畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于labview的pid控制器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　基于LabVIEW的PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2010年 6 月 15 日</p><p>　系 別自動化工程系</p><p>　專 業(yè)測控技術(shù)與儀器</p><p>　班級學(xué)號</

2、p><p>　姓 名</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　　基于LabVIEW的PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹一種利用LabVIEW8.6軟件設(shè)計(jì)的PID控制器。PID控制器是一種線性的控制器，具有原理簡單、易于整定、

3、使用方便和控制性能較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它能夠?qū)θA以內(nèi)的線性控制系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的確定P、I和D三個參數(shù)和階躍響應(yīng)曲線。同時，可以給出控制系統(tǒng)開環(huán)或者閉環(huán)的階躍響應(yīng)。</p><p>　　PID控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制中。作為一種廣泛的控制規(guī)律，PID控制在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，并沒有因?yàn)楦鞣N先進(jìn)控制算法的出現(xiàn)而遭到淘汰，相反，經(jīng)過時間的考驗(yàn)，PID控制仍然在各種控制

4、技術(shù)中占著主導(dǎo)地位。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，虛擬測試技術(shù)引入了儀器領(lǐng)域。隨著相關(guān)軟件的不斷誕生，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是美國國家儀器公司（NATIONAL INSTRUMENTS ，簡稱NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化

5、軟件開發(fā)集成環(huán)境（G語言）。LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計(jì)，為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。</p><p>　　該控制器適用于機(jī)電、冶金、機(jī)械、化工等各個工業(yè)生產(chǎn)部門的過程控制系統(tǒng)中，減少了臨界比例度等方法進(jìn)行調(diào)整各個參數(shù)的繁瑣過程，為各領(lǐng)域的過程控制系統(tǒng)提供了方便，節(jié)省了時間，大大的提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器,

6、PID控制器,LabVIEW8.6,G語言</p><p>　　The design of PID controller based on Virtual Device</p><p>　　Auther： Wang Ruofei</p><p>　　Tutor： Qu Xiuyun</p><p><b>　　Absrtact<

7、;/b></p><p>　　The text introduces a PID controller which is designed by Labview8.6 .PID controller is a linear controller, which has such advantages as simple principles, easy setting, convenient applicat

8、ion and strong control performance. It can quickly and exactly define three parameters—P、I、D—for linear control system below three orders, and accurately determine the step response curve of the open loop and the closed

9、loop systems. At the same time, may give the control system split-ring or the closed loop </p><p>　　Because of the simple structure, easy to realize, and the strong robustness, the PID controller is widely a

10、pplied in each commercial run control. As one kind of widespread control rule, the PID control in quite long period of time, has not been eliminated because of each kind of advanced control algorithm appearance, on the c

11、ontrary, the process time test, the PID control was still occupying the dominant position in each kind of control technology. </p><p>　　Along with the computer technology, the large scale integrated circuit

12、technology and the communication technology rapid development, the instrument area of technology has had the huge change, the hypothesized test technology has introduced the instrument domain. Along with the correlation

13、software unceasing birth, the hypothesized instrument will be able to substitute for traditional the measuring instrument to become the measuring instrument gradually the mainstream. LabVIEW is the laboratory </p>

14、<p>　　This controller is applicable for many fields in process control system, and it reduces the trivial process of the method like threshold proportional band. It also supplies convenience for process control sys

15、tem in every field, saves the time, and improves the production efficiency greatly.</p><p>　　Keywords: Virtual Device、PID controller、Labview8.6、Graphical program</p><p><b>　　目 錄</b&g

16、t;</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 課題研究的背景與意義1</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究的狀況與成果2</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)研究的思路和主要

17、內(nèi)容2</p><p>　　2 虛擬儀器基礎(chǔ)4</p><p>　　2.1 虛擬儀器技術(shù)4</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器概念4</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的發(fā)展歷程4</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.1

18、.4 虛擬儀器的優(yōu)勢技術(shù)7</p><p>　　2.1.5 虛擬儀器將來的發(fā)展方向8</p><p>　　2.2 labview軟件平臺8</p><p>　　2.2.1 labview的簡介8</p><p>　　2.2.2 選用labVIEW設(shè)計(jì)控制器的優(yōu)勢所在9</p><p>　　2.2.

