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1、基于 L a b V I E W 的 P I D参数 自整定控制器设计刘撷 捷，等 基于 L a b V I E W 的 P I D参数 白整定控制器设计 De s i g n o f Se l f t u n i n g PI D Co n t r o l l e r Ba s e d o n L a b VI E W 纠颇 擅 饧 留 篼 平(中山大学信息科学与技术学院，广东 广州5 1 0 2 7 5)摘要：P I D参数 自整定是现代 自动化仪表具有的一个重要功能。利用虚拟仪器卓越的分析功能和强大的数据采集处理及运算功能，配合其工程开发平台L a b V I E W，设计了基于继电反馈
2、 P I D参数 自整定控制器。通过仿真及实时控制实验，证实了该算法可利用虚拟仪器 技术实现的可行性及其抗干扰能力的有效性，控制效果令人满意，对 自动化研究者具有较大的科学方法理论验证及工程实用价值。关键词：虚拟仪器过程控制P I D自整定仿真技术实时控制 中图分类号：T P 2 7 3 文献标志码：A Ab s t r a c t：S e l f-t un i n g o f P I D pa r a me t e r s i s a n i mp o r t a n t f u n c t i o n i n mo d e m a u t o ma t i o n i n s t r u
3、me n t a t i o n B y a d o p t i n g e x c e l l e n t a n a l y t i c c a p a b i l i t y a n d p o w e r f u l d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g f u n c t i o n s o f v i r t u a l i n s t r u me n t，a n d c o mb i n i n g w i t h p r o j e c t d e v e l o p me n t p l a t f
4、o r m L a b V I E W，t h e s e lf-t u n i n g PI D c o n t r o l l e r b a s e d o n r e l a y f e e d ba c k ha s b e e n d e s i g n e dTh r o ug h s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t o f r e a l t i me c o n t r o l，t h e f e a s i b i l i t y a n d a n t i-i n t e rfe r e n c e c a p a b
5、i l i t y o f the a l g o rit h m u s i n g v i r t u a l i n s t r u me nt t e c h n o l o g y a r e p r o v e d Th e d e s i g n o f f e r s s a t i s f a c t o r y c o n t r o l e f f e c t s：a n d i s w o r t h t o b e c o n s u l t e d f o r r e s e a r c h e r s o f a u t o ma t i o n a r e a
6、o n v e ri f y i n g s c i e n c e t h e o ry a n d a p p l y i n g i n e n g i n e e ri n g p r o j e c t s Ke y wo r d s：Vi rtu al i n s trume n t P r o c e s s c o nt r o l S e l f-t u n i n g o f PI D S i mu l a t i o n t e c h n o l o g y Re a l t i me c o ntr o l 0引言 工业过程控制 中，9 5 以上 的控制回路具有 P
7、I D结 构。目 前 P L C控制器等 自动化仪表中的继 电反馈 P I D参数 自整定算法是由 A s t r o m和 H a g g l u n d 提 出的，且基于此算法的控制器已被广泛应用于商品化温度控 制器中，如 M o d i c o n T S X C o m p a c t 9 8 4-2 5 8 型 P L C和西门 子公司生产的 P L C s 7 2 0 0自整定控制器等“。迄今为止，继电反馈 P I D参数 自整定算 法及其 改 进形式 的研究主要基于 Ma t l a b平 台，但 Ma t l a b很 难对 实际系统进行实时控制。然而虚拟仪器拥有强大的数 据采
