基于LabVIEW的半實物虛擬仿真實驗平臺

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)速目標參數(shù)。參數(shù)經(jīng)過PID子VI的運算得到輸出值，通過LabVIEW的仿真波形圖來顯示模擬的PID圖像。

　　在實物平臺上采用位置式PID控制來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。使用MSP430單片機的定時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)電機轉(zhuǎn)速，使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)實物的PID控制。在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達式為：

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

　　在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的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控制器。

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

　　(1)比例環(huán)節(jié)：及時成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號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。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，時間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強。

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

　　模擬信號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這三個參數(shù)，進而調(diào)節(jié)PWM使電機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值。在實際應(yīng)用中，數(shù)字PID算法的積分項可能會引起飽和現(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：一旦控制量進入飽和區(qū)，則停止進行增大積分的運算。

3.5 LabVIEW的編制及界面

　　上位機數(shù)據(jù)的采集通過一個獨立的子VI完成，通過子VI把串口的數(shù)據(jù)處理分類，用兩個輸出將數(shù)據(jù)送給下一個子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)，將返回超時錯誤。

　　上一個子VI輸出的數(shù)據(jù)被下一個子VI獲取，通過LabVIEW的波形圖示實時的顯示采集的數(shù)據(jù)。其部分數(shù)據(jù)如圖9所示。

　　在虛擬平臺的編制上我們使用了LabVIEW強大的數(shù)據(jù)處理功能，把實物用數(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。

　　對于電機虛擬圖像，可通過前面板設(shè)計設(shè)置理想轉(zhuǎn)速、PID參數(shù)，如圖10所示。從而實現(xiàn)對虛擬電機轉(zhuǎn)速的控制，進行誤差分析。 誤差分析表示當前實際轉(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單片機進行數(shù)據(jù)采集，充分利用了單片機的高速性和高可靠性，從而解決了傳統(tǒng)的單片機控制速度較慢的問題。該系統(tǒng)成功采集到各項數(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系統(tǒng)，通過軟硬件結(jié)合實現(xiàn)儀器功能，具有較好的推廣和應(yīng)用價值。

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