基于LabVIEW的半实物虚拟仿真实验平台

3.4 PID控制

　　虚拟控制采用LabVIEW的虚拟仿真功能得到理想的PID图像的部分前面板如图8所示。在前面板中设置PID的输入控件，分别为比例参数、积分参数、微分参数和转速目标参数。参数经过PID子VI的运算得到输出值，通过LabVIEW的仿真波形图来显示模拟的PID图像。

　　在实物平台上采用位置式PID控制来调节电机的转速。使用MSP430单片机的定时器的比较模式输出经过PID调节所得到的占空比来调节电机转速，使电机转速稳定在一定的范围内，实现实物的PID控制。在模拟系统中，PID算法的表达式为：

　　式中，P(t)为调节器的输出信号，e(t)为调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差，K_p为调节器的比例系数，K_I为调节器的积分时间，T_D为调节器的微分时间。

　　在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。

　　PID调节器各个校正环节的作用：

　　(1)比例环节：及时成比例的反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差。

　　(2)积分环节：主要用于消除误差，以提高系统无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之越强。

　　(3)微分环节：能反映偏差的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个早期的有效修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

　　模拟信号r(t)、e(t)、u(t)、c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是有。

　　从而可以推导出数字PID算法：

　　将此式代入程序中调节好K_p、K_I、K_d这三个参数，进而调节PWM使电机转速达到设定值。在实际应用中，数字PID算法的积分项可能会引起饱和现象，导致带幅度的超调，使系统不稳定。

　　为了消除饱和积分的影响，我们采用遇限削弱积分法：一旦控制量进入饱和区，则停止进行增大积分的运算。

3.5 LabVIEW的编制及界面

　　上位机数据的采集通过一个独立的子VI完成，通过子VI把串口的数据处理分类，用两个输出将数据送给下一个子VI，设置的串口参数必须匹配连接仪器或设备的参数“读数”参数可指定串口读取的字节数。如果端口字节超过指定的字节数，超出部分将不会被读取。如果端口字节数少于指定的字节数，将返回超时错误。

　　上一个子VI输出的数据被下一个子VI获取，通过LabVIEW的波形图示实时的显示采集的数据。其部分数据如图9所示。

　　在虚拟平台的编制上我们使用了LabVIEW强大的数据处理功能，把实物用数据的形式模拟出来。设置参数和期望值，通过PID子VI模拟出图像显示出来。

　　对于电机虚拟图像，可通过前面板设计设置理想转速、PID参数，如图10所示。从而实现对虚拟电机转速的控制，进行误差分析。 误差分析表示当前实际转速和设定转速的差值，如图11所示。

4 结论

　　本文采用MSP430单片机进行数据采集，充分利用了单片机的高速性和高可靠性，从而解决了传统的单片机控制速度较慢的问题。该系统成功采集到各项数据并得到数据图像，是一套比较完整的虚拟仿真平台系统，通过软硬件结合实现仪器功能，具有较好的推广和应用价值。

　　参考文献：

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　　[6]丁元杰.单片微机原理及应用(第 3 版)[M].北京:机械工业出版社,2005.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第10期第39页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。