8、集、处理 功能，能够 方便 地与 实 际被控 对 象相 连 接，并具有良好的人机界面。这些优势使其成为控制 领域研究人员和工程师较多使用的辅助工具。现今 国内外基于虚拟仪 器对控制 系统进行分析设 计 的例子还 比较少，尤其是基 于 L a b V I E W 的 P I D参数 自整定技术还 是空 白。本文 尝试 以 L a b V I E W 作 为开 发平台，设计一类通用过程控制系统。该系统利用继 电反馈 P I D参数自整定控制器对被控过程进行控制，并对设计的算法进行仿真分析和实时控制。因此，本 国家自然科学基金资助项目(编号：6 0 7 0 4 0 4 5)。修 改稿 收到 日期：2
9、 0 0 9一 O 1 1 9。第一作者刘撷捷，男，1 9 8 6年生，现 为中山大学信息科学与技术学院 在读硕士研究生；主要从事 P I D控制、自动化仪器仪表等方面的研究。文所研究 的内容不仅对控制学科有较好的理论仿真设 计价值，而且对实际工业过程控制 自动化仪表中嵌入 虚 拟仪器 P I D参数 自整定也具有重要意义。1 系统设计总体结构 本文设计 的系统 总体框架 如图 1 所示。系统首先 是建立被 控过程 的数学模 型，可 以建立通用模型模块，也可选择典型模型；在模型建立后，程序将 自动对其进 行时域及 频域性 能分析；之 后是 P I D控制 器离线仿 真 及在线 实时控制设 计，
10、观 察 系统 的控制 效果。各部 分 功能 由 L a b V I E W 的 T A B控件联系在一起。被控过程数学模型建立 被控过程模型分析 P l D控 制器 设计 与仿 真 P I D参数 自整定控制器离线仿真 P I D 参数自整定控制器实时控制 图 1 系统总体结构 F i g 1 O v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m 2 被控过程模型建立与分析 用户可 以通过多项式的形式或者 零极点增 益形式 建立通用被控过程模型。工业过程中，五种典型的工 业过程模型如表 1 所示。3 8 PROCES S AUT OMAT
11、1 0N I NS TRUMENT ATI ON Vo 1 3 0 No 1 1 No v e mb e r 2 0 0 9 基于 L a b V I E W 的 P I D参数 自整定控制器设计刘撷捷。等 表 1 典型被控过程模型 Ta b 1 Th e m o de l of t y pi c al c on t r ol l e d pr oc e s s 被控过程模型确立后，可通过模型分析模块，对过 程模型(包括 系 统 的阶跃 响应 曲线、根轨 迹 图 以及 波 特 图)进行时域和频域分析。3 继电反馈 P I D参数 自整定技术 继 电反馈 P I D参数 自整定 方 法是 1 9
12、 8 4年 由著名 瑞典 自动控制学者 A s t r o m提出的，即在继电反馈 的情 况下观测被控过程 的极 限环振 荡。继 电器 自整定过程 的基本特征 参数可 由其响应特 性的等幅振荡曲线测得，然后再由 z-N临界 比例度法 计算出 P I D调节器的参数。图2为继电反馈 P I D参数 自整定原理 图。(n)系统结构图 AT计算、：i 一 ：、P _-通 断动 作 P I D 自 动 控制过 程：(b)P I D 控制过程 图 2 继 电反馈 自整 定原理 F i g 2 P r i n c i p l e o f r e l a y f e e d b a c k s e l f-
13、t u n i n g 在 P I D自整定过 程 中，A T表示 自动 整定，假设 图 2(a)中继电特性的输出数学表达式为：自动化仪表 第 3 0卷第 1 1 期2 0 0 9年 l 1月 =式 中：d为继 电器 导通 时输出的电压幅度。当系统处 于 等 幅振 荡 时，非 线 性 环 节 输 入 信 号 e()为正弦信号，即 e(t)：A s i n to t；非线性环节输出信 号 u(t)为周期方波信号，周期为，可以展开为傅里 叶级数，即：“(t)=A 0+(A c o s m o t+B s i n n to t)(2)式 中：A。为直 流分量，A 、B 分别为基 波及 各次谐 波分
14、量 的幅值。由于正弦信号为奇 函数，所以输出的周期方波信 号也为奇函数，则可得到傅里叶级数的直流分量 系数 与基波偶 函数分 量系数为 0，即：A0=A1=0 而基波奇 函数分 量系数为：曰 ：广 r u()s in to td(to t)：4一 d 可 以得到该继 电特性 的描述 函数为：()：由控制理论可知，系统产生等幅振荡的条件为：I+N(A)G(j to)=0 (3)即：a r g G(j to)：一叮 T Ko=4d=(4)式中：K 为继电特性在传输幅度为 A的正弦信号时的 等价临界振荡比例增益，幅度A可依据如图2(b)所示 的振荡 曲线计算。1：(5)=一 L)式 中：P P 分
15、别 为 自整定 过 程 中 系统进 入 稳定 的等幅振荡后，系统输 出量 的最大值和最小值。在系统进入等幅 振荡 过程 后，计算 一个 周期 长度 为被 控过程数 学模 型 的临界 振荡 周期 T u；结合 式(4)计算临界增益 K 利用如表 2所示的 Z N临界 比例度 法整定公式，计算 出 P I D的参数，然后再 切换 到 P I D 自动控制过程。表 2 P I D参数 整定公式 Ta b 2 T u n i n g f o r mu l a s o f PI D p a r a me t e r s 3 9 基 于 L a b V I E W 的 P I D参数 自整定控 制器设计刘
