基于LabVIEW的直流電機控制系統(tǒng)的設計與分析

42/49本科畢業(yè)論文（設計）（題目：基于LabVIEW小直流電機調速控制系統(tǒng)設計）姓名：松學號：0942051319專業(yè)：電子信息工程院系：電子通信工程學院指導老師：鐘玲玲職稱學歷：講師／本科完成時間：2013年4月29日新華學院本科畢業(yè)論文（設計）獨創(chuàng)承諾書本人按照畢業(yè)論文（設計）進度計劃積極開展實驗（調查）研究活動，實事地做好實驗（調查）記錄，所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我個人在導師指導下進行的研究工作與取得的研究成果。據我所知，除文中特別加以標注引用參考文獻資料外，論文（設計）中所有數據均為自己研究成果，不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的工作已在論文中作了明確說明并表示意。畢業(yè)論文（設計）作者簽名：日期：基于LabVIEW小直流電機調速控制系統(tǒng)設計摘要虛擬儀器技術是計算機測量與控制技術的一個新的發(fā)展方向。虛擬儀器是虛擬儀器技術的一個重要組成部分，其中最具有代表性的是LabVIEW，它不僅是圖形化編程開發(fā)平臺，而且是一個功能強大且又靈活的儀器和分析軟件應用的開發(fā)工具。目前，電機在現(xiàn)代工業(yè)領域中不僅是工業(yè)應用與電能生產的基本裝備，同時也是速度調節(jié)控制系統(tǒng)的核心部件之一，應用圍極為廣泛，特別是拖動系統(tǒng)。因此弄清和熟悉電機的特性，研究其速度控制方法尤為重要。本文主要開發(fā)了基于LabVIEW的直流電機的速度控制系統(tǒng)，設計出了電機轉速控制VI，實現(xiàn)了其速度的在線實時控制，達到了較好的速度控制效果。軟件方面，主要采用美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW作為平臺；硬件方面，主要采用NIELVIS虛擬儀器教學實驗套件,并結合多功能數據采集卡（DAQ)PCI-6024E。本文以PID經典控制方法為理論指導，采用經驗法、4：1衰減法分別對直流電機PID控制參數進行整定，然后利用整定結果進行速度在線實時控制，最后對控制效果進行對比與分析。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；PID；電機轉速；數據采集卡ResearchofthecontrolsystemofsmalldcmotorspeedcontrolBasedonLabVIEWAbstractVirtualinstrumenttechnologyisanewdevelopmentdirectionofcomputermeasureandcontroltechnology.Virtualinstrumentisanimportantcomponentofvirtualinstrumenttechnology,andLabVIEWisthemostrepresentativegraphicprogrammingdevelopmentplatformwithitspowerfulandflexiblefunction.Inthemodernindustrydomain,theDCmotorisbasicequipmentinindustryapplicationandelectricenergyproducing,anditisthemostimportantpartintheDCmotorvelocitycontrolsystem,whichisusedinmanydomains,especiallyindragsystem.Therefore,itisveryimportanttoclearandknowwellthefeatureofDCmotoranditsvelocitycontrolmethods.ThearticlemainlydevelopsthespeedcontrolsystembasedontheLabVIEWfortheDCmotor,anddesignsthespeedcontrolVIwhichhasrealizeditsspeedonlinereal-timecontrolandachievesagoodspeedcontroleffect.ThesoftwaresystemmainlyusesLabVIEW,whichisavirtualinstrumentdevelopmentplatformandispromotedbyNICorporation.ThehardwaremainlyusesvirtualinstrumentteachingexperimentsuiteoftheNIELVIS,unifiesthemulti-purposedataacquisitionsystemcalledPCI-6024E.ThearticletakesthePIDclassicalcontroltheoryastheconduct,usesthethumbruleand4:1weakenlawtocarryontheinstallationseparatelytothePIDvariableofDCmotor,andthencarriesonthespeedonlinereal-timecontrolusingtheinstallationresult,andfinallycarriesonthecontrastandtheanalysistothecontroleffect.Keywords：Virtualinstrument；LabVIEW；PID；velocityofDCmotor；DAQ目錄1緒論…………11.1本課題的研究背景和意義….……11.2本課題的國外研究現(xiàn)狀…………..……………11.3本課題的工作容……………..…31.4本文的結構安排……..