19、3 labview的操作模板9</p><p>　　2.2.4 創(chuàng)建VI13</p><p>　　2.3 本節(jié)小結(jié)17</p><p>　　3 PID算法及基本知識18</p><p>　　3.1 模擬PID控制器18</p><p>　　3.1.1 模擬PID控制器的基本原理18</p

20、><p>　　3.1.2 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響19</p><p>　　3.2 數(shù)字PID控制算法21</p><p>　　3.2.1 位置式PID控制算法22</p><p>　　3.2.2 增量式PID控制算法25</p><p>　　3.3 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)27</p>

21、<p>　　3.3.1 PID控制器的優(yōu)點(diǎn)27</p><p>　　3.3.2 PID控制器的缺點(diǎn)27</p><p>　　3.4 控制系統(tǒng)的分類及性能指標(biāo)27</p><p>　　3.4.1 控制系統(tǒng)的分類27</p><p>　　3.4.2 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)28</p><p>

22、　　3.5 PID控制器參數(shù)整30</p><p>　　3.5.1 經(jīng)驗(yàn)試湊法30</p><p>　　3.5.2 臨界比例度法31</p><p>　　3.5.3 歸一參數(shù)整定法32</p><p>　　3.5.4 衰減曲線法33</p><p>　　3.5.5 響應(yīng)曲線法33</p&g

23、t;<p>　　3.5.6 變參數(shù)尋優(yōu)法35</p><p>　　3.6 本章小結(jié)35</p><p>　　4 labVIEW中PID控制器的實(shí)現(xiàn)36</p><p>　　4.1 用LabVIEW進(jìn)行仿真的可行性36</p><p>　　4.2 PID控制器的設(shè)計(jì)及各SubVI的設(shè)計(jì)36</p>

24、<p>　　4.2.1 積分作用37</p><p>　　4.2.2 微分作用38</p><p>　　4.2.3 比例微分積分作用39</p><p>　　4.3.1 總體程序的前面板設(shè)計(jì)40</p><p>　　4.3.2 總體程序的框圖程序設(shè)計(jì)41</p><p><b>

25、;　　總結(jié)45</b></p><p><b>　　致謝46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　附錄48</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>&

26、lt;p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　目前，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異，測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合，引起了測試儀器領(lǐng)域里一場新的技術(shù)革命，一種全新的儀器概念導(dǎo)致了新一代儀器——虛擬儀器的出現(xiàn)。它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物、是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革、是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。它的出現(xiàn)使測試技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展紀(jì)元。Lab

27、VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)是NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具。它類似于VB，VC++。但它使用圖形化編程語言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒有使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。這是因?yàn)樗暮芏嘟缑婵刂婆c操作都模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器，例如萬用表和示波器等。由于La

28、bVIEW可以創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序，因此被稱為一種通用的編程語言。但是它在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。它不僅提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲，還提供了大量常用于自動化測試領(lǐng)域的圖形控件?，F(xiàn)今，越來越多的工程</p><p>　　1.2 課題研究的背景與意義</p><p>　　國際上有一些研究文章陳述了當(dāng)前工業(yè)控制的狀況，如日本電子測量儀表制造協(xié)會在198

29、9年對過程控制系統(tǒng)做的調(diào)查報(bào)告。該報(bào)告表明90％以上的控制回路是PID結(jié)構(gòu)。另外一篇有關(guān)加拿大造紙廠的統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明典型的造紙廠一般有2000多個控制回路，其中97％以上是PI控制，而且僅僅有20％的控制回路工作比較滿意，因此利用LABVIEW進(jìn)行PID控制器的設(shè)計(jì)具有重要的意義，它可以對直觀容易的對比例系數(shù) 、積分系數(shù)和微分系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，快速的確定PID的三個參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)設(shè)定值的跟蹤和快速消除擾動，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。&

30、lt;/p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究的狀況與成果</p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)概念是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相</p><p>　　結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)</p><p>　　據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶可以方便地對其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升&

31、lt;/p><p>　　級等，能夠更好的滿足測控要求。虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。USB是一種近幾年才發(fā)展起來的通用串行總線。它已經(jīng)成為現(xiàn)行PC機(jī)上常用的設(shè)備。它解決了一般通用總線存在的麻煩，具有速度快、連線少、即插即用、自帶電源以及支持熱插拔等特性，能很好地滿足現(xiàn)場工業(yè)測量控制系統(tǒng)的要求，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的儀器總線。它的出現(xiàn)，也進(jìn)一步推動了虛擬儀器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近幾年來，以NI為首的廠

32、家已經(jīng)生產(chǎn)出了基于USB的數(shù)據(jù)采集卡等一系列虛擬器件配套硬件設(shè)備，有力地保證了基于USB的虛擬儀器的研究開發(fā)。就我國而言，從90年代開始，國內(nèi)的一些大學(xué)相繼開展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作，至今已經(jīng)取得了一些成績，但和國外先進(jìn)國家相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。</p><p>　　目前工業(yè)自動化水平、已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了打翅控制理論、現(xiàn)代控制理論利智能控制理論一個階段。自動控

