基于LabVIEW的PID控制系统设计与实现

机械、化工等各个生产部门。当被控对象的结构和参 数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时， 控制 理论的其它技术难以采用时， 系统控制器的结构和 参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用 ＰＩＤ 控制技术最为方便。
２ ＰＩＤ 原理介绍
ＰＩＤ 控制是从比例、积分和微分三个环节来实现 对系统控制的。常规 ＰＩＤ 控制系统原理框图如图 １ 所示， 该系统由模拟 ＰＩＤ 控制器和被控对象组成。
制能力减弱， 对扰动有较敏感的响应。
３ 控制系统的设计
３．１ 系统原理
本 文 设 计 的 单 容 水 箱 控 制 系 统 是 采 用 ＰＩＯ－
８２１Ｌ／Ｓ 数 据 采 集 卡 和 美 国 ＮＩ 公 司 的 ＬａｂＶＩＥＷ８．２
软件平台构建的， 其系统组成如图 ２ 所示。水箱中的
液面受到重力作用产生压力， 并被压力传感器感知。
５ 结束语
本 文 设 计 的 单 容 水 箱 ＰＩＤ 控 制 系 统 采 用 的 是
ＬａｂＶＩＥＷ 图形化编程语言 ， 其 软 件 界 面 友 好 ， 操 作 简单， 人机交互性强， 编程容易， 方便快捷， 扩展性 好， 易于维护。所设计的系统具有稳定时间快， 稳定 精度高等特点。同传统的单片机控制系统相比， 采用 虚拟仪器的方法大幅地缩减了开发周期， 提高开发 质量， 且性能好， 简单， 控制方便灵活。本文所设计的 系统已经成功地应用于教学实验中。
ＰＩＤ 控制模块采用的是 ＮＩ 公司的 ＰＩＤ 工 具 包 的 ＰＩＤ．ｖｉ， 利 用 这 个 工 具 包 ， 不 但 可 以 在 ＬａｂＶＩＥＷ 环境下通过友好的人机交互界面直观方便地进行控 制器的设计， 还能充分利用 ＬａｂＶＩＥＷ 的各种强大功 能， 特别是同数据采集板卡等硬件的良好结合， 迅速 地搭建所需的自动控制系统， 进行仿真及实际应用。 程序中通过一个条件结构避免了电机驱动电压小于 ２ Ｖ 时电机不能正常工作的情况。 ３．３．４ 数据存储模块
工具包， 对采集的数据进行实时地分析和处理， 最后达到对液位高度的控制。该系统具有人机交互性强， 控
制精度高， 稳定性好， 使用方便等优点， 在教学及实验中已经得到使用。
关键词： ＬａｂＶＩＥＷ 软件； 数据采集； ＰＩＤ 控制； 液位控制； 虚拟仪器
中图分类号： ＴＰ１５； ＴＰ３１１．５２
文献标识码： Ａ
１引言
ＬａｂＶＩＥＷ 是 实 验 室 虚 拟 仪 器 集 成 环 境 （ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗａｒｋｂｅ ｎｃｈ） 的简称， 是美国 ＮＩ 公司推出的虚拟仪器开发平 台软件， 具有简洁图形化编程环境和强大的功能。 它 广 泛 应 用 于 数 据 采 集 与 控 制 、信 号 处 理 、数 据 显 示、数据分析等领域。采用虚拟仪器技术， 有以下优 点 ：（ １） 突 破 了 传 统 仪 器 在 数 据 处 理 、显 示 、存 储 等 方面的限制；（ ２） 利用计算机丰富的软件资源， 增加 了系统灵活性；（ ３） 通过软件技术和相应数值算法， 实时、直接地对测试数据进行各种分析和处理， 通 过 图 形 用 户 界 面（ ＧＵＩ） 技 术 ， 真 正 做 到 界 面 友 好 ， 人机交互。
数据存储模块提供了数据保存的功能， 能够将 水箱的液面数据保存在一个 ｔｘｔ 文档中， 供波形再现 或者数据分析处理使用。
４ 控制系统实际控制过程
设定控制参数， ｋｐ＝１００， Ｔｉ＝２０， Ｔｄ＝１０， 通道设置为 １ 通道， 增益设置为 １， 目标控制液位设置为 ３００。由 于过程控制对采样频率的要求不高， 设置为 １０ Ｈｚ。 从实际过程控制图（ 见图 ６） 中看出， 控制过程较好， 稳 定 性 能 也 较 高 ， 通 过 改 变 ＰＩＤ 控 制 参 数 ， 能 取 得 更好的控制效果。
在连续控制系统中， ＰＩＤ 控制算法 得 到 了 广 泛 的应用， 是技术最成熟的控制规律。它调节原理简 单， 易于整定， 使用方便， 广泛地应用于机电、冶金、
收稿日期： ２００７－ １１－ １６； 收到修改稿日期： ２００８－ ０１－ ２３ 作者简介： 李 扬（ １９８４－ ） ， 男， 硕士研究生， 专业方向为虚 拟 仪器及故障诊断。
第 ３４ 卷第 ３ 期
李 扬等： 基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的 ＰＩＤ 控制系统设计与实现
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通过线性组合构成控制量， 作用于被控对象， 其控制 ３．３ 系统软件组成
规律为：
单容水箱控制系统是基于 ＬａｂＶＩＥＷ８．２ 版本进
" ! # ｒ
ｕ（
ｔ） ＝ｋｐ ｅ（
ｔ） ＋ １ Ｔｉ
ｅ（
０
ｔ） ｄｔ＋ Ｔｄ ｄｅ（ ｄｔ
数据采集模块 计算机
Ｄ／Ａ 数据采集卡
压力传感器
水箱
出水口
用作数据采集卡的板卡号设置， 通道设置和 Ｄ／ Ａ 转换， 且都需要进行库函数调用。 ３．３．２ 传感器系数标定模块
图 ２ 系统组成原理图
为了提高控制精度， 采用了在每次控制开
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中国测试技术
２００８ 年 ５ 月