……………32直流電機……………..………………..…………….42.1工作原理…………………..………42.2直流電機的基本結構……………….…………….42.3直流電機的速度控制方法介紹…….……………52.3.1改變電樞回路電阻調速………………..……….52.3.2改變勵磁電流調速……..……….62.3.3改變電樞電壓調速………………..…………….73虛擬儀器與LabVIEW介紹…………….………………..….…….103.1虛擬儀器概述…………..………...103.1.1虛擬儀器的概念………………...……………...103.1.2虛擬儀器的前景…………………...…………...103.1.3虛擬儀器的優(yōu)點………...……...113.2LabVIEW概述………...………..113.2.1編程語言的介紹………………..113.2.2編程語言的優(yōu)點………….…133.2.3LabVIEW編程基礎…………134PID控制器設計…………………….174.1引言……………..………………...174.2PID控制規(guī)律………..…………….174.2.1PID控制系統(tǒng)模型……………...……………….174.2.2PID參數的調節(jié)作用……………...…………….184.3PID控制器的不完全微分形式…..……………….194.4動態(tài)響應的性能指標………...204.5PID控制器參數整定方法…………………..…….214.5.1經驗法…………...214.5.2等幅振蕩法……………………...224.5.34:1衰減法…………………...…225直流電機控制系統(tǒng)的設計與分析…………….…...245.1速度控制模型分析………………...……………245.2NIELVIS硬件………………...….255.2.1NIELVIS平臺工作站…………..255.2.2NIELVIS原型實驗板…………..265.3DAQ系統(tǒng)……...….285.3.1DAQ系統(tǒng)的構成…………………...…………...285.3.2DAQ的關鍵概念……………295.4控制系統(tǒng)的電路設計…………………...……305.5控制系統(tǒng)的軟件設計…………...………………..325.5.1控制系統(tǒng)前面板程序設計…………………325.5.2控制系統(tǒng)控制程序框圖……335.6PID參數整定過程…………….355.6.1經驗法的在線實時控制過程…………………..355.6.24:1衰減法的在線實時控制過程……...……...365.7小結…….…………396結論………………..………………40致……………………42參考文獻………………411緒論1.1本課題的研究背景和意義直流電機是人類最早發(fā)明和應用的一種電機，雖然應用不如交流電機廣泛，但是由于直流電動機具有優(yōu)良的啟動、調速和制動性能，因此在工業(yè)領域中仍有一席之地。隨著電力電子技術的發(fā)展，直流發(fā)電機雖有被可控整流電源取代的趨勢，但從供電的質量和可靠性來看，直流發(fā)電機仍有一定的優(yōu)勢。在實驗室開發(fā)系統(tǒng)上，由于直流電機價格便宜，結構簡單，控制效果良好，因而得到眾多研發(fā)人員的青睞。在此基礎上，研究直流電機的基于虛擬儀器的速度控制將有極大的意義。LabVIEW作為虛擬儀器概念的首創(chuàng)者，自1986年問世以來，已經成為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺事實上的工業(yè)標準，在研究、制造和開發(fā)的眾多領域得到廣泛應用。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬儀器的概念逐步為工業(yè)界和學術界所認識，經過20年的技術進步與發(fā)展，已成為21世紀測試技術發(fā)展的一個重要方向，并在研究、制造和開發(fā)等眾多領域得到廣泛應用。采用虛擬儀器技術構建測試儀器，不僅測試精度、穩(wěn)定性和可靠性高，而且開發(fā)效率高，可維護性強，有很高的性價比，節(jié)省投資，利于設備更新和功能的轉換與補充。因此，虛擬儀器在生產過程控制中和產品性能測試，設備故障診斷都得到廣泛的應用，其研究的意義非常重大。1.2本課題的國外研究現(xiàn)狀電機控制是一個既成熟而又發(fā)展迅速的課題，電機控制具有種種優(yōu)點，近年來一直是國外很多公司、大學研究開發(fā)的熱點。目前，國外電機控制有關方面的研究工作正圍繞電機控制理論、計算機輔助技術、電機控制器、電力電子技術幾個方面展開。電機控制理論方面。目前，在電機速度控制領域，由于PID控制算法簡單，結構改變靈活，技術成熟，適應性強，可靠性高等特點，而得到廣泛的應用。隨著理論研究的發(fā)展，各種改進的控制算法層出不窮，近年來研究得很熱門的自適應控制算法、模糊控制算法、神經網絡控制算法、魯棒控制理論等等。計算機輔助設計方面。由于計算機微電子技術的發(fā)展，現(xiàn)代計算機的功能越來越強大。為系統(tǒng)的設計和方針提供的軟件業(yè)越來越多。值得一提的MATLAB和LabVIEW。MATLAB程序設計語言是美國MathWorks公司在20世紀80年代中期推出的高性能數值計算軟件，是國際、國控制領域最流行的計算和仿真軟件,功能強大，工具箱豐富。LabVIEW是NI公司推出的一種基于G語言（圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。有了好的控制方法，還需要有能將其實現(xiàn)的控制器?？煽啃愿?，實時性好是對控制系統(tǒng)的基本要求。目前，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）可以作為一種解決方案，一片F(xiàn)PGA可以實現(xiàn)非常復雜的邏輯，替代對快集成電路和分立元件組成的電路?