基于虛擬儀器的增量型PID控制系統設計(圖)

利用圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW及其PID工具包能方便、高效地進(jìn)行PID控制器設計。若將其與傳感器、信號調理電路、數據采集卡等硬件設備良好結合，即可構成基于虛擬儀器的控制系統。

虛擬儀器控制系統中控制策略和控制算法的軟件實(shí)現是測控系統重要組成部分，是測控系統中控制部分的核心內容。本文首先詳細地闡述測控系統中增量型PID控制器的設計原理及程序實(shí)現，然后介紹將增量型PID控制器應用到基于虛擬儀器的電壓控制系統中的方案。

電壓測控系統軟件控制器原理與實(shí)現
1 PID控制原理
PID控制器是一種線(xiàn)性控制器。在連續控制系統中，用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差時(shí)間函數的比例、積分、微分線(xiàn)性組合構成控制量u(t)。其框圖如圖1所示。

圖1 ID控制器方框圖

為了實(shí)現計算機控制，則須將連續PID算式離散化，變?yōu)閿底諴ID算式。實(shí)際應用中采用后向差分法作為離散化方法，可由穩定的模擬控制器得到穩定的數字控制器。當采樣周期T遠小于信號變化周期時(shí)，作如下近似（T足夠小時(shí)，如下逼近相當準確，被控過(guò)程與連續系統十分相似）。

(1)

(2)
(3)
(4)

式中，K_p為比例系數，為積分系數，為微分系數。

2 增量型PID控制器程序實(shí)現
LabVIEW的PID工具包中實(shí)現位置型PID算法具體如下：

誤差：e(k)=sp-pv (5)
比例環(huán)節：(6)
積分環(huán)節：(7)
微分環(huán)節：(8)

sp―設定點(diǎn)即被控過(guò)程變量指定的理想值，pv―過(guò)程變量即被控制的系統參數。由于sp的值可能隨時(shí)改變，為了避免sp突變造成的影響，微分環(huán)節采用對pv的偏微分，而不是一般用到的誤差的偏微分。將式（4）的微分部分作如下變形：

(9)
得到增量型PID算法的輸出表達式為：
(10)
(11)

所得相應流程圖如圖2所示。

圖2 增量型PID算法流程圖

電壓測控系統硬件構成
此系統所涉及的DC/DC變換器是額定功率為55kW、峰值功率為60.5kW的單項DC/DC變換器。它的正常輸入電壓為0～600V,輸出電流為0～216A。

DC/DC變換器輸入電壓測控系統是單輸入單輸出系統，因此選用PCI總線(xiàn)結合數據采集板卡即PCI-DAQ模式的虛擬儀器構建該控制系統，采用霍爾電壓傳感器獲得現場(chǎng)電壓信號。數據采集卡選用NI公司最新推出的高速高精度PCI-6251M板卡。由于輸入輸出都有各自的定時(shí)/控制及緩存芯片，因此只用一塊卡就可同時(shí)完成控制系統的輸入輸出。

要實(shí)現對DC/DC變換器輸入電壓的良好控制，必須保證采集卡輸出的控制脈沖與執行機構的輸出之間能夠實(shí)現精確的同步?；诖艘?，采用步進(jìn)電機后面帶調壓器作為采集卡數字I/O輸出的執行機構。

利用NI公司的集成測試環(huán)境所設計的基于虛擬儀器的DC/DC變換器輸入電壓測控系統如圖3所示。

圖3 電壓測控系統結構框圖

電壓測控系統的仿真與實(shí)現
1 執行機構數學(xué)模型
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的。為了利用PID控制器來(lái)控制它，以三相反應式步進(jìn)電機為例推導得出其在單相勵磁的情況下的傳遞函數。

(12)

其中J 、Zr分別為轉子轉動(dòng)慣量及齒數；ia為A相電流；L為繞組的電感；D為電動(dòng)機的黏滯阻尼系數。取L(H)＝ 0.01002，Zr＝40，J( kgm2)＝1.08，D＝0.031。
期望角位移輸出θ=1.5，取ia=1.0，這樣得到步進(jìn)電機的傳遞函數為：

(13)

可見(jiàn)得出的步進(jìn)電機為二階系統模型。

選用的變壓器為帶觸頭的線(xiàn)性調壓器，即調壓器的傳遞函數為常數。步進(jìn)電機的輸出角度通過(guò)機械傳動(dòng)轉換為觸頭的直線(xiàn)位移。通過(guò)觸頭位置的改變來(lái)改變匝數比，從而改變輸出電壓，起到調壓的目的。因此整個(gè)執行機構為一個(gè)二階系統。

2 仿真結果與分析
用在LabVIEW 中的位置型的基礎上設計的增量型PID控制器對傳遞函數為式（13）所示的二階系統執行機構進(jìn)行仿真。得到的階躍響應曲線(xiàn)仿真結果如圖4所示。
從仿真曲線(xiàn)我們可以看到，采用增量型PID控制策略時(shí)，能很快就達到步距角，波動(dòng)較小，控制平穩，滿(mǎn)足了測控系統的要求。

3 測控系統程序實(shí)現
由于LabVIEW的運行環(huán)境Windows是一個(gè)搶先制多任務(wù)操作系統，其他運行的應用程序會(huì )影響到控制回路的速度。為了保證采集控制過(guò)程不受用戶(hù)操作的影響故使用硬件定時(shí)控制回路，可以得到精確的模擬輸入采樣率和輸出刷新率。PID VI使用系統時(shí)鐘來(lái)計算循環(huán)周期時(shí)間。由于操作系統時(shí)鐘最小長(cháng)度為1ms，當循環(huán)周期小于1ms基于虛擬儀器的增量型PID控制系統設計時(shí)必須明確指定dt的值。

圖4 增量型PID控制器仿真結果

在硬件時(shí)控制回路中，AI Timing VI和AO Timing VI均采用簡(jiǎn)單時(shí)鐘信號定時(shí)。模擬輸入VI以設置的采樣率采集電壓信號，模擬輸出VI以設定的刷新率刷新輸出通道的值。在程序中調用了參數自整定子VI可以很方便地得到滿(mǎn)足最佳控制性能的PID參數。所設計的單通道電壓采集控制程序如圖5所示。

圖5 單通道電壓采集控制程序框圖

結束語(yǔ)
基于LabVIEW軟件平臺開(kāi)發(fā)的增量型PID控制器能較好地實(shí)現DC/DC輸入電壓測控的基本要求。仿真分析表明，增量型PID控制器具有好的控制效果。這也進(jìn)一步證明了虛擬儀器在開(kāi)發(fā)測控系統方面的潛力。利用LabVIEW及其PID工具包能方便、高效地進(jìn)行PID控制器的設計與工程實(shí)現并用于各種實(shí)際的工業(yè)與自控環(huán)境中。