33、制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng) ，閉環(huán)控制系統(tǒng)。目前，PID控制及其扮制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，備大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。國內(nèi)的有些研究已

34、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制規(guī)律融為一體，用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法,將虛擬儀器技術(shù)和PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有機(jī)地結(jié)合起來,采用LabView設(shè)計(jì)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊,提高控制系統(tǒng)的性能和開發(fā)效率。</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)研究的思路和主要內(nèi)容</p><p>　　面對實(shí)際的PID控制系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)對一個已知的被控對象快速的實(shí)現(xiàn)PID的三個參數(shù)的整定，是個實(shí)際的問題。而在labv

35、iew上設(shè)計(jì)PID控制器，若被控對象的傳遞函數(shù)已知，我們可以在labview上實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的仿真，從系統(tǒng)的響應(yīng)曲線可直觀的看出控制效果的好壞，而且可以很方便的確定PID控制器的三個參數(shù)，這樣可為實(shí)際的控制過程節(jié)省大量的時間和資源，無需對實(shí)際過程反復(fù)的調(diào)試來確定最佳參數(shù)，這是本設(shè)計(jì)的實(shí)際意義所在。全文的安排如下：</p><p><b>　　第一章：緒論</b></p><

36、;p>　　主要介紹了國內(nèi)外PID控制技術(shù)的狀況與成果以及虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，并闡述了該課題研究的意義。</p><p>　　第二章：虛擬儀器基礎(chǔ)知識</p><p>　　這章分兩個大的方面：一方面介紹了虛擬儀器的概念、國內(nèi)外的發(fā)展歷程和虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了虛擬儀器的優(yōu)勢技術(shù)；另一方面闡述了labview開發(fā)平臺的基本知識，包括操作模板、編程方法、調(diào)試程序的經(jīng)驗(yàn)等。</p&

37、gt;<p>　　第三章：PID運(yùn)算及基本知識</p><p>　　這章主要介紹了PID控制器的基本原理，基本的PID運(yùn)算，分析了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)，以及PID控制器的參數(shù)整定方法。</p><p>　　第四章：labview中PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　這章主要介紹了如何用labview實(shí)現(xiàn)PID控制器的設(shè)計(jì)，以及最后得出對給

38、定被控對象的控制相應(yīng)曲線。</p><p><b>　　最后是總結(jié)與展望。</b></p><p><b>　　2 虛擬儀器基礎(chǔ)</b></p><p>　　2.1 虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器概念</p><p>　　所謂虛擬儀器，就是在通用

39、的計(jì)算機(jī)平臺上定義和設(shè)計(jì)等同常規(guī)儀器的各種功能，用戶操作計(jì)算機(jī)的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件在測控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測試硬件平臺的重要性。虛擬儀器測控系統(tǒng)通過信號采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備將計(jì)算機(jī)硬件和被測量硬件連接起來，再通過軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算

40、機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的發(fā)展歷程</p><p><b>　　1、國外發(fā)展歷程</b></p><p>　　隨著個人電腦技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始考慮使用電腦來處理傳統(tǒng)儀器所測數(shù)據(jù)。由此，GP

41、IB技術(shù)在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來，這也就是IEEE 488及后來的IEEE488．2標(biāo)準(zhǔn)。但由于GPIB總線帶寬(1Mbytes／s)限制了數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)的實(shí)時傳輸，所以大量的數(shù)據(jù)處理工作仍然依靠儀器自身所帶有的功能。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，個人電腦可以帶有多個擴(kuò)展槽，就出現(xiàn)了插在計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)采集卡。它可以進(jìn)行一些簡單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由計(jì)算機(jī)軟件完成，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形。1986年，美國NI公司提出

42、了“軟件即儀器’’的口號，推出了NI—LabVIEW直觀的流程圖編程風(fēng)格的開發(fā)和運(yùn)行程序平臺，開啟了虛擬儀器的先河。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)總線速度進(jìn)一步加快，PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了132Mbytes／s。1996年底，美國NI公司在PCI數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)上提出了第一代PXI系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范?，F(xiàn)在，PXI技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)有很多的成員公司為這一平臺開發(fā)產(chǎn)品。</p><p><b>　　2、我國發(fā)展歷程&

43、lt;/b></p><p>　　1985年，我國的東方振動和噪聲技術(shù)研究所(China Orient Institute of Noise＆Vibration以下簡稱COINV)開始提出PC卡泰(PCCATAI)一微機(jī)卡式采集測試分析儀的概念，并推出了數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件(DASP Data Acquisition&SignalProcessing)，隨后又提出了“把實(shí)驗(yàn)室拎著走"的口

