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。在前面板中設置PID的輸入控件，分別為比例參數、積分參數、微分參數和轉速目標參數。參數經過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控制來調節電機的轉速。使用MSP430單片機的定時器的比較模式輸出經過PID調節所得到的占空比來調節電機轉速，使電機轉速穩定在一定的范圍內，實現實物的PID控制。在模擬系統中，PID算法的表達式為：

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

　　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調節器)是應用最為廣泛的一種自動控制器。

　　PID調節器各個校正環節的作用：

　　(1)比例環節：及時成比例的反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減少偏差。

　　(2)積分環節：主要用于消除誤差，以提高系統無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，時間常數越大，積分作用越弱，反之越強。

　　(3)微分環節：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，在系統中引入一個早期的有效修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

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

　　從而可以推導出數字PID算法：

　　將此式代入程序中調節好K_p、K_I、K_d這三個參數，進而調節PWM使電機轉速達到設定值。在實際應用中，數字PID算法的積分項可能會引起飽和現象，導致帶幅度的超調，使系統不穩定。

　　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，則停止進行增大積分的運算。

3.5 LabVIEW的編制及界面

　　上位機數據的采集通過一個獨立的子VI完成，通過子VI把串口的數據處理分類，用兩個輸出將數據送給下一個子VI，設置的串口參數必須匹配連接儀器或設備的參數“讀數”參數可指定串口讀取的字節數。如果端口字節超過指定的字節數，超出部分將不會被讀取。如果端口字節數少于指定的字節數，將返回超時錯誤。

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

　　在虛擬平臺的編制上我們使用了LabVIEW強大的數據處理功能，把實物用數據的形式模擬出來。設置參數和期望值，通過PID子VI模擬出圖像顯示出來。

　　對于電機虛擬圖像，可通過前面板設計設置理想轉速、PID參數，如圖10所示。從而實現對虛擬電機轉速的控制，進行誤差分析。 誤差分析表示當前實際轉速和設定轉速的差值，如圖11所示。

4 結論

　　本文采用MSP430單片機進行數據采集，充分利用了單片機的高速性和高可靠性，從而解決了傳統的單片機控制速度較慢的問題。該系統成功采集到各項數據并得到數據圖像，是一套比較完整的虛擬仿真平臺系統，通過軟硬件結合實現儀器功能，具有較好的推廣和應用價值。

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