16、撷捷，等 4 P I D参数 自整定控制器设计 态的某个时刻 加入了 单位阶跃扰动。利用虚拟仪器技术及 L a b V I E W 软件平 台，设计 了基 于继电反馈 P I D参数 自整定控制器。操作者只需简单地 按下开始键，就能得 到一个效果 比较好 的 P I D参数 自整 定控制过程曲线界面。系统设计的程序流程如图3所示。被 控对 象模 型选 择 l 模 型 分 析 l t 设 置 继 电 器 通 断 输 出 幅 值 J 自 整 定 运 算 l 自 整 定 所 得 P l D 参 数 载 入 控 制 器l+P lD 自 动 控 制 过 程 l 连接实际对象+设置 继 电器通 断输 出幅
17、 值 r 自整定运算 毫至=+是 自整定所得P 1 D参数载入控制器 P I D自动 控制 过程(a)系统仿真设计(b)实时控制设计 图 3程 序 设 计 流 程 图 F i g 3 F l o w c h a r t o f p r o g r a m d e s i g n 系统设计 时，在 自整定 过程 结束且 参数 载 入 P I D 控制器后，需要 断 开 P I D参数 整定 继 电器 模块，并 将 P I D控 制器接 入闭环 系统；为 了减 小 P I D切换 过程 对 自整定过程的冲击，本 文设计 在系统 的偏 差 e为 0时 进行切换。另外，工业实 时控制过程 中，系统既要
18、准确 地测 量 P I D参 数 整 定 的关 键参 数，又 要 快速 切 换 到 P I D控制过程。设计 时，假设 经过 两个 周期 的继 电通 断过程，系统就 已经进入等幅振荡状态，再根据相关数 据计算出 P I D控 制 器参 数，并将 其 载入 P I D控制 器。在 L a b V I E W 编辑窗 口编写的程序都简称为 V I，使用的 是基于 G语 言 的图形化 编程 方式。程 序 可 同时实 现 离线仿真与实时控 制，这样有利 于 比较分析 同一被 控 过程离线仿真与实时控制 的效果。5 仿真及实时控制结果 为了检验 P I D参数 自整定控制系统的效果，将三 种典型的过程模
19、 型作 为被控 对象进 行仿 真，得到 闭环 单位阶跃响应曲线 图，如 图 4所 示。对于积 分过程模 型，自整定过程 中继 电器导通状 态输 出的 电压幅度 为 d，=+5 V，关断状态时输出的电压幅度为 d ：一 2 V；而对于高阶模型和多滞后模型，自整定过程继 电器导通 和关断状态输 出的电压幅度均分别 为 d =+5 V，d，=0 V。为了检验系统 的抗 干扰能力，在系统达到稳 定状 t s (a 1积分过程模型(f=5 0 s)t s (b)高阶模型=4，t l=4 0 s)S (c)多滞后模型(3，6=2 0 0 s)图 4仿真结果 Fi g 4 Si mul a t i o n
20、r e s ul t s 另外，在仿真过程 中发现，d 、d：的取值不 同，所得 到的 P I D参 数也有所差别，但变化范 围不大，同时要求 d 的值必须大于系统的目标设定值。因此，选取合适 的 d 、d 值有助 于 自整定 过程，从 而得 到效 果较好 的 P I D参数，以更好地实现对系统的控制。为了便于进一步观察比较离线仿真与实时控制的 效果，本文选用一阶时滞模型和二阶时滞模型作为被 控对象，分别 对二 者进行 仿真 和实时 控制实验。两个 模 型的仿 真与实时控制 曲线如 图 5所示。(a)一阶时滞模型(l s 1t=3 0 s)(b)二阶时滞模型if=I s，t I=4 0 s)图
21、 5 仿真与 实时控制 曲线 Fi g 5 Cur v e s o f s i mu l a t i o n an d r e a l t i me c o n t r o l 实时控 制 自整定过程 即时记 录第二个等幅振荡周(下转第 4 4页)4 0 P ROCES S AUTOMATI ON I NS TRUMENTAT I ON Vo 1 3 0 No 1 1 No v e mb e r 2 0 0 9 新型智能照明控 制系统 的设计与验证董珀，等 趟 匪 点 琵。2 。4 0 0 占 1蕊 葡 葡 o 1蕊 葡 葡 0 m S a)环境照度 t ms (b)用 电量 图3大模式 实验
22、结果 F i g 3 E x p e r i m e n t a l r e s u l t s(P a t t e r n 1 a r g e )。2 。溺 一 i 4 0 咕 丽 葡 葡 0 昔 而 矿 葡 石 0 g m s r i m s (a)环境照度(b)用电量 图4 A N A C C算法实验 结果 F i g 4 E x p e r i m e n t a l r e s u l t s(A N A C C)由此可见，可视光通信能够加快整个系统灯亮度 的调节速度，用较少的时间调节，达到 系统耗 电最少。4结束语 本文所研究的智能照明系统 紧扣 当今社会节能环 保这个主题，其智
23、能主要体 现在可 以给室 内任何一 点 提供环境照度，并且 所消耗 的电能是该 照度条件 下最 小的。该系统运用了最新的控制方式，即基于相关性 系数 的 自适应邻域算法结合可视光通信技术。该方法 可以加速灯光调节的时间，其有效性我们通过计算机 仿真实验环境 进行 了验 证。实验 结果表 明，该控 制方 式能够 较快 地促使 整个 系统进入 节能 状态，对 于环境 因素的改变响应速度较快，在 智 能照明 系统领域 有较 好的推广作用。参考文献 1 K a w a o k a T，Mi k i MD e s i g n o f i n t e l l i g e n t a r t i f a c