，F(xiàn)在市面上較通用的變頻器大多都是采用單片機來控制，但單片機的處理能力有限。近年來，各種集成化的數字信號處理器（DSP)的性能得到很大的改善，比起單片機，DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲器，置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，越來越多的單片機使用者開始選用DSP器件來提高產品性能。新型電力電子技術中，實現(xiàn)弱電控制強電的關鍵所在是電力電子器件。目前，電力電子器件正向高頻化、大功率、高電壓、智能化方向發(fā)展。低壓交流電動機的傳動控制中，使用廣泛的功率器件有GBT、GTR、GTO，此外還有智能功率模塊IPMI[1][2]?；谝陨霞夹g的研究，采用虛擬儀器對系統(tǒng)進行PID控制是一個新的組合方法，有較好的發(fā)展前景。但是，國對虛擬儀器技術的使用研究，很多只是建立在仿真的基礎上進行的，實際控制應用有待研究。1.3本課題的工作容本文完成的工作有：（1）詳細介紹了虛擬儀器技術以與LabVIEW編程方法。（2）設計了基于LabVIEW的PID控制器。（3）以LabVIEW為開發(fā)平臺，設計出來直流電機轉速控制VI，并擁有良好的使用界面。然后借助已設計出來的硬件電路，實現(xiàn)了轉速的在線實時控制。（4）詳細介紹了PID控制系數整定方法，并應用于直流電機轉速在線實時控制過程中。然后在過程控制中分析控制效果，總結經驗。1.4本文的結構安排本論文主要分六章：第一章前言，介紹論文研究背景、國外研究現(xiàn)狀、本文容以與架構；第二章直流電機，主要介紹了直流電機的速度控制方法；第三章虛擬儀器與LabVIEW介紹，詳細介紹虛擬儀器和LabVIEW編程語言。第四章PID控制器設計，介紹了PID控制器的設計方法；第五章直流電機速度控制系統(tǒng)的設計與分析，本章是本文的核心部分，詳細的介紹了本論文控制系統(tǒng)的硬軟件設計過程以與PID在線實時控制過程，分析控制效果并總結經驗。第六章結論，主要是對本文的研究情況作總結。2直流電機本章簡單的介紹了直流電機的工作原理、基本結構，詳細的分析了直流電機速度控制方法。2.1工作原理本論文系統(tǒng)設計采用的電動機是普通的直流電機，直流電動機的工作原理是基于載流導體在磁場中受力產生電磁力形成電磁轉矩的基本原理。在直流電動機的工作過程中，單從電樞線圈的角度看，每個導體中的電流方向是交變的；但從磁極看，每個磁極下導體中電流的方向是固定的，即不管是哪個導體運行到該極下，其中的電流方向總是一樣的。因此，直流電動機可獲得恒定方向的電磁轉矩，使電機持續(xù)旋轉。2.2直流電機的基本結構直流電機由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成。定、轉子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產生磁場和做電機的機械支撐，主要由主磁極（簡稱主極）、換向極、機座、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉子的作用是產生感應電樞感應電勢或電磁轉矩，主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等部件組成的。如圖2.1所示。.圖2.1直流電機結構圖圖2.1直流電機結構圖1－風扇；2－機座；3－電樞（鐵心和繞組）；4－主磁極鐵心；5－電刷裝置；6－換向器；7－接線板；8－接線盒；9－換向極；10－端蓋；11－轉軸2.3直流電機的速度控制方法介紹在生產中經常需要改變生產機械的工作速度，改變方法有機械和電氣兩種。機械方法是通過改變傳動機構的傳動比來實現(xiàn)調速的。電氣方法是通過改變電動機的接線方式、電源的參數和電動機的參數，使電動機運行在不同的人為特性曲線上以得到不同的相對穩(wěn)定轉速。直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為：(2-1)式(2-1)中：——電樞電流（）；——電樞供電電壓（）；——勵磁磁通（）；——電勢系數；——電樞回路總電阻（）；(2-2)式(2-2)中：為電磁對數，為電樞并聯(lián)支路數，為導體數。由式(2-1)可以看出，式中，只要改變、、三個參量中一個，都可以改變電動機的轉速，因此直流電動機有三種基本調速方法[4]2.3.1改變電樞回路電阻調速改變電樞回路電阻來調速，適用于各種直流電動機。如圖2.2(a)是改變電樞電阻調速電路圖。此時轉速特性公式為：(2-3)其中為外接電阻（）。（b）機械特性（a）調速電路（b）機械特性（a）調速電路圖圖2.2電阻調速電路與機械特性圖當負載一定時，增大，電樞回路總電阻增大，電動機轉速就會降低。其機械特性如圖2.2(b)所示。的改變可用接觸器或主令開關切換來實現(xiàn)。2.3.2改變勵磁電流調速當電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現(xiàn)調速。由式（2-1）可看出，電動機的磁通與轉速成反比，即當磁通增大時，轉速降低；反之，則升高。當電動機的轉矩是磁通和電樞電流的乘積，電樞電流不變時，隨著磁通的增大，其轉速降低，轉矩也會相應地增大。所以，該種調速方法，隨著電動機磁通的增大，其轉矩降低，轉矩也會相應地升高。當額定電壓、額定電流，而轉速不同時，則電動機輸出功率額定，因此這種調速方法稱為恒功率調速。為了使電動機的容量能得到充分利用，通常只是在電動機基速以上調速時才采用這種調速方法。2.3.3改變電樞電壓調速改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法是常用的控制方法。持續(xù)改變電樞供電電壓，可以實現(xiàn)無級調速（直流電動機在很寬的圍）。