LabVIEW中PID控制的的高級功能

比例-積分-微分（PID）控制占當(dāng)今控制和自動化應(yīng)用的90%以上，主要是因?yàn)樗且环N有效且簡單的解決方案。雖然PID算法最初用于線性、時不變系統(tǒng)，但現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到控制具有復(fù)雜動力學(xué)的系統(tǒng)。在現(xiàn)實(shí)世界中，所有系統(tǒng)都具有非線性組件，因此在使用PID等經(jīng)典反饋控制時存在一些挑戰(zhàn)。借助增益調(diào)度和級聯(lián)PID等方法，能夠使用相同的PID算法控制非線性系統(tǒng)。

1. 經(jīng)典控制

最早反饋控制用于機(jī)械系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)使用機(jī)械手段（例如浮球閥）來控制溫度，速度和液位?，F(xiàn)代基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)通過進(jìn)行傳感器測量，將其與所需的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)該差異調(diào)整控制輸出來利用反饋。例如，可以通過測量當(dāng)前溫度，將其與所需溫度值進(jìn)行比較，然后使用加熱器或風(fēng)扇將溫度移近所需的設(shè)定值來完成控制溫度。然后，困難在于弄清楚調(diào)整多少控制輸出以實(shí)現(xiàn)最佳響應(yīng)。加熱器應(yīng)該完全打開還是只打開一部分？基本的PID控制器將單個輸入與設(shè)定值進(jìn)行比較，并計(jì)算單個輸出值以控制系統(tǒng)，并且算法假設(shè)響應(yīng)將是線性的，不會隨時間變化。

2. 增益調(diào)度

在非線性系統(tǒng)中使用PID的一種方法是通過增益調(diào)度技術(shù)。人們在PID控制中遇到性能問題的最常見原因是P、I和D的增益參數(shù)不正確。對于非線性系統(tǒng)，最佳參數(shù)可能會發(fā)生變化，具體取決于系統(tǒng)所處的“狀態(tài)”。例如，許多系統(tǒng)在預(yù)熱階段表現(xiàn)出不同的特性，與運(yùn)行一段時間后特性不同。另一個例子是，一旦達(dá)到某個設(shè)定點(diǎn)，就使用不同的增益參數(shù)，因?yàn)橐坏┨幱诜€(wěn)態(tài)，系統(tǒng)就會做出不同的響應(yīng)。增益調(diào)度是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)修改P、I和D增益參數(shù)的過程。這些狀態(tài)可以通過某個持續(xù)時間來定義，甚至可以通過使用系統(tǒng)輸入來定義。這種方法最適合具有可預(yù)測動態(tài)變化的系統(tǒng)，以便可以計(jì)算和應(yīng)用預(yù)定增益。增益調(diào)度能夠通過將過程劃分為多個近似線性特征的部分來控制。然后，將每個部分調(diào)整為一組不同的參數(shù)，以最佳方式控制系統(tǒng)。使用LabVIEW中的PID工具包，這非常容易實(shí)現(xiàn)。

圖1：LabVIEW中的PID增益調(diào)度

圖1顯示了如何使用PID增益Schedule.vi，根據(jù)設(shè)定值和測量值之間的電流差設(shè)置PID增益參數(shù)。在本例中，正在測量溫度傳感器，將溫度傳感器與用戶定義的設(shè)定值進(jìn)行比較。計(jì)算兩個值之間的差值（也稱為誤差項(xiàng)），發(fā)送到增益調(diào)度程序。調(diào)度程序本身只是一組PID增益，這些增益根據(jù)輸入進(jìn)行索引。當(dāng)溫度接近設(shè)定值時，可以使用一組不同的增益參數(shù)來實(shí)現(xiàn)更好的控制響應(yīng)。有許多不同的方法可以實(shí)現(xiàn)增益調(diào)度，一旦輸入穩(wěn)定在接近設(shè)定值附近，這種方法有利于通過增加積分增益或I項(xiàng)來減少穩(wěn)態(tài)誤差。