44、號，進(jìn)而進(jìn)行了虛擬儀器庫平臺的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了INV虛擬儀器庫。DASP軟件概念突破了傳統(tǒng)的隨機(jī)振動信號分析儀和FFT分析儀概念，實(shí)現(xiàn)了向虛擬儀器和計(jì)算機(jī)采集測試分析儀器概念的過渡。</p><p>　　3、國內(nèi)外發(fā)展趨勢和開發(fā)平臺比較</p><p>　　虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線：一是GPIB_VXI_PXI總線方式，二是PC插卡式--LPT并行口式一串口USB方式一IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1

45、394口方式瞄1。美國NI公司開發(fā)的LabVlEW和中國COINV開發(fā)的DASP虛擬儀器平臺是國內(nèi)外具有代表性的兩個平臺，其軟件各有特點(diǎn)，互相不能替代、功能互補(bǔ)。LabVIEW平臺是一個在國內(nèi)外具有相當(dāng)影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺，它對于一般儀器的開發(fā)商、學(xué)校儀器制造專業(yè)的教學(xué)以及一些特殊的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對大量的一般直接用戶即只想用虛擬儀器馬上直接測試分析試驗(yàn)結(jié)果的用

46、戶，有不方便的地方，也有局限性。DASP平臺它是直接面向最終用戶的虛擬儀器庫，直接可以使用，不需要再進(jìn)行編程加工，用起來非常的快捷方便、可靠，精度又很高，用戶拿起來就可直接使用，但是，對于專業(yè)儀器開發(fā)商或者儀器行業(yè)自己需開發(fā)虛擬儀器的用戶，有一定的局限性。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　1、虛擬儀器的硬件平臺</p><p&g

47、t;　　虛擬儀器的硬件平臺由計(jì)算機(jī)和I／O接口設(shè)備組成。I／O接口設(shè)備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線有其相應(yīng)的I／O接口硬設(shè)備，如利用PC機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡／板(簡稱為數(shù)采卡板，DAQ)、GPIB總線儀器、VXI工總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類型，如圖2-1所示：</p><p>　　（1）PC-DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成

48、的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的工總線，將數(shù)據(jù)采集卡／板(DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。</p><p>　?。?）GPIB工系統(tǒng)是以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。</p><p>　?。?）VXI／PXI系統(tǒng)是以VXI／PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。</p><p&

49、gt;　　（4）串口系統(tǒng)是以標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.1 虛擬儀器的構(gòu)成模塊圖</p><p>　　2、常見虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)平臺</p><p>　　應(yīng)用軟件開發(fā)平臺是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎(chǔ)條件下構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用不同的軟件來實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀．器的應(yīng)用軟件主要

50、包括集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級接口和虛擬儀器的用戶界面。應(yīng)用件開發(fā)平臺的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個界面友好，功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。</p><p>　　常用的虛擬儀器軟件開發(fā)工具分類如下：</p><p>　　（1）文本式編程語言，如VisualC++，Visual Basic，LabwIND0wS／CVI等。</p><p>

51、;　?。?）圖形化編程語言，如LabVIWE、HPVEE等。</p><p>　　（3）實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序。</p><p>　　（4）定義測試功能的流程圖軟件程序。</p><p>　　2.1.4 虛擬儀器的優(yōu)勢技術(shù)</p><p>　　虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，它的特點(diǎn)可以概括為以下幾個方面一：</p><p&

52、gt;　　1、傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多的識別和操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過幾個分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時，虛擬儀器面板上的指示控件和控制控件的種類與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件"和“加工工藝"的限制，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求，設(shè)計(jì)儀器面板。</p

53、><p>　　2、虛擬儀器將信號分析、顯示、存儲、打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。</p><p>　　3、虛擬儀器提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時和觸發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給了用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。</p&

54、gt;<p>　　4、在虛擬儀器中，傳統(tǒng)儀器的某些硬件已被軟件所代替，由于減少了許多可能隨時間漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上采用標(biāo)準(zhǔn)化總線，使儀器的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。</p><p>　　5、虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用降低。&l

55、t;/p><p>　　6、虛擬儀器既可以作為測試儀器獨(dú)立使用，又可以通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布式測試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測試、監(jiān)控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器的購買和維護(hù)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性好。</p><p>　　目前，我國高檔臺式儀器，如頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，因?yàn)檫@些儀器加工工藝復(fù)雜，對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有

56、困難，而采用虛擬儀器技術(shù)只需購買必要的通用儀器硬件就可以設(shè)計(jì)高性價(jià)比的儀器。總之，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，豐富了儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、顯示和存儲等方面的使用，有廣泛的應(yīng)用前景?？梢姡摂M儀器在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟(jì)效益方面具有突出的優(yōu)勢。</p><p>　　2.1.5 虛擬儀器將來的發(fā)展方向</p><p>　　從20世紀(jì)80年代末美國成功研制

