基于LabVIEW软件的PID自动控制

--0--苏州大学机电工程学院SoochowUniversityofMechanicalandElectricalEngineering课程设计报告Curriculumdesign课题名称：基于LabVIEW软件的PID自动控制学院:********院专业：*********姓名：＊＊＊学号：＊＊＊＊--1--目录一、PID控制原理........................................................................11、PID控制介绍…………………………………………………………12、PID控制规律…………………………………………………………13、PID控制的性能指标………………………………………………34、PID控制器参数整定的分类……………………………………35、PID相关控制…………………………………………………………56、数字PID…………………………………………………………………7二、LabVIEW8.5软件..............................................................91、简介………………………………………………………………………92、特点………………………………………………………………………103、虚拟仪器………………………………………………………………114、应用领域………………………………………………………………12三、前期练习题目与内容………………………………………………14四、设计内容与要求………………………………………………………171、设计内容.................................................................................172、设计要求.................................................................................17五、设计方案.................................................................................181、设计思路.................................................................................182、程序框图设计........................................................................203、控制面板设计........................................................................21六、最终设计结果及运行情况............................................221、程序框图.................................................................................222、控制面板.................................................................................22--2--七、课程设计心得....................................................................25--1--基于LabVIEW软件的PID自动控制一、PID控制原理1、PID控制介绍PID控制是过程控制中广泛应用的一种控制，简单的说就是按偏差的比例(proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)进行的控制。当今，尽管各种高级控制在不断的完善，但目前在实际生产过程中应用最多的仍是常规PID控制，其原因是：1)各种高级控制在应用上还不完善；2)大多数控制对象使用常规PID控制即可以满足实际的需要；3)高级控制难以被企业技术人员掌握。PID控制器具有结构简单，参数易于调整等优点。在长期的工程实践中，人们对PID控制己经积累了丰富的经验。特别是在那些实际过程控制中，控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数又经常发生变化，常采用PID控制器，并根据经验进行在线整定。以下将从PID控制规律、PID控制的性能指标及PID控制参数整定三个方面对PID控制做进一步的介绍。2、PID控制规律PID(Proportional,IntegralandDifferential)控制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的简单算法。--2--常规PID控制系统原理框图如图3-1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t),将偏差按比例、积分、和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系为：式中u(t)是PID控制器的输出，e(t)是PID控制器的输入，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。采用PID控制器的控制系统如图所示。PID调节器的传递函数为：比例、积分和微分三个环节的控制是相互关联的，三个参数可以分别调节，也可以只采用其中一种或两种控制规律。简单的说，PID控制器各环节的作用如下所述：（1）比例环节：即成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差。比例控制反应快，但对某些系统，可能存在稳态误差。加大比例系数Kp，系统的稳态误差会减小，但稳定性可能变差。（2）积分环节：积分的控制作用主要用于消除稳态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分速度越慢，积分作用越弱，反之则越强。积分环节可能使系统的频带变窄。积分控制通常与其它控制规律结合，组成PI控制器或PID控制器。