改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機-電動機組供電的調速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調速系統(tǒng)。下面分別介紹這兩種調速系統(tǒng)。采用發(fā)電機-電動機組調速方法。(b)機械特性(a)(b)機械特性(a)調速電路圖2圖2.3發(fā)電機-電動機調速電路機械特性圖如圖2.3(a)所示，通過改變IF來改變，從而改變。在不同的電樞電壓時，其得到的機械特性便是一組完全平行的直線，如圖2.3(b)所示。由于電動機不僅可以工作在電動機狀態(tài)，而且可以工作在發(fā)電機狀態(tài)，因此改變發(fā)電機勵磁電流的方向，如圖2.3(a)中切換接觸器ZC和FC，就可以使系統(tǒng)工作在任意四個象限。由圖可知，這種調速方法需要兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機和另一臺容量小一些的勵磁發(fā)電機(LF)，因而設備多且占用的體積大、效率低、費用高、運行噪聲大、維護便捷。為克服上述缺點，目前采用水銀整流器和晶閘管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉變流機組。采用晶閘管變流器供電的調速方法。(a)調速電路（b）機械特性(a)調速電路（b）機械特性圖2圖2.4晶閘管供電的調速電路機械特性圖如圖2.4(a)所示。通過調節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，則可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。其開環(huán)機械特性示于圖2.4(b)中，每一條機械特性曲線都由兩段組成，改變延遲角a時，特性呈一組平行直線，它和發(fā)電機-電動機組供電時的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢負載時電流易產生斷續(xù)造成的。(3)采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法。PWM(脈寬調制)是常用的一種調速方法，其基本原理是：用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度。電機斷電時，其速度減低；當電機通電時，其速度增加。若按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，則可使電機的速度達到一穩(wěn)定值。[5]其中前兩種是改變電機參數的方法，后一種是改變電源參數的方法。由于改變電阻只有極調速，而調節(jié)磁通圍很小，且本控制系統(tǒng)采用的直流電機為小功率電機，因此直流調速系統(tǒng)以變壓調速為主。所以對于要求在一定無極平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式最佳。3虛擬儀器與LabVIEW介紹3.1虛擬儀器概述本章主要從概念、發(fā)展階段、研究現(xiàn)狀、發(fā)展方向、優(yōu)點等五個方面對虛擬儀器做了詳細地介紹。3.1.1虛擬儀器的概念虛擬儀器是一種基于計算機的數字化自動測試儀器系統(tǒng)，它通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件資源結合起來，使操作人員可以通過友好的圖形界面與圖形化編程語言控制儀器運行，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲與數據生成。這里的“虛擬”有兩層含義[6]：（1）虛擬的儀器面板。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”是一樣的。物理的按鍵、開關、旋鈕以與數碼管等顯示器件（類似實物的圖標）都是由與實物外觀很相似的圖形控件來代替，用戶可以通過鼠標或者鍵盤操縱軟件界面中的這些控件圖標來完成儀器的控制。（2）由軟件編程實現(xiàn)儀器的測量功能。在以計算機為核心組成的硬件平臺支撐下，虛擬儀器通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的測量功能，而且它可以通過實現(xiàn)不同測試功能的軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能。因此，在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。軟件是虛擬儀器的關鍵，當硬件確定后，就可以通過不同的軟件來實現(xiàn)不同的功能。3.1.2虛擬儀器的前景隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器技術也在向網絡化方向發(fā)展，即基于網絡的虛擬儀器。使用網絡化虛擬儀器，可以在任何地點、任何時間獲取測試數據。虛擬儀器的崛起是測試儀器技術一次革命性的飛躍，是儀器領域的一個新的里程碑。虛擬儀器使現(xiàn)代測控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經濟、功能更強。虛擬儀器在我國的研發(fā)有著十分現(xiàn)實的意義，廣泛采用虛擬儀器技術有助于提高我國儀器的整體水平，節(jié)省儀器開發(fā)的人力和費用。隨著電子技術、計算機技術和網絡技術等相關技術的發(fā)展與各種相關軟件的不斷產生，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)測試儀器而成為測試儀器的主流。3.1.3虛擬儀器的優(yōu)點一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點，如使用靈活方便、功能豐富、價格低廉、可以一機多用、可重復開發(fā)等。