图 ４ 系统程序框图
图 ６ 实际过程控制图
文章编号： １６７２－ ４９８４（ ２００８） ０３－ ００７４－ ０３
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒ ｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ
ＬＩ Ｙａｎｇ， ＸＩＥ Ｈｕｉ， ＣＨＥＮ Ｋａｎ （ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１， Ｃｈｉｎａ）
数据采集模块负责将液位压力产生的电 压信号采集到计算机中， 在这个模块中可以设 置采样频率， 采样通道及增益。采集到的传感器
目标液面
控制模块
Ｄ／Ａ
功率放大器
直流电机
电压可以在趋势图中直接显示出来。其中
进水口
Ａｃｔｉｖｅ ｂｏａｒｄ．ｖｉ、ｓｅｔｃｈ ｃｏｎｆｉｇ．ｖｉ、ａｄｓ ｐｏｌｌ．ｖｉ 分 别
摘 要 ： 针 对 传 统 单 片 机 ＰＩＤ 控 制 在 数 据 处 理 、显 示 、存 储 等 方 面 的 不 足 ， 将 虚 拟 仪 器 技 术 用 于 ＰＩＤ 控 制
中， 设计了基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的单容水箱 ＰＩＤ 控制系统。系统通过传感器， 数据采集卡， 以及 ＬａｂＶＩＥＷ 的 ＰＩＤ
传感器将液位高度转换成电压信号， 作为数据采集
卡的输入信号送入计算机， 经过线性比例换算， 可以
得到电压与液位的关系。将实际液位高度与期望值
进行比较获得偏差， 采用 ＬａｂＶＩＥＷ 软件的 ＰＩＤ 工 具包可得控制量， 该控制量经过数据采集卡输出， 经 过放大器可以改变水泵电机的转速， 从而达到控制 的目的。该系统的主要功能有： 实时数据采集和趋势 图显示， 实时 ＰＩＤ 控制和数据存储。 ３．２ 系统硬件组成
图 ５ Ｄ／Ａ 转换 ＶＩ 的库函数调用
始前都重新标定传感器系数的方法， 这样可以避免温 度、湿度、位置等随机因素的干扰。通过传感器系数标 定模块， 可以在前面板上实时反映出水箱中的液位， 而不仅仅是抽象的电压， 也为 ＰＩＤ 液位控制模块提供 了实时输入 ， 更 加 方 便 得 出 偏 差 量 。 其 中 Ｄ／Ａ．ｖｉ、 ｃｌｏｓｅ ｂｏａｒｄ．ｖｉ 分别用作 Ｄ／Ａ 转换和关闭板卡。 ３．３．３ ＰＩＤ 控制模块
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｃｋｗａｒｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＳＣＭ ＰＩＤ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｒｉｎｇ ｅｔｃ， ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＬａｂＶＩＥＷ． Ｔｈｅ ｄａｔａ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｔｓ ｓｅｎｓｏｒ， ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｐａｃｋｅｔ， ＰＩＤ ｏｆ ＬａｂＶＩＥＷ， ａｎｄ ａｌｓｏ， ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ－ ｌｅｖｅｌ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｈｕｍａｎ － ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ， ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ， ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ， ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｕｓｅ． Ｔｈｕｓ， ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅａｃｈｉｎｇｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＬａｂＶＩＥＷ； Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ； ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｌｉｑｕｉｄ－ ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
本系统采用 ＰＩＯ－ ８２１Ｌ／Ｓ 数据采集卡， 它具有 １２ 位采样精度， 最高采样速率可以达到 ４５ ｋ／ｓ， 它支 持 １６ 路 单 端 ， ８ 路 差 动 模 拟 输 入 通 道 ， １ 路 独 立 的 Ｄ／Ａ 输出通道， １６ 路标准 ＴＴＬ 电 平 数 字 输 入 输 出 。 传感器为压力传感器， 输出电压为－ ５ Ｖ￣＋５ Ｖ。电机 为 ０ Ｖ￣１０ Ｖ 输入的直流电机。
ｔ）
表示为传递函数的形式为：
Ｇ（
ｓ） ＝ Ｕ（ Ｅ（
ｓ） ｓ）
＝ｋ（ｐ
１＋ １ Ｔｉ ｓ
＋Ｔｄ ｓ）
式中 ｋｐ、Ｔｉ、Ｔｄ 分别为比例系数、积分时间常数和微