基于LabVIEW软件的PID自动控制

苏州大学机电工程学院 Soochow University of Mechanical and Electrical Engineering

课程设计报告

Curriculum design

课题名称：基于LabVIEW软件的PID自动控制学院: ********院

专业：*********

姓名：＊＊＊

学号：＊＊＊＊

目录

一、PID控制原理 (1)

1、PID控制介绍 (1)

2、PID控制规律 (1)

3、PID 控制的性能指标 (3)

4、PID 控制器参数整定的分类 (3)

5、PID相关控制 (5)

6、数字PID (7)

二、LabVIEW8.5软件 (9)

1、简介 (9)

2、特点 (10)

3、虚拟仪器 (11)

4、应用领域 (12)

三、前期练习题目与内容 (14)

四、设计内容与要求 (17)

1、设计内容 (17)

2、设计要求 (17)

五、设计方案 (18)

1、设计思路 (18)

2、程序框图设计 (20)

3、控制面板设计 (21)

六、最终设计结果及运行情况 (22)

1、程序框图 (22)

2、控制面板 (22)

七、课程设计心得 (25)

基于LabVIEW软件的PID自动控制

一、PID控制原理

1、PID 控制介绍

PID 控制是过程控制中广泛应用的一种控制，简单的说就是按偏差的比例(proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)进行的控制。当今，尽管各种高级控制在不断的完善，但目前在实际生产过程中应用最多的仍是常规PID 控制，其原因是：

1) 各种高级控制在应用上还不完善；

2) 大多数控制对象使用常规PID 控制即可以满足实际的需要；

3) 高级控制难以被企业技术人员掌握。

PID 控制器具有结构简单，参数易于调整等优点。在长期的工程实践中，人们对PID控制己经积累了丰富的经验。特别是在那些实际过程控制中，控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数又经常发生变化，常采用PID 控制器，并根据经验进行在线整定。

以下将从PID 控制规律、PID 控制的性能指标及PID 控制参数整定三个方面对PID 控制做进一步的介绍。

2、PID 控制规律

PID(Proportional,Integral and Differential)控制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的简单算法。

常规PID 控制系统原理框图如图3-1 所示，系统主要由PID 控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t),将偏差按比例、积分、和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系为：

式中u(t)是PID 控制器的输出，e(t)是PID 控制器的输入，Kp为比例系数，Ti 为积分时间常数，Td为微分时间常数。采用PID 控制器的控制系统如图所示。PID 调节器的传递函数为：

比例、积分和微分三个环节的控制是相互关联的，三个参数可以分别调节，也可以只采用其中一种或两种控制规律。简单的说，PID 控制器各环节的作用如下所述：

（1）比例环节：即成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差。比例控制反应快，但对某些系统，可能存在稳态误差。加大比例系数Kp，系统的稳态误差会减小，但稳定性可能变差。

（2）积分环节：积分的控制作用主要用于消除稳态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分速度越慢，积分作用越弱，反之则越强。积分环节可能使系统的频带变窄。积分控制通常与其它控制规律结合，组成PI 控制器或PID 控制器。

（3）微分环节：微分的作用是能反映偏差信号的变化速率，具有预见性，能预见偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，减少超调，减小调节时间。由于微分反映的是变化率，所以当输入没有变化时，微分环节的输出为零。微分控制通常与其它控制规律结合，组成PD或者PID 控制器。

为了能更好地理解三个环节具体的设计经验，在这里我们以PI 控制为例加以说明。实际上，根据我们长期的工作经验及对PID 控制理论的认识，在实际的生产过程中，PI 控制可以满足大多数过程控制的要求。PI 控制的知识及经验

可描述如下：

（1）比例主要影响响应速度，Kp愈大，响应愈快，但太大会引起较大的超调和振荡，甚至产生不稳定。Kp增大则超调增加，上升时间减短；反之，Kp 减小则超调减小，上升时间延长。

（2）积分时间Ti表示由积分作用产生一个比例调节效果的大小。Ti主要影响静态精度，消除静差。稳态时，Ti越大，积分速度越慢，消除静差越慢。反之，Ti 越小，积分速度越快，消除静差越快。但积分控制作用太强会使静态性能变差。（3）在偏差较大时，PI 控制器以提高系统动态响应速度为主。为尽快消除偏差，Kp应取大值，Ti应取小值；在偏差较小时，为继续消除偏差，并防止超调过大而产生振荡，Kp值减小，Ti应取大值；在偏差很小时，以提高静态精度，克服大超调，提高系统稳定性为主，此时Kp值应继续减小，Ti值不变或稍减小。（4）偏差变化率e(t)的大小反映偏差变化的速率。e(t)越大，Kp值应越小，Ti 取值也应越小。反之，e(t)越小，Ti取值也应越大。

3、PID 控制的性能指标

衡量一个PID 控制系统性能好坏的指标主要有：上升时间tr、超调量a%、调节时间ts和稳态误差ess。其中：

（1）上升时间tr是指系统实际输出从正常输出的10%上升到正常输出的90%时所需的时间；

（2）调节时间ts是指系统实际输出值稳定在正常输出值的5%或2%范围以内时所需的时间；

（3）超调量a%是指系统实际输出的最大值与正常值的差与正常值的比值；（4）稳态误差ess是指系统达到稳态时的输出值与正常值差的绝对值与正常值的比值。

这四个参数反映了系统的响应能力和稳定性，通过它们就可以判定一个系统性能的好坏。

4、PID 控制器参数整定的分类

PID 控制器广泛地应用于工业过程中，但是PID 控制器的参数整定是一个令人困扰的问题。一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，即耗时又费力，加