3. 避免整體清盤

PID控制器的積分參數(shù)連續(xù)對系統(tǒng)的誤差項(xiàng)求和，這對于減少穩(wěn)態(tài)誤差非常有效。不斷積分改誤差的一個副作用是“清盤”的可能性。這是當(dāng)累積誤差導(dǎo)致測量信號超過基于控制器I項(xiàng)的所需設(shè)定值時。這也帶來了長時間的延誤和其他不穩(wěn)定的影響。根據(jù)應(yīng)用的不同，由于材料損失或周圍硬件損壞，代價可能很昂貴，甚至很危險。盡管如此，當(dāng)試圖達(dá)到特定的設(shè)定點(diǎn)時，積分項(xiàng)使超調(diào)幾乎不可避免。減少積分上鏈影響的一種技術(shù)是在系統(tǒng)開始穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)附近后重置累積誤差。通過重置PID功能，仍然可以獲得使用積分項(xiàng)減少穩(wěn)態(tài)誤差的好處，但不會導(dǎo)致大量過沖。這里是一個如何在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)的示例。

圖2：通過復(fù)位PID.避免整體清盤

與增益調(diào)度示例類似，圖2顯示了一個溫度傳感器被讀取，然后與用戶定義的設(shè)定值進(jìn)行比較。計(jì)算誤差項(xiàng)，一旦在某個值（在本例中為0.25）內(nèi)，PID功能就會復(fù)位，然后從該點(diǎn)開始僅積分穩(wěn)態(tài)誤差。

4. 非SISO系統(tǒng)

雖然PID算法適用于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，但通過軟件定制，在多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)中使用此控制器的方法有很多。

o不同輸出的條件結(jié)構(gòu)

o并聯(lián)回路PID

o多個PID

圖3：單輸入多輸出（SIMO）示例

在圖3中，有一個來自溫度傳感器的輸入，然后是兩個控制器輸出或執(zhí)行器，用于改變溫度。PID可以輸出正值和負(fù)值，因此，示例使用條件結(jié)構(gòu)來決定何時使用每個執(zhí)行器。假設(shè)輸出通道1連接到加熱器，輸出通道2連接到風(fēng)扇以冷卻系統(tǒng)。如果PID輸出值為正，那么希望通過將輸出值寫入加熱器，并通過將零寫入通道2來關(guān)閉風(fēng)扇，來提高溫度。但是，如果PID輸出值為負(fù)，則假情況結(jié)構(gòu)將輸出值寫入風(fēng)扇，將零寫入輸出通道1。這是實(shí)現(xiàn)具有多個輸出的PID的一種非常常見的方法。

5. 級聯(lián)PID

圖4：級聯(lián)PID示例

在本例中，我們將第一個PID函數(shù)的輸出發(fā)送到第二個PID函數(shù)的輸入中，從而減慢響應(yīng)時間并使輸出平滑到執(zhí)行器。實(shí)現(xiàn)級聯(lián)PID的更常用方法是使用來自系統(tǒng)的兩個輸入，例如提供有關(guān)位置和速度的信息。這種多輸入、單輸出（MISO）系統(tǒng)在運(yùn)動或位置控制應(yīng)用中非常常見。

圖5：位置速度級聯(lián)PID示例

將位置編碼器與所需的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后計(jì)算出的輸出成為速度控制的設(shè)定值。當(dāng)系統(tǒng)具有與速度成比例的固有延遲時，這一點(diǎn)尤其適用。例如，摩擦?xí)?dǎo)致系統(tǒng)滯后，具體取決于位置變化的速率。

6. 帶前饋控制的PID

干擾解耦是基本PID控制的一種變體，有助于對干擾響應(yīng)緩慢的系統(tǒng)。如果可以測量干擾，則可以立即調(diào)整補(bǔ)償器輸出以做出響應(yīng)。例如，如果風(fēng)扇將冷空氣引入溫度室，則可以立即增加加熱器輸出，而不是首先等待溫度傳感器附近的溫度下降。

圖6：帶前饋控制的PID

在上圖中，測量干擾傳感器，乘以一些用戶定義的增益值，然后添加到PID輸出值中。如果干擾增加，補(bǔ)償器輸出通道將立即增加，以保持對系統(tǒng)的控制。這種方法并不總是必要的，因?yàn)樵黾觽鹘y(tǒng)PID補(bǔ)償器的比例增益也會改善干擾抑制，并且不需要測量干擾。

這是LabVIEW的一個功能介紹，更多的使用方法與開發(fā)案例，歡迎登錄官網(wǎng)，了解更多信息。

審核編輯 黃宇