57、了虛擬儀器到1993年，虛擬儀器己發(fā)展到有三百多家廠商，一千多種虛擬儀器產(chǎn)品，1995年廠商更達(dá)到一千多家，產(chǎn)品種類達(dá)到數(shù)千種。虛擬儀器正以傳統(tǒng)儀器無法比擬的速度飛速發(fā)展。目前，虛擬儀器已經(jīng)在科研開發(fā)、測控、超大規(guī)模集成電路測試、軍事、航天、生物醫(yī)學(xué)和電工技術(shù)等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓寬。近十年來，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)已滲透到儀器儀表領(lǐng)域。虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合則進(jìn)一步延伸了虛擬儀器的

58、概念，大大增強(qiáng)了虛擬儀器的功能。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測和報(bào)警等。因此，使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可以使在任何地點(diǎn)、任意時刻獲取到測量數(shù)據(jù)信息的愿望成為現(xiàn)實(shí)。與以個人計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器相比，網(wǎng)絡(luò)化將對虛擬儀器的發(fā)展產(chǎn)生一次

59、革命。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將由單臺虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的功能分開處理，分別使用獨(dú)立的基本硬件模塊實(shí)現(xiàn)傳</p><p>　　2.2 labview軟件平臺</p><p>　　2.2.1 labview的簡介</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)是

60、NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具。它類似于VB，VC++。但它使用圖形化編程語言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒有使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。這是因?yàn)樗暮芏嘟缑婵刂婆c操作都模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器，例如萬用表和示波器等。由于LabVIEW可以創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序，因此被稱為一種通用的編程語言。但是它在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。它不僅提供了大量的工具與函

61、數(shù)用于數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲，還提供了大量常用于自動化測試領(lǐng)域的圖形控件?，F(xiàn)今，越來越多的工程師選擇它來開發(fā)應(yīng)用軟件。它已被廣泛應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。</p><p>　　2.2.2 選用labVIEW設(shè)計(jì)控制器的優(yōu)勢所在</p><p>　　選擇LabVIEW開發(fā)設(shè)計(jì)pid控制

62、器的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用LabVlEW開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比使用其他編程語言快4～lO倍。這一速度背后的原因在于LabVIEW易用易學(xué)，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應(yīng)用變得更為輕松。LabVIEW的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　1、提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從復(fù)雜枯澀的文本編程工作中解放出來。</p><p>　　

63、2、內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會被立即顯示出來。</p><p>　　3、由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實(shí)現(xiàn)了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其基于LabVIEW信號分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章虛擬儀器、聲卡及數(shù)據(jù)采集理論是多處理器的處理能力。</p><p>　　4、通過DLL、CIN節(jié)點(diǎn)、ActiveX、．NET或MATLA

64、B腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)LabVIEW與其它編程語言混合編程。</p><p>　　5、通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布EXE、動態(tài)鏈接庫或安裝包。</p><p>　　6、LabVIEW提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。</p><p>　　7、LabVIEW內(nèi)建了600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。</p>

65、<p>　　9、NI同時提供了豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展LabVIEW在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。</p><p>　　2.2.3 labview的操作模板</p><p>　　LabVIEW具有多個圖形化的操作模扳，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動．并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和功能(Func

66、tions)模板。</p><p>　　工具模板（Tools Talette）</p><p>　　工具模板如圖2.2所示。工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vI程序的工具。工具圖標(biāo)有如下幾種：</p><p>　　圖2.2 labview8.6的工具模板</p><p>　　操作工具：用于操作前面板的控制和顯示。使用它向數(shù)字或字

67、符串控制中鍵入值時，工具會變成標(biāo)簽工具。</p><p>　　選擇工具：用于選擇、移動或改變對象的大小。一當(dāng)它用于改變對象的連框大小時，會變成相應(yīng)形狀。</p><p>　　標(biāo)簽工具：用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時它會變成相應(yīng)形狀。</p><p>　　連線工具：用于在框圖程序上連接對象。</p><p>　　對象彈出菜單工

68、具：用左鼠標(biāo)鍵可以彈出對象的彈出式菜單。</p><p>　　漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游。</p><p>　　斷點(diǎn)工具：使用該工具在vI的框圖對象上設(shè)置斷點(diǎn)。</p><p>　　探針工具：可|三l在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。程序調(diào)試員可以通過控針窗口來觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況。</p><p>　

69、　顏色提取工具：使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象。</p><p>　　顏色工具：用來給對象定義顏色。它也顯示出對象的前景色和背景色。與上述工具模板不同，控制和功能。</p><p>　　控制模板（Control Palette）</p><p>　　該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象。每個圖標(biāo)代表一類子模板，只有前面板才能調(diào)用該模板。</p&

