基于虚拟仪器的PID控制器的设计
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摘要：利用虚拟仪器LabVIEW开发平台，设计了一个程序，可以对3阶以内的线性被控对象快速的确定PID控制器的各个参数，完成PID控制器的设计。同时，可以给出控制系统开环或者闭环的阶跃响应。
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；PID控制器
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-2196-02
The Design of PID Controller Based on Virtual Device
YANG Da-zhu, LI Cheng-xue
(Automobile Management of PLA, Bengbu 233011, China)
Abstract: A program is designed based on LabVIEW virtual instrument，which can easily get the parameters of the PID controller for linear plant no more than third-order, finish the design of PID controller. At the same time, a step response of open-loop or close-loop control system is given.
Key words: virtual instrument; LabVIEW; PID control
PID(比例积分微分)控制是控制工程中技术成熟，应用广泛的一种控制策略，它经过长期工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。PlD控制调节原理简单，易于整定、使用方便，广泛地应用于机电、冶金、机械、化工等各个工业生产部门。由于工业控制现场PID参数优化整定困难，并且对于一些复杂的控制系统难以用传统方法进行整定，因此需要找到一种新的设计方法来解决这一问题。
LabVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，具有简洁的图形化编程环境和强大的功能，广泛地应用于数据采集与控制、信号处理、数据显示、数据分析等领域。
利用LabVIEW软件实现的PID控制器有助于整定问题的解决。
1 PID控制原理
PID是根据系统误差计算出控制量进行闭环控制的基本控制算法，它从比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制。常规PID控制系统原理框图如图1所示，该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：
e(t)=r(t)-c(t)（1）
对偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后通过线性组合构成控制量，作用于被控对象，其控制规律为：
（2）
表示为传递函数的形式为
（3）
式中kp、Ti、Td分别为,比例系数、积分时间常数、微分时间常数。
比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数Ti，Ti越小，积分作用越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间。
2 LabVIEW及其PID工具包简介
LabVIEW自1986年推出以来，经过二十几年的时间，发展到以最新版本LabVIEW10为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、模糊控制和PID控制等众多的附加软件包,可运行于Windows、Linux、Sun和HP-UX等多种平台。
LabVIEW提供了一种全新的编程方法,即采用编译型图形化编程语言―G语言(GraphProgramming)。用户设计好程序的框架之后,只需把系统提供的各种图形化功能模块连接起来,即可得到所需的应用程序。LabVIEW中的程序称为虚拟仪器 (virtual instruments)程序,简称VI.。每个VI都由前面板、框图程序和图标/连接端口三部分组成。前面板就是图形化用户界面,用于设置输入数值和观察输出值；框图程序利用图形语言对定义在前面板上的控制量和指示量进行编程；图标/连接端口则可以把VI定义为一个子程序(subVI),使其能被别的VI调用。
LabVIEW的PID控制模块包含PID和模糊逻辑控制以及其它先进控制函数。利用NI的基于LabVIEW的PID工具包（PID Toolkit），不但可以在LabVIEW 环境下通过友好的人机交互界面直观方便地进行控制器的设计，还能充分利用LabVIEW 的各种强大功能，特别是同数据采集板卡等硬件的良好结合，迅速地搭建所需的自动控制系统，进行仿真及实际应用。
3 PID控制器设计的LabVIEW实现方法
PID控制器设计的主要任务是对于给定的被控对象，快速的确定比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd,使系统满足相应的指标。
3.1 LabVIEW程序设计
3.1.1 前面板设计
前面板程序用来提供用户与程序的接口，产生一个友好的图形界面，用于显示仿真波形输出。此外，用户还可以通过前面板上的控件设置被控对象的传递函数,以及开环和闭环控制的选择。实现PID控制器设计的VI前面板程序如图2、图3所示,可以几乎同步得到仿真波形。
图2 开环控制及波形 图3 闭环控制及波形
3.1.2 框图程序设计
框图程序是虚拟仪器的图形化源代码，与前面板相对应，连线表示信号的方向。它是利用图形语言对前面板上的控制量和显示量进行控制，使程序完成设定的功能。图4和图5为本文的源程序。图4中的框图程序1对前面板输入的数据进行预处理，作为图5的框图程序2中各子VI的参数。
图4 框图程序1 图5 框图程序2
3.2 控制器设计
完成程序设计后,只需在前面板上设置被控对象的传递函数，然后运行程序,用鼠标拖动参数Kp、Ki、Kd的滑动按钮调整它们的大小，使得输出的阶跃响应达到预期的效果。还可以通过开关选择对开环系统或者闭环系统进行仿真。本文对传递函数为
（4）
的被控对象进行仿真，得到开环和闭环阶跃响应分别如图2和图3所示。kp、Ti、Td的值分别为5.17、0.006、0.01。
对不同的被控对象只需改变其传递函数，重复上面步骤即可获得的pid参数,完成PID控制器的设计。
4 结束语
PID增加了一些高级的功能，如可以设定期望值的范围，手动控制， 线性化、自整定等功能。在LabVIEW软件条件下，利用PID工具包，可以方便的进行PID控制器的设计，为PID控制在实际系统中的应用提供参考。通过前面板的图形交互界面，本程序对3阶以内具有线性递函数的被控对象有着很好的通用性。
此外，还可以利用PID工具包，设计其它基于PID算法的LabVIEW程序，设为子VI，便于在设计中调用。
参考文献：
[1] 任彦硕,赵一丁,张家生.自动控制系统[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
[2] 陈锡辉.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.