基于Labview的变积分数字化PID调速运动控制系统研究

考虑到控制系统的稳定性与精确性，调速模块控制器采用变积分数字PID控制算法，可以较好地解决系统的品质问题。

变积分PID的基本思想是改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之越快。为此设置系数f(e(k)),它是速度误差e(k)的函数。当 增大时，f减小，反之增大。变积分的PID积分项表达式为：

系数f与偏差当前值 的关系可以是线性的或非线性的，可以设为

f的值在[0，1]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间A+B后，

f=0，不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)，即积分项变为 ，与一般的PID积分项相同，积分动作达到最高速度；而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0~|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，因此，其积分速度ui在 和 之间。变积分PID的算法为[4]。

这种算法对A、B两个参数的要求不精确，参数容易整定。系统中电枢控制式直流电机的数学模型为：

式中： 为电动机增益常数； 为电动机时间常数；

根据直流电动机的数学模型(4)式和变积分PID算法表达式(3)式以及其系数表达式(2)可以编写MATLAB程序，放入MATLAB节点模块中。

3 系统硬件结构

系统硬件由数据采集卡、驱动模块、电动机、速度传感器、位置传感器、电流传感器等六部分组成。图中虚线内部分为计算机，其中速度调节和位置调节以互换方式作用。系统的硬件组成结构如图1所示。

3.1数据采集卡

本系统中有三路输入，一路输出。根据这个要求，本系统采用凌华的一款通用多功能数据采集卡PCI911DG，该卡具有16路分辨率为12位的模拟输入，一路12位模拟输出，16个数字I/O，可编程输入增益和输入范围可选择。一路模拟输入用于测量电机的转速，1个16位地DI口用于测量电机转过的位移，一路模拟输出用于电机转速控制信号输出。

3.2驱动模块

驱动模块的作用是将来自数据采集卡的控制信号功率放大以便有足够的功率驱动电机旋转。为提高系统的控制精确度，驱动模块采用精密伺服驱动放大器。

3.3速度传感器与位置传感器

电机的转速用测速电机测量，其输出电压与电机转速成正比。电动机转过的位移由TRD-2E1024V型增量型光电编码器测量，经由数据卡的16位数字输入口输入计算机。

4系统软件结构

系统的软件设计主要有三部分，一是输入信号的采集与控制信号的输出，二是位置调节器的设计，三是速度控制器的设计。

对于输入信号的采集和控制信号的输出，由凌华公司提供了针对Labview的第三方DAQ模拟、数字信号的输入，输出VI，可以方便地在框图程序中直接调用，而不必涉及对数据采集的底层硬件操作，因此极大的加快了程序开发的效率。本系统中只用了三个模拟输入通道和一个模拟输出通道。

本系统的设计思想是通过在Labview中使用MATLAB中的脚本节点来执行MATLAB脚本文件，完成位置调节器和速度控制器的算法设计[6]。

系统软件的总体控制思想如下图2所示，在控制面板中调节希望控制到达的位置，同时还可以通过面板设定系统调节的灵敏度上限值Yh和下限值Yl 。系统采集模块采集设备当前的位置并与设定的位置相比较，当两者的得差值大于Yh时调用高速调速模块，在Yh与Yl之间时调用中速调速模块，小于等于Yl时调用低速调速模块。其中调速模块使用的就是上文中所述的数字变速PID控制算法。采用灵敏度与多调速模块相结合方法的优点是可以根据需要在调节速度与调节精度两者之间做出合理的平衡。

5 结语

基于Labview的数字化调速控制系统设计，充分综合利用了Labview的直观图形化程序设计和MATLAB 强大的算法设计与实现功能，实现对直流电动机位置和速度快速、精确地控制。它既节省了传统的显示与控制仪表，又极大地提高了系统的灵活性。使得原本复杂的控制系统设计与实现变得简单、高效，大大地缩短了系统开发时间。同时，通过修改MATLAB脚本节点中的算法可以实现不同的控制方式，达到不同的控制效果。在实现本地控制的基础上，还可利用Labview中的一项新技术Remote Panel和Java Beans相结合可以实现远程控制。

参考文献：

[1] 焦生杰, 郝 鹏, 龙水根. 沥青混凝土摊铺机作业速度研究[J]. 中国公路学报, 2003, 16 (3) : 124-126.

[2] 王国庆, 刘宏昭, 刘稳善, 孙柏俊. 工程机械高速机构的非线性阻尼减振[J]. 长安大学学报(自然科学版),. 2003，23（4）:77-78

[3] 罗飞. 运动控制系统[M]. 北京：化学工业出版社，2001 [4] 刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2003

[5] Robert H. Bishop 著 乔瑞萍 林欣等译. Labview 6i 实用教程[M]. 北京：电子工业出版社，2003

[6] 杨乐平. Labview高级程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2003