70、gt;<p>　　圖2.3 labview8.6的控制模板</p><p>　　數(shù)值子模板：數(shù)值的控制和顯示。</p><p>　　布爾值子模塊：邏輯數(shù)值的控制和顯示。</p><p>　　字符串子模板：字符串和表格的控制和顯示。</p><p>　　數(shù)組和群子模扳：復(fù)合型數(shù)據(jù)類型的控制和顯示。</p><p

71、>　　列表和表格模板：列表和表格的控制和顯示。</p><p>　　圖形子模板：顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢圖和曲線圖。</p><p>　　環(huán)與枚舉模板：環(huán)與枚舉的控制與顯示。</p><p>　　經(jīng)典容器模板：提供各種編程所需的經(jīng)典容器。</p><p>　　輸入輸出功能模板：輸入輸出功能，用于操作OLE,ActiveX等功能。</p&

72、gt;<p>　　參考書模板：參考數(shù)。</p><p>　　修飾子模板：用于給前面板進(jìn)行裝飾的各種圖形對象。</p><p>　　用戶自定義的控制和顯示</p><p>　　功能模板（Functions Palette）</p><p>　　功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個頂層國標(biāo)都表示一個子模板。功能模板如下圖所

73、示。</p><p>　　圖2.4 labview8.6的功能模板</p><p>　　結(jié)構(gòu)子模板：包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局變量和局部變量。</p><p>　　數(shù)組子模板：包括數(shù)組運(yùn)算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。</p><p>　　簇，類與變體模板：包括簇的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。</p>&l

74、t;p>　　數(shù)值運(yùn)算子模板：包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算符，如+ - 等；以及各種常見的數(shù)值運(yùn)算式，如+1運(yùn)算；還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運(yùn)算．以及各種數(shù)值常數(shù)。</p><p>　　布爾邏輯子模板：包括各種邏輯運(yùn)算符以及柿爾常數(shù)。</p><p>　　字符串運(yùn)算子模板：包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符f串)常數(shù)等。</p><p

75、>　　比較子模板：包括各種比較運(yùn)算函數(shù)，如大于、小十、等于</p><p>　　時問和對話框子模板：包括對話框窗口，時間和出錯處理函數(shù)等</p><p><b>　　對話框與用戶界面</b></p><p>　　文件輸入／輸出于模板：包括處理文件輸入／輸出的程序和函數(shù)</p><p>　　波形模板：各種波形處理工具

76、</p><p>　　應(yīng)用控制模板：包括動態(tài)調(diào)用VI,標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行程序的功能函數(shù)</p><p>　　圖形與聲音子模塊：包括3D、OpenGL、聲音播放等功能模塊</p><p><b>　　文檔生成子模板</b></p><p>　　2.2.4 創(chuàng)建VI</p><p>　　1、 創(chuàng)建VI的流程

77、</p><p>　　創(chuàng)建VI的過程分為四步，其流程圖大致如圖2.5：</p><p>　　圖2.5 創(chuàng)建VI的流程圖</p><p>　　下面利用創(chuàng)建一個能實(shí)現(xiàn)正弦信號幅值和頻率調(diào)節(jié)的程序來介紹labview創(chuàng)建VI的基本流程和技巧。</p><p><b>　?。?）創(chuàng)建前面板</b></p><

78、p>　　前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對象。通過鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具見工具模板點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。圖2.6中波形顯示工具來自于控制模板，實(shí)現(xiàn)正弦波形的幅值和頻率的顯示；頻率和調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)對正弦

79、信號的幅值和頻率大小的調(diào)節(jié)；停止按鈕作為控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對信號的停止控制。</p><p>　　圖2.6 示例程序的前面板</p><p><b>　　（2）創(chuàng)建框圖程序</b></p><p>　　在前面板窗口的主菜單中選擇將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時會看到與前面板對象對應(yīng)的端口?？驁D程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。根據(jù)需

80、要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。用數(shù)據(jù)連線將這些端口和節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)連接起來，形成一個完整的框圖程序。</p><p>　　圖2.7 示例程序的框圖連線</p><p><b>　?。?）創(chuàng)建圖標(biāo)</b></p><p>　　一個虛擬儀器的圖標(biāo)連接端口就像一個圖形表示某一虛擬儀器的參數(shù)列表。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)

