基于Labview的PID控制算法性能改进的几种方法

1引言

ＰＩＤ是当今工业应用中最为常用的控制算法。由于ＰＩＤ控制器具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、运行适应性强等特点，成为工业控制的主要技术之一。Ｌａｂｖｉｅｗ是一种图形化开发环境，此环境结合了易用性的配置工具和功能强大、灵活性的编程语言。Ｌａｂｖｉｅｗ平台支持软硬件之间的紧密集成，从而消除了不同编程语言和不同硬件组件通信的必要性；它通过简化源代码的创建与管理、支持源依存性的查看和硬件资源的配置，实现了大型应用开发的流线化。借助Ｌａｂｖｉｅｗ实时模块，可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下进行开发，然后下载应用到专用的基于商用现成的计算组件和一个实时操作系统组成的实时硬件目标平台上运行；由于Ｌａｂｖｉｅｗ实时模块为实时操作环境添加了实用的工具，所以比台式机系统更具有实时部署的优势。

在工业实际应用中，发现了ＰＩＤ控制器有一些无法克服的缺点。而利用Ｌａｂｖｉｅｗ，就可以在ＰＩＤ控制器的基础上，通过Ｌａｂｖｉｅｗ的一些强大功能修改算法，提高了ＰＩＤ控制算法性能，解决了ＰＩＤ控制器的缺点。

2 PID控制器实际应用缺陷

在实际工作应用中，发现了ＰＩＤ控制算法存在一些限制其有效性的缺陷。

２．１控制多输入／输出系统难

ＰＩＤ最适合的是单输入／输出系统的控制。在这些系统中，只需控制一个变量，就有一个激励可以调节输出。但是，如果应用解耦技术对不同的变量进行解耦，那么只能使用多个ＰＩＤ控制器对这个多输入／输出系统进行控制。尽管这种方法是可行的，但实现起来不容易，因为要依赖于各个控制变量之间相关性的大小。

２．２控制非线性系统难

非线性系统是指给定输入下的输出不具有线性的特点，例如死区、饱和和迟滞等。传统的ＰＩＤ算法控制这些对象困难。

２．３导致人工成本和系统不可用时间的增加

实际应用中，被控对象的动态特性可能会随时间推移而发生变化。例如，会随着被控对象负载变化、常规磨损、机械组件机械有限性的变化等。为了补偿被控对象行为随着时间推移的变化，需对ＰＩＤ增益进行重新标定，这样会导致人工成本和系统不可用时间的增加。

２．４会失去对系统的控制

在整定ＰＩＤ控制器时，出于对稳定因素的考虑，整定到最佳性能时可能会失去对系统的控制，无法达到最佳的整体系统性能。

3几种改进PID控制算法性能的方法

Ｌａｂｖｉｅｗ具有特有的图形开发环

基于Ｌａｂｖｉｅｗ的ＰＩＤ控制算法性能改进的几种方法

DOI：

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.03.027

境，支持发布高定时精度、高可靠性并且能够独立运行的应用程序。将Ｌａｂｖｉｅｗ的特有功能与ＰＩＤ控制结合起来，就能改进ＰＩＤ控制算法的缺陷。下面提出几种改进ＰＩＤ控制算法性能的方法。

３．１提高循环速率

改进ＰＩＤ控制器性能的首选方案是提高控制器的循环速率。如果使用Ｌａｂｖｉｅｗ　ＰＩＤ控制工具包的现场可编程门阵列技术和硬件结合，可以达到１ＭＨＺ的ＰＩＤ循环速率。

３．２增益调度

为了处理具有高非线性行为的系统，可以根据特定时间下的工作状态，选择不同的ＰＩＤ增益。这个方法的缺点之一是需要对不同的工作范围进行ＰＩＤ增益整定；缺点之二是在工作范围内增益调度要求对每个工作范围进行参数整定，可能出现增益不能平滑的切换，导致不稳定。利用Ｌａｂｖｉｅｗ　ＰＩＤ控制工具包中的高级ＰＩＤ算法就能实现平滑无扰动切换。

３．３自适应ＰＩＤ

为了进一步改进ＰＩＤ在时变系统上的性能，可以采用自适应ＰＩＤ算法。它能同时兼顾输入和输出，根据系统的动态特性来调节和确定增益。而将Ｌａｂｖｉｅｗ　ＰＩＤ控制工具包和Ｌａｂｖｉｅｗ系统辨识工具包结合起来，就生成了自适应ＰＩＤ算法。

３．４解析ＰＩＤ

目前ＰＩＤ控制算法的一个难点就是增益参数整定，当前的许多自动参数整定算法都需要有经验的工作人员对控制器进行参数整定和规则定义，确保系统的稳定性。

解析ＰＩＤ功能，可以在ＰＩＤ控制器投入使用之前设计增益，并能确定最合适的增益。使用包含在Ｌａｂｖｉｅｗ控制设计与仿真模块中的解析ＰＩＤ库，可以为给定的用户模型自动优化ＰＩＤ增益参数，确保系统的闭环稳定性。同时，还可以输入最小增益和相位裕量，指定ＰＩＤ控制器中可选的性能参数。

３．５最优控制器

最优控制器是为系统最优性能而设计的，要求给定系统的控制模型，然后根据成本算法计算控制增益。它的难点之一是辨识系统的软件模型。而使用Ｌａｂｖｉｅｗ系统辨识工具包等工具可以直接根据真实的激励和响应信号，确定系统的动态模型。

３．６模型预测控制

传统的ＰＩＤ控制算法根据被控对象输出设定值的变化作出动作响应。利用Ｌａｂｖｉｅｗ控制设计与仿真模块中的模型预测控制，可以建立在输出设定值出现实际变化之前对控制行为进行调节的控制器。这种预测功能如果和传统的ＰＩＤ控制器反馈操作结合在一起，可以确保控制器以更为平滑、更接近最优的控制动作对被控对象进行调节。

３．７多级控制器

前面的几种改进算法并不是互相排斥的，可以结合使用，就构成了多级控制器。例如可以将ＰＩＤ控制与最优控制器结合在一起。多级控制器在非线性和多输入多输出系统中产生更优的性能。

4 结束语

以上几种基于Ｌａｂｖｉｅｗ的ＰＩＤ控制算法性能改进的方法，已经被多次应用在工业控制中，结果表明，这几种方法解决了传统ＰＩＤ控制算法的缺点，大大提高了ＰＩＤ控制器的性能。

发现有病虫害的发生，抗病能力较强。总之经过几年的引种栽培细叶百合能在引种地种植，引种成功，各种生长发育均表现良好，能够在我区进行广泛人工栽培。