基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.4 PID控制

　　虛擬控制采用LabVIEW的虛擬仿真功能得到理想的PID圖像的部分前面板如圖8所示。在前面板中設(shè)置PID的輸入控件，分別為比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)和轉(zhuǎn)速目標(biāo)參數(shù)。參數(shù)經(jīng)過PID子VI的運(yùn)算得到輸出值，通過LabVIEW的仿真波形圖來顯示模擬的PID圖像。

　　在實(shí)物平臺(tái)上采用位置式PID控制來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用MSP430單片機(jī)的定時(shí)器的比較模式輸出經(jīng)過PID調(diào)節(jié)所得到的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物的PID控制。在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：

　　式中，P(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差，K_p為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，K_I為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，T_D為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。

　　在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器(亦稱PID調(diào)節(jié)器)是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。

　　PID調(diào)節(jié)器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用：

　　(1)比例環(huán)節(jié)：及時(shí)成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差。

　　(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除誤差，以提高系統(tǒng)無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。

　　(3)微分環(huán)節(jié)：能反映偏差的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)早期的有效修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

　　模擬信號(hào)r(t)、e(t)、u(t)、c(t)在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是有。

　　從而可以推導(dǎo)出數(shù)字PID算法：

　　將此式代入程序中調(diào)節(jié)好K_p、K_I、K_d這三個(gè)參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字PID算法的積分項(xiàng)可能會(huì)引起飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致帶幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　為了消除飽和積分的影響，我們采用遇限削弱積分法：一旦控制量進(jìn)入飽和區(qū)，則停止進(jìn)行增大積分的運(yùn)算。

3.5 LabVIEW的編制及界面

　　上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集通過一個(gè)獨(dú)立的子VI完成，通過子VI把串口的數(shù)據(jù)處理分類，用兩個(gè)輸出將數(shù)據(jù)送給下一個(gè)子VI，設(shè)置的串口參數(shù)必須匹配連接儀器或設(shè)備的參數(shù)“讀數(shù)”參數(shù)可指定串口讀取的字節(jié)數(shù)。如果端口字節(jié)超過指定的字節(jié)數(shù)，超出部分將不會(huì)被讀取。如果端口字節(jié)數(shù)少于指定的字節(jié)數(shù)，將返回超時(shí)錯(cuò)誤。

　　上一個(gè)子VI輸出的數(shù)據(jù)被下一個(gè)子VI獲取，通過LabVIEW的波形圖示實(shí)時(shí)的顯示采集的數(shù)據(jù)。其部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖9所示。

　　在虛擬平臺(tái)的編制上我們使用了LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，把實(shí)物用數(shù)據(jù)的形式模擬出來。設(shè)置參數(shù)和期望值，通過PID子VI模擬出圖像顯示出來。

　　對(duì)于電機(jī)虛擬圖像，可通過前面板設(shè)計(jì)設(shè)置理想轉(zhuǎn)速、PID參數(shù)，如圖10所示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)行誤差分析。 誤差分析表示當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值，如圖11所示。

4 結(jié)論

　　本文采用MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，充分利用了單片機(jī)的高速性和高可靠性，從而解決了傳統(tǒng)的單片機(jī)控制速度較慢的問題。該系統(tǒng)成功采集到各項(xiàng)數(shù)據(jù)并得到數(shù)據(jù)圖像，是一套比較完整的虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)儀器功能，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第39頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。