81、據(jù)傳輸給一個子儀器。圖標(biāo)和連接允許將此儀器作為最高級的程序，也可以作為其它程序或子程序的子程序。在前面板或者程序面板的右上角有圖表編輯器，可將編好的程序進(jìn)行圖標(biāo)更改。</p><p>　　圖2.8 程序的圖標(biāo)編輯</p><p>　?。?）運(yùn)行和調(diào)試程序</p><p>　　運(yùn)行和調(diào)試程序是任何一門編程語言編程的最重要的一步。利用仿真或者實(shí)測進(jìn)行運(yùn)行檢驗(yàn)，利用調(diào)試工

82、具(如“RUN"按鈕、斷點(diǎn)及探針設(shè)置等)進(jìn)行程序調(diào)試。在工程中，用戶可以通過兩種方式柬運(yùn)行程序運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。如果一個程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時這個按鈕被稱作錯誤列表。點(diǎn)擊它，則彈出錯誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個所列出的錯誤，選用功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。調(diào)試程序時可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來顯示數(shù)據(jù)流動方向。</p><

83、;p>　　2、程序的運(yùn)行和調(diào)試方法</p><p>　　在程序調(diào)試中根據(jù)出現(xiàn)的問題，找到以下幾種解決方法：</p><p><b>　?。?）找出語法錯誤</b></p><p>　　如果一個V1程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時這個按鈕被稱作錯誤列表。點(diǎn)擊它，貝LabVIEW彈出

84、錯誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個所列出的錯誤，選用Find功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。</p><p>　?。?）設(shè)置執(zhí)行程序高亮</p><p>　　在LabVIEW的工具條上有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕點(diǎn)擊這個按鈕使該按鈕圖標(biāo)變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，VI程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流在線的數(shù)據(jù)值。

85、這樣，你就可以在根據(jù)數(shù)據(jù)的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。</p><p>　　（3）斷點(diǎn)與單步執(zhí)行</p><p>　　為了查找程序中的邏輯錯誤，希望框圖程序一個節(jié)點(diǎn)一個節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點(diǎn)工具時，點(diǎn)擊設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。斷點(diǎn)的顯示對于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框?qū)τ诼?lián)機(jī)表示為紅點(diǎn)。當(dāng)VI程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在

86、將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點(diǎn)</p><p><b>　?。?）探針</b></p><p>　　可以用探針工具來查看當(dāng)框圖程序流經(jīng)某一根連接線時的數(shù)據(jù)值。從Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊探針的連接線。這時顯示器上會出現(xiàn)

87、一個探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或框圖窗口的上面。在框圖中使用選擇工具或聯(lián)機(jī)工具，在聯(lián)機(jī)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在聯(lián)機(jī)的彈出式菜單中選擇“探針”命令同樣可以為該聯(lián)機(jī)加上一個探針。</p><p><b>　?。?）保存連線值</b></p><p>　　可以通過單擊保存連線值按鈕，在程序運(yùn)行時保存流過連線的數(shù)據(jù)流的值。Labview雖然為我們提供了功能完善的調(diào)試

88、工具，但仍然存在著許多隱含在程序內(nèi)部的錯誤無法發(fā)現(xiàn)。這就要求設(shè)計(jì)者在開發(fā)程序的過程中一定要仔細(xì)地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。</p><p><b>　　2.3 本節(jié)小結(jié)</b></p><p>　　本章第一節(jié)首先詳細(xì)介紹了虛擬儀器的概念和發(fā)展歷程，并與傳統(tǒng)儀器相比較得出虛擬儀器的優(yōu)勢所在，其次介紹了虛擬儀器的體系構(gòu)成和未來的發(fā)展方

89、向，及虛擬儀器技術(shù)在未來儀器技術(shù)革新中的重要作用。第二節(jié)則對labview軟件平臺作了簡單的介紹，說明了labview的特點(diǎn)及選用該軟件進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)的原因，然后對labview的工具模塊、控制模塊、函數(shù)模塊進(jìn)行了講解，最后列出了運(yùn)用labview軟件編程的流程與方法，并學(xué)會對所編VI進(jìn)行運(yùn)行于調(diào)試，學(xué)會改正程序中的錯誤，為下兩章設(shè)計(jì)控制器做準(zhǔn)備。</p><p>　　3 PID算法及基本知識</p

90、><p>　　3.1 模擬PID控制器</p><p>　　3.1.1 模擬PID控制器的基本原理</p><p>　　在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。</p><p>　　PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差：<

91、/p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　或者寫成常見的傳遞函數(shù)形式如下：</p><p&

92、gt;<b>　　（3.3）</b></p><p>　　式中，為比例增益，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。式(3.2)和式(3.3)是我們在各種文獻(xiàn)中最經(jīng)?？吹降腜ID控制器的兩種表達(dá)形式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞，以下將介紹

