毕业设计基于LabVIEW的PID控制器的设计Word格式.doc
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毕业设计基于LabVIEW的PID控制器的设计Word格式.doc
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作为一种广泛的控制规律,PID控制在相当长的一段时间内,并没有因为各种先进控制算法的出现而遭到淘汰,相反,经过时间的考验,PID控制仍然在各种控制技术中占着主导地位。
随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展,仪器技术领域发生了巨大的变化,虚拟测试技术引入了仪器领域。
随着相关软件的不断诞生,虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称,是美国国家仪器公司(NATIONALINSTRUMENTS,简称NI)的创新软件产品,也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境(G语言)。
LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计,为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。
该控制器适用于机电、冶金、机械、化工等各个工业生产部门的过程控制系统中,减少了临界比例度等方法进行调整各个参数的繁琐过程,为各领域的过程控制系统提供了方便,节省了时间,大大的提高了生产效率。
关键词:
虚拟仪器,PID控制器,LabVIEW8.6,G语言
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文)第III页
ThedesignofPIDcontrollerbasedonVirtualDevice
Auther:
WangRuofei
Tutor:
QuXiuyun
Absrtact
ThetextintroducesaPIDcontrollerwhichisdesignedbyLabview8.6.PIDcontrollerisalinearcontroller,whichhassuchadvantagesassimpleprinciples,easysetting,convenientapplicationandstrongcontrolperformance.Itcanquicklyandexactlydefinethreeparameters—P、I、D—forlinearcontrolsystembelowthreeorders,andaccuratelydeterminethestepresponsecurveoftheopenloopandtheclosedloopsystems.Atthesametime,maygivethecontrolsystemsplit-ringortheclosedloopstepresponse.
Becauseofthesimplestructure,easytorealize,andthestrongrobustness,thePIDcontrolleriswidelyappliedineachcommercialruncontrol.Asonekindofwidespreadcontrolrule,thePIDcontrolinquitelongperiodoftime,hasnotbeeneliminatedbecauseofeachkindofadvancedcontrolalgorithmappearance,onthecontrary,theprocesstimetest,thePIDcontrolwasstilloccupyingthedominantpositionineachkindofcontroltechnology.
Alongwiththecomputertechnology,thelargescaleintegratedcircuittechnologyandthecommunicationtechnologyrapiddevelopment,theinstrumentareaoftechnologyhashadthehugechange,thehypothesizedtesttechnologyhasintroducedtheinstrumentdomain.Alongwiththecorrelationsoftwareunceasingbirth,thehypothesizedinstrumentwillbeabletosubstitutefortraditionalthemeasuringinstrumenttobecomethemeasuringinstrumentgraduallythemainstream.LabVIEWisthelaboratoryhypothesizedinstrumentintegrationenvironmentabbreviation,isAmericanCountryInstrumentCompany(NATIONALINSTRUMENTS,iscalledNI)innovationsoftwareproduct,alsoisatpresentapplies,thedevelopmentbroadlyfrank,thefunctionstrongestpresentinfiguresanddiagramssoftwaredevelopmentintegrationenvironment.TheLabVIEWformidablehardwareactuates,thegraphicaldisplayabilityandtheconvenientfastprogramming(Graphicalprogram),hasprovidedtheoutstandingsolutionfortheprocesscontrolandtheindustrialautomationapplication.
Thiscontrollerisapplicableformanyfieldsinprocesscontrolsystem,anditreducesthetrivialprocessofthemethodlikethresholdproportionalband.Italsosuppliesconvenienceforprocesscontrolsystemineveryfield,savesthetime,andimprovestheproductionefficiencygreatly.
Keywords:
VirtualDevice、PIDcontroller、Labview8.6、Graphicalprogram
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文)第54页
目录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2课题研究的背景与意义 1
1.3国内外研究的状况与成果 2
1.4设计研究的思路和主要内容 2
2虚拟仪器基础 4
2.1虚拟仪器技术 4
2.1.1虚拟仪器概念 4
2.1.2虚拟仪器的发展历程 4
2.1.3虚拟仪器的体系结构 5
2.1.4虚拟仪器的优势技术 7
2.1.5虚拟仪器将来的发展方向 8
2.2labview软件平台 8
2.2.1labview的简介 8
2.2.2选用labVIEW设计控制器的优势所在 9
2.2.3labview的操作模板 9
2.2.4创建VI 13
2.3本节小结 17
3PID算法及基本知识 18
3.1模拟PID控制器 18
3.1.1模拟PID控制器的基本原理 18
3.1.2PID控制器参数对控制性能的影响 19
3.2数字PID控制算法 21
3.2.1位置式PID控制算法 22
3.2.2增量式PID控制算法 25
3.3PID控制器的优缺点 27
3.3.1PID控制器的优点 27
3.3.2PID控制器的缺点 27
3.4控制系统的分类及性能指标 27
3.4.1控制系统的分类 27
3.4.2控制系统的性能指标 28
3.5PID控制器参数整 30
3.5.1经验试凑法 30
3.5.2临界比例度法 31
3.5.3归一参数整定法 32
3.5.4衰减曲线法 33
3.5.5响应曲线法 33
3.5.6变参数寻优法 35
3.6本章小结 35
4labVIEW中PID控制器的实现 36
4.1用LabVIEW进行仿真的可行性 36
4.2PID控制器的设计及各SubVI的设计 36
4.2.1积分作用 37
4.2.2微分作用 38
4.2.3比例微分积分作用 39
4.3.1总体程序的前面板设计 40
4.3.2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 48
1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(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,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IEEE488及后来的IEEE488.2标准。
但由于GPIB总线带宽(1Mbytes/s)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NI—LabVIEW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132Mbytes/s。
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(ChinaOrientInstituteofNoise&Vibration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(DASPDataAcquisition&
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I/O接口设备组成。
I/O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I/O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)VXI/PXI系统是以VXI/PXI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-DAQ
GPIB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++,VisualBasic,LabwIND0wS/CVI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
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- 毕业设计 基于 LabVIEW PID 控制器 设计