现。这就要求设计者在开发程序的过程中一定要仔细地把好每一关，在模块内部将错误清除，才能减轻最终程序调试的难度。2.3 本节小结本章第一节首先详细介绍了虚拟仪器的概念和发展历程，并与传统仪器相比较得出虚拟仪器的优势所在，其次介绍了虚拟仪器的体系构成和未来的发展方向，及虚拟仪器技术在未来仪器技术革新中的重要作用。第二节则对labview软件平台作了简单的介绍，说明了labview的特点及选用该软件进行PID控制器设计的原因，然后对labview的工具模块、控制模块、函数模块进行了讲解，最后列出了运用labview软件编程的流程与方法，并学会对所编VI进行运行于调试，学会改正程序中的错误，为下两章设计控制器做准备。3 PID算法及基本知识3.1 模拟PID控制器3.1.1 模拟PID控制器的基本原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差： （3.1）将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为： （3.2）或者写成常见的传递函数形式如下： （3.3）式中，为比例增益，为积分时间常数，为微分时间常数。式(3.2)和式(3.3)是我们在各种文献中最经常看到的PID控制器的两种表达形式。各种控制作用(即比例作用、积分作用和微分作用)的实现在表达式中表述的很清楚，相应的控制器参数包括比例增益、积分时间常数和微分时间常数。这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果好坏，以下将介绍这三个参数对控制性能的影响。模拟PID控制系统的原理图如图3.1： 比例积分微分被控对象e（t）给定值+u(t)y(t) 图3.1 模拟PID控制系统的原理图3.1.2 PID控制器参数对控制性能的影响1、比例作用对控制性能的影响 比例增益的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益大的时候，PID控制器可以加快调节，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，甚至可能造成系统不稳定，图3.2为纯比例控制系统的响应曲线：图 3.2 比例控制的系统响应图2、积分作用对控制性能的影响 积分作用的引入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。假设系统已经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差量保持为常值Uo和Eo，则由式(32)可知，只有当且仅当动态误差e（t）=0时，控制器的输出才为常数。因此，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，此时积分调节输出为一常值。积分作用的强弱取决予积分时闻常数的大小，越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PID控制器，图3.3为PI控制系统的响应曲线： 图3.3 比例积分控制系统的响应（=1）3、微分作用对控制性能的影响 微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。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，就己经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用的强弱取决于微分时间的大小，越大，微分作用越强，反之则越弱。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。从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它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千扰产生不利的影响。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。 图3.4 比例积分微分控制的响应（=1，=1）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，就己经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。PD控制器的结构为: （3.4）的泰勒级数为: ，则 （3.5）控制信号与时刻以后的偏差成比例。从图3.5可看出比例微分能够预报未来的输出。另外，从图3.4可以看出微分时间常数增加有利于减小超调量。 图3.5 微分的预测作用3.2 数字PID控制算法随着计算机技术的发展，在控制工程中，用计算机PID控制算法来实现数字PID控制器，组成计算机控制系统。可以灵活的改变PID参数，同时可以改变控制策略来达到控制目的。这是模拟PID控制器中所无法实现的。这里所说的控制策略是数字PID的改进算法，如积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。在各个控制阶段采取各种控制方法，以此来获得控制目标。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。数字PID控制器如图3.6所示。E(z)e(k)U(z)u（k） 图3.6 数字PID控制器的结构图3.2.1 位置式PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此在计算机控制系统中必须对模拟PID控制器的表达式 (3.6)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，现以一系列的采样时刻点kT代替连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，作如下近似变换(为书写方便，将kT简化表示成k)： （3.7）将式3.6代入模拟PID控制器的表达式得到： （3.8）还可以表示为 （3.9）式中，T是采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度，e（k）为第k次采样时的偏差值；e（k-1）为第k-1次采样时的偏差值；k为采样序号，k=0,1,2,3；u（k）为第k次采样时调节器的输出; 为积分系数，;为微分系数，式（3.9）为位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的程序框图如图3.7所示：开始KIe（j）+AA设置初始参数Kp, Ti ,Td, T采入r(k),y(k)Kp e（k）A计算偏差e(k)KDe（k）- e（k-1）+A返回e（k）e（k-1）输出A，即u(k) 图3.7 位置式PID控制算法的程序框图这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID算法。3.2.2 增量式PID控制算法 所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量u（k）。由式(3.9)导出提供增量的PID控制算法。根据递推原理可得 （3.10）用（3.9）式减去（3.10）式得到： （3.11） 其中：，式（3.11）为增量式PID控制算法。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了，和，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由(3.11)求出控制增量。增量型算法与位置型算法相比具有如下优点：1、 由于计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉；2、 在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动到自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门的原来位置无关，因而增量算法易于实现手动到自动的无扰动切换。3、 不产生积分失控，所以容易获得较高的调节品质。增量控制因其特有的优点已得到了广泛的应用。但是这种控制也有其不足之处：1、 积分截断效应大，有静态误差。2、 溢出的影响较大。实现增量式控制算法的程序框图如图3.8所示。开始计算机控制参数A,B,C设初值e（k-1）=e（k-2）=0本次采样输入y（k）A/D被控对象D/A为下一时刻做准备e（k-1）e（k-2），e（k）e（k-1）输出u（k）计算控制增量u（k）=Ae（k）+Be(k-1)+Ce(k-2)计算偏差e（k）=r（k）-y（k）采样时刻准备好了吗?YN 图3.8 增量式PID控制算法的程序框图3.3 PID控制器的优缺点3.3.1 PID控制器的优点PID控制的优点主要体现在：1、原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。2、控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。3.3.2 PID控制器的缺点在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数变化不敏感，这反映了PID控制器在控制品质上的局限性。主要表现在：1、算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于SISO(simple input simple output单输入单输出)最小相位系统。在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其它控制器的组合，才能得到较好的控制效果。2、结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。3、出于同样原因，决定了常规PID控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。3.4 控制系统的分类及性能指标3.4.1 控制系统的分类控制系统的分类很多，在此我们只讨论开环与闭环控制系统。1、开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)埘控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量送叫束以形成任何闭环网路。2、闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出（被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。一般的控制系统都为闭环控制系统。闭环控制系统有证反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环挡制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后做出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。一个闭环控制系统主要由给定环节、比较环节、放大环节、执行环节、校正环节（控制器）、被控对象、反馈环节组成其组成系统框图如图3.9所示：校正环节反馈环节被控对象放大环节执行机构给定环节控制器扰动扰动图3.9 闭环控制系统的框图3.4.2 控制系统的性能指标讨论控制器参数最佳整定时，必须首先规定出评价控制系统优劣的性能指标。这些指标主要包括动态性能指标和鲁棒性能指标。由于假设模型是真实系统的一个近似描述，因此必然要求当控制器应用于过程模型时能保证稳定性。所以，闭环系统的最低要求是标称系统的稳定性。1、系统的内部稳定性一个控制系统能够正常工作的首要条件是它必须是稳定的，对系统进行各类品质指标的分析也必须在系统稳定的前提下。所以在设计控制器的时候首先得考虑系统的稳定性。假如一个闭环控制系统的动态结构图如图3.10所示：G1(S)G2(S)R(S)Y(S) 图3.10 闭环控制系统动态结构图该系统能够稳定则必有特征方程1+ G1(S) G2(S)=0所有的根都有负的实部，即系统的闭环极点都在复平面的左半部分，这是在设计控制器时首先要考虑到的点。2、动态性能指标 经典控制理论将控制系统的时域响应划分为动态过程和静态过程，动态过程又称过渡过程是