24、 t s J I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n O p t i mi z a t i o n a n d I n n o v a t i v e D e s i gn，1 9 9 7，2 0(3)：2 52 7 2 R u h i n s t e i n F 5 0 p e r c e n t e n e r g y s a v i n g s w i th a u t o ma t i c l i g h t i n g c o n t r o l J S t r a t e g y P l a n E n e r g y E n
25、 v i r o n，1 9 9 7，1 1(2)：1 72 0 3 I m a z a t o K，Mi k i M，H i r o y a s u T P r o p o s a l f o r a n i n t e l l i g e n t l i g h t i n g s y s t e m a n d v e r i f i c a t i o n o f c o n t r o l m e t h o d e f f e c t i v e n e s s J 1 P r oc I E E E C I S，2 0 0 4，3 2(1 6)：5 2 0 5 2 5 4 Na k
26、 a g a w a M，T o s h i h i k o KI n t e g r a t e d s y s t e m o f w h i t e l e d v i s i b l e l i g h t c o m mu n i c a t io n a n d p o w e r l i n e c o mm u n i c a t i o n J I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o n s u me r E l e c t r o n i c s，2 0 0 3，4 9(1)：7 1 7 9 5 王秀锦，马剑 智能化照明 J 照明工程
27、学报，2 0 0 3，1 4(2)：5 2 5 5 6 王晓东 电气照明技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 4：2 5 3 7 7 高小敬 智能照明系统中室内的 自然光照水平顶测 J 低压电 器，2 0 0 4，9(3)：4 54 8 (上接 第 4 0页)期中被控变量的最大值和最小值以及二者所对应的时 刻。在自整定过程结束后，根据这些信息计算出 P I D各 参数，并将其载入 P I D控制器，随即系统无扰切换至 P I D 控制过程。同样在系统达到稳定状态 的某个 时刻 t 加 入单位阶跃扰动，以检验系统的抗干扰能力。以一阶时滞模型和二阶时滞模型为被控过程，仿 真及实时控制 白整定
28、得 到的 P I D控制器 各参数如表 3 所示。通过 以上仿真实例 及实 时控制 可以看 出，基 于 虚拟仪器技术 L a b V I E W 平台设计的 P I D控制器控制 效果令人满意。表 3 P I D控制器参数 Tab 3 Pa r a me t e r s of Pm C On t r ol l e r 6结束语 本文设计了一套基于虚拟仪器技术、L a b V I E W平 台的 P I D参数 自整定 控制 器。该系统 人机界 面友好、操作方便、控制效果 优 良，它不仅可 以辅助控制科学与 工程的研究人员进行控制理论算法仿真实验，也可以 应用于实际工业控制领域。参考文献 1 杨
29、智，陈新军 一种 P I D自整定温度控制器及实现 J 化工自 动化及仪表，2 0 0 0，2 7(1)：5 9 6 l，6 4 2 As t r o m K J，H a g g l u n d T P I D c o n t ro l l e r s：t h e o r y，d e s i gn and t a n in g M 2 n d e d N o r t h C a r o l i n a：I n s t r u me n t S o c i e t y o f A m e r i c a n，1 9 9 5 3 朱海峰，杨智，张名宙 仪用 P I D参数 自整定控制器设计与应用
30、J 自动化仪表，2 0 0 5，2 6(7)：l Ol 2 4 梁秀满，曹晓华，刘振东 P L C在大纯滞后过程中的应用 J 自 动化仪表，2 0 0 5，2 6(1 2)：4 4 4 5 5 杨乐平，李海涛，赵勇L a b V I E W高级程序设计 M 北京：清 华大学 出版社，2 0 0 3 6 朱海锋，杨智，王国利 基于 L a b V I E W 的通用被控过程数字仿 真系统 J 系统仿真学报，2 0 0 5，1 7(1 O)：2 3 7 62 3 8 0 7 叶岚基于继电反馈 的 P I D控制器 的参数整定 D 上 海：上海 交通大学，2 0 0 7 P RoCES S AUToM ATI oN I NS TRUMENTAT1 0N Vo I 3 0 N0 1 1 No v e mb e r 2 0 o 9