（3）微分环节：微分的作用是能反映偏差信号的变化速率，具有预见性，能预见偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，减少超调，减小调节时间。由于微分反映的是变化率，所以当输入没有变化时，微分环节的输出为零。微分控制通常与其它控制规律结合，组成PD或者PID控制器。为了能更好地理解三个环节具体的设计经验，在这里我们以PI控制为例加以说明。实际上，根据我们长期的工作经验及对PID控制理论的认识，在实际的生产过程中，PI控制可以满足大多数过程控制的要求。PI控制的知识及经验--3--可描述如下：（1）比例主要影响响应速度，Kp愈大，响应愈快，但太大会引起较大的超调和振荡，甚至产生不稳定。Kp增大则超调增加，上升时间减短；反之，Kp减小则超调减小，上升时间延长。（2）积分时间Ti表示由积分作用产生一个比例调节效果的大小。Ti主要影响静态精度，消除静差。稳态时，Ti越大，积分速度越慢，消除静差越慢。反之，Ti越小，积分速度越快，消除静差越快。但积分控制作用太强会使静态性能变差。（3）在偏差较大时，PI控制器以提高系统动态响应速度为主。为尽快消除偏差，Kp应取大值，Ti应取小值；在偏差较小时，为继续消除偏差，并防止超调过大而产生振荡，Kp值减小，Ti应取大值；在偏差很小时，以提高静态精度，克服大超调，提高系统稳定性为主，此时Kp值应继续减小，Ti值不变或稍减小。（4）偏差变化率e(t)的大小反映偏差变化的速率。e(t)越大，Kp值应越小，Ti取值也应越小。反之，e(t)越小，Ti取值也应越大。3、PID控制的性能指标衡量一个PID控制系统性能好坏的指标主要有：上升时间tr、超调量a%、调节时间ts和稳态误差ess。其中：（1）上升时间tr是指系统实际输出从正常输出的10%上升到正常输出的90%时所需的时间；（2）调节时间ts是指系统实际输出值稳定在正常输出值的5%或2%范围以内时所需的时间；（3）超调量a%是指系统实际输出的最大值与正常值的差与正常值的比值；（4）稳态误差ess是指系统达到稳态时的输出值与正常值差的绝对值与正常值的比值。这四个参数反映了系统的响应能力和稳定性，通过它们就可以判定一个系统性能的好坏。4、PID控制器参数整定的分类PID控制器广泛地应用于工业过程中，但是PID控制器的参数整定是一个令人困扰的问题。一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，即耗时又费力，加--4--之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使的PID参数的整定有一定的难度。许多实际控制系统无法工作在令人满意的状态，很大一部分是由于控制器的自整定的参数没有达到最优，由此人们提出自整定PID控制器。将过程对象的动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可以实现PID控制器的自整定，自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。PID控制器参数自动整定过程包括三个部分：一是过程扰动的产生；二是扰动响应的评估；三是控制器参数的计算。从目前的资料和应用情况来看，根据研究方法，可分为基于频域的PID参数整定方法和基于时域的PID参数整定方法；按照控制对象的输入和输出个数可分为单变量PID参数整定方法和多变量PID参数整定方法；按照控制量的组合形式，可分为常规PID参数整定方法与智能PID参数整定方法。但是总体来说，PID参数自整定的方法主要归结为：基于模型的PID参数整定方法；基于规则的PID参数整定方法和基于在线模式识别PID参数整定方法。下面以PID控制为例，讨论控制参数，即比例系数Kp，积分时间常数Ti和微分时间常数Td对系统性能的影响，负反馈控制系统如图3－2所示：（1）比例控制Kp对控制性能的影响1）对动态特性的影响比例控制Kp加大，使系统的动作灵敏速度加快，Kp偏大，振荡次数增多，调节时间加长。当Kp太大时，系统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。2）对稳态特性的影响加大比例控制Kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差ess，提高控制精度，但是加大Kp只是减少ess，却不能完全消除稳态误差。（2）积分控制Ti对控制性能的影响--5--1）对动态特性的影响积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定。Ti偏小，振荡次数较多。Ti太大，对系统性能的影响减少。当Ti合适时，过渡特性比较理想。2）对稳态特性的影响积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是若Ti太大时，积分作用太弱，以致不能消除稳态误差。（3）微分控制Td对控制性能的影响微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。微分控制可以改善动态特性，如超调量a减少，调节时间ts缩短，允许加大比例控制，是稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大时，超调量a较大，调节时间ts较长。当Td偏小时，超调量a也较大，调节时间ts也较长。只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。5、PID相关控制PID控制器的三个组成部分对系统性能有着不同的影响，所以，我们通常需要配合使用来获得最佳的控制效果。比例、积分、微分控制的不同组合可组成P、PD、PI和PID共4种控制器。5.1比例微分控制（PD）若控制器的输出m(t)既与误差信号e(t)成正比，又与误差e(t)的一阶导数成正比，则称这种控制器为比例微分控制器，简称PD控制器。采用PD控制规律的系统称为比例微分控制系统。PD控制系统的典型结构如图3－3所示。--6--PD控制器的时域方程为：式中Kp是比例系数；Td微分时间常数。为讨论方便，令Kp=1，则上式为：易知作为校正装置的比例微分控制器，其传递函数为：PD控制规律具有鲜明的物理意义。由于一阶导数表示变化率，故PD控制中的微分控制分量对于e(t)的变化非常敏感。误差e(t)