93、這三個參數(shù)對控制性能的影響。</p><p>　　模擬PID控制系統(tǒng)的原理圖如圖3.1：</p><p>　　圖3.1 模擬PID控制系統(tǒng)的原理圖</p><p>　　3.1.2 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響</p><p>　　1、比例作用對控制性能的影響</p><p>　　比例增益的引入是為了及時地反映控制

94、系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當(dāng)比例增益大的時候，PID控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，圖3.2為純比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：</p><p>　　圖 3.2 比例控制的系統(tǒng)響應(yīng)圖</p><p>　　2、積分作用對控制性能

95、的影響</p><p>　　積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實(shí)現(xiàn)對設(shè)</p><p>　　定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時的系統(tǒng)輸出和誤差量保持為</p><p>　　常值Uo和Eo，則由式(3．2)可知，只有當(dāng)且僅當(dāng)動態(tài)誤差e（t）=0時，控制器的輸出才為常數(shù)。因此，從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)

96、就產(chǎn)生作用，直至無差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決予積分時聞常數(shù)的大小，越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI控</p><p>　　制器或者PID控制器，圖3.3為PI控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：</p><p>　　圖3.3 比例積分控制系統(tǒng)的響應(yīng)（=1）</

97、p><p>　　3、微分作用對控制性能的影響 </p><p>　　微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時間的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)

98、的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個高通濾波器，因此它對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。</p><p>　　圖3.4 比例積分微分控制的響應(yīng)（=1，=1）</p><p>　　微分作用能反

99、映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。PD控制器的結(jié)構(gòu)為:</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　的泰勒級數(shù)為: ，則</p><p><b>　?。?.5）</b>&l

100、t;/p><p>　　控制信號與時刻以后的偏差成比例。從圖3.5可看出比例微分能夠預(yù)報(bào)未來的輸出。另外，從圖3.4可以看出微分時間常數(shù)增加有利于減小超調(diào)量。</p><p>　　圖3.5 微分的預(yù)測作用</p><p>　　3.2 數(shù)字PID控制算法</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在控制工程中，用計(jì)算機(jī)PID控制算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID

101、控制器，組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？梢造`活的改變PID參數(shù)，同時可以改變控制策略來達(dá)到控制目的。這是模擬PID控制器中所無法實(shí)現(xiàn)的。這里所說的控制策略是數(shù)字PID的改進(jìn)算法，如積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和帶死區(qū)的PID控制算法等。在各個控制階段采取各種控制方法，以此來獲得控制目標(biāo)。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。數(shù)字PID控制器如圖

102、3.6所示。</p><p>　　圖3.6 數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2.1 位置式PID控制算法</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計(jì)算控制量，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中必須對模擬PID控制器的表達(dá)式</p><p><b>　　(3.6)</b><

103、;/p><p>　　進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，作如下近似變換(為書寫方便，將kT簡化表示成k)：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　將式3.6代入模擬PID控制器的表達(dá)式得到：</p><

104、p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　還可以表示為</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中，T是采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度，e（k）為第k次采樣時的偏差值；e（k-1）為第k-1次采樣時的偏差值；k為采樣

105、序號，k=0,1,2,3…；u（k）為第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出; 為積分系數(shù)，;為微分系數(shù)，，式（3.9）為位置式PID控制算法。</p><p>　　位置式PID控制算法的程序框圖如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 位置式PID控制算法的程序框圖</p><p>　　這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時要對e(k)進(jìn)行

106、累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID算法。</p><p>　　3.2.2 增量式PID控制算法</p><p>　　所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u（k）

107、。由式(3.9)導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推原理可得</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　用（3.9）式減去（3.10）式得到：</p><p><b>　　（3.11）</b></p><p>　　其中：，式（3.11）為增量式PID控制算法。可以看出，

108、由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了，和，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由(3.11)求出控制增量。</p><p>　　增量型算法與位置型算法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動作影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；</p><p>　　在位置型控制算法中，由手動到自動切換時，必須先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門

109、的原始開度，才能保證手動到自動無擾動切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來困難而增量設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門的原來位置無關(guān)，因而增量算法易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的無擾動切換。</p><p>　　不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)。</p><p>　　增量控制因其特有的優(yōu)點(diǎn)已得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種控制也有其不足之處：</p><p>　　積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差

110、。</p><p><b>　　溢出的影響較大。</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)增量式控制算法的程序框圖如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 增量式PID控制算法的程序框圖</p><p>　　3.3 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　3.3.1 PID控制器的優(yōu)點(diǎn)<

111、/p><p>　　PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：</p><p>　　1、原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。</p><p>　　2、控制器適用于多種截然不同的對象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。</p><p>　　3.3.2 PID控制器的缺點(diǎn)</p><p>　　在很多情況下其控制品質(zhì)對被