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下幾個特點[7]：（1）性能高虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。（2）擴展性強NI的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再圈囿于當前的技術中。得益于NI軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。（3）開發(fā)時間少在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。（4）無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。3.2LabVIEW概述3.2.1編程語言的介紹LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW

則采用數據流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了VI與函數的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。與C語言和BASIC

一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示與數據存儲，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據與其子程序（子VI）的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調試。LabVIEW

提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW

中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設備驅動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構筑自己在實際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎條件，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，得到工業(yè)界和學術界的普遍認可和好評。圖3.1圖3.1LabVIEW啟動后對話框本論文程序設計使用的是LabVIEW2011版本，該版本擁有強大的子VI庫，依據它們，我們可以更加方便的構建多樣化的LabVIEW控制系統(tǒng)。雙擊LabVIEW圖表，啟動如圖3.1所示對話框。3.2.2編程語言的優(yōu)點LabVIEW具有強大的編程能力與可讀性，具體來說有五大優(yōu)點[8]：（1）測試測量：LABVIEW最初就是為測試測量而設計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應用領域。經過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領域獲得了廣泛的承認。至今，大多數主流的測試儀器、數據采集設備都擁有專門的LabVIEW驅動程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調用幾個工具包中的函數，就可以組成一個完整的測試測量應用程序。（2）控制：控制與測試是兩個相關度非常高的領域，從測試領域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領域。LabVIEW擁有專門用于控制領域的模塊LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領域常用的設備、數據線等通常也都帶有相應的LabVIEW驅動程序。使用LabVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。（3）仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數學運算函數，特別適合進行模擬、仿真、原型設計等工作。在設計機電設備之前，可以先在計算機上用LabVIEW搭建仿真原型，驗證設計的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領域，有時如果使用LabVIEW進行軟件模擬，就可以達到同樣的效果，使學生不致失去實踐的機會。（4）快速開發(fā)：根據筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功能類似的大型應用軟件，熟練的LabVIEW程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右。所以，如果項目開發(fā)時間緊，應該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開發(fā)時間。（5）跨平臺：如果同一個程序需要運行于多個硬件設備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運行在常見的三大臺式機操作系統(tǒng)上：Windows、MacOS與Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設備，比如常見的PDA、FPGA以與運行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設備。3.2.3LabVIEW編程基礎LabVIEW是虛擬儀器的開發(fā)工具，在LabVIEW中開發(fā)的應用程序都被稱為VI（虛擬儀器），其擴展名均默認為vi。所有的VI都包括前面板、框圖、圖標和連接器窗格三部分。（1）前面板（FrontPanel）前面板窗口見圖3-2所示，它是圖形用戶界面，在該界面上可以創(chuàng)建交互式的輸入控件和輸出顯示控件。輸入控件如開關、旋鈕、按鈕等；輸出顯示控件如波形圖、波形圖表、指示燈等。圖3.2LabVIEW前面板圖3.2LabVIEW前面板（2）框圖（BlockDiagram）框圖窗口見圖3-3所示，框圖是VI程序的圖形化源代碼，相當于標準電子儀器的功能部件。在框圖中對VI編程的主要工作，就是從前面板上的輸入控件獲得輸入信號，然后進行計算和處理，最后在輸出控件中把處理結果顯示出來?？驁D上的編程元素，有連線端子、函數、子VI、常量、結構和連線等。圖3.3程序框圖圖3.3程序框圖（3）選項板（Palette）LabVIEW提供了三種選板：工具選板、控件選板和函數選板。工具選項板工具選板提供了用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的各種工具。如果該選板不可見，則在“查看”菜單下選擇“工具選板”選項，可以顯示該選板。工具選板頂端的綠色長方形，為“自動選擇工具”，使用自動選擇工具可以提高編程的速度。當從工具選板中選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成與該工具對應的形狀。當鼠標在工具選板的圖標上停留2秒后，會彈出提示框以說明該工具的用途。(如圖3.4所示)。圖3.4工具選項板圖3.4工具選項板控件選項板控件選板如圖3.5所示。只有打開前面板時，才能顯示控件選板。如果選板不可見，可以選擇“（前面板的）查看”→“控件選板”菜單項，以使其顯示出來；也可以在前面板上單擊鼠標右鍵，彈出臨時控件選板?？丶x板用來給前面板添加各種輸入控件和輸出控件。圖3.5控件選項板圖3.5控件選項板函數選項板函數選板如圖3.6所示。只有打開框圖窗口，才能顯示函數選板。若函數選板不可見，則可以用“（程序框圖的）查看”→“函數選板”來打開它；也可以在框圖窗口下單擊鼠標右鍵，以彈出臨時函數選板。函數選板里有創(chuàng)建程序框圖需要的對象，該選板上的每一個頂層圖標都表示一個子選板。圖3.6函數選項板圖3.6函數選項板4PID控制器設計4.1引言PID控制是廣泛應用于工業(yè)過程控制中的最為成熟、應用最廣泛的控制技術。從PID制器問世至今的70多年時間里，如雨后春筍般涌出了其它各種各樣的控制方法。PID控制器（ProportionIntegrationDifferentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過Kp，Ki和Kd三個參數的設定。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。PID控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現(xiàn)率來調整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。4.2PID控制規(guī)律4.2.1PID控制系統(tǒng)模型所謂PID控制，就是對偏差信號e(t)進行比例、積分和微分運算變換后形成的一種控制規(guī)律，即：(4-1)式(4-1)中：——比例控制項，其中為比例系數；——積分控制項，為積分時間常數；——為微分時間常數?？刂破鞯膫鬟f函數為：(4-2)控制系統(tǒng)模型[9]如圖4.1：圖4.1PID控制系統(tǒng)模型圖4.1PID控制系統(tǒng)模型4.2.2PID參數的調節(jié)作用PID控制器包括積分、比例、微分三個部分，分別代表過去，現(xiàn)在，還有將來的控制作用。三個部分對控制性能的影響如下所述：積分——來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數I，然后和預定值相加。I從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統(tǒng)無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會總是減少。所以，最終這個PID回路系統(tǒng)會在預定值定下來。比例——來控制現(xiàn)在，誤差值和一個負常數P（表示比例）相乘，然后和預定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺圍是10°C，它的預定值是20°C。那么它在10°C的時候會輸出100%，在15°C的時候會輸出50%，在19°C的時候輸出10%，注意在誤差是0的時候，控制器的輸出也是0。微分——來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數D相乘，最后和預定值相加。這個導數的控制會對系統(tǒng)的改變作出反應。導數的結果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結果作出更快速的反應。這個D參數也是PID被稱為可預測的控制器的原因。D參數對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要D參數。用更專業(yè)的話來講，一個PID控制器可以被稱作一個在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點在計算它是否會最終達到穩(wěn)定結果時很有用。如果數值挑選不當，控制系統(tǒng)的輸入值會反復振蕩，這導致系統(tǒng)可能永遠無法達到預設值。4.3PID控制器的不完全微分形式在計算機系統(tǒng)中，為了改善控制質量，可根據系統(tǒng)的不同要求，對PID控制進行改進。眾所周知，微分對高頻干擾的響應很靈敏，極易引起振蕩，因此在PID控制中串聯(lián)低通濾波器（一階慣性環(huán)節(jié)）達到抑制高頻干擾的目的，這就是不完全微分PID控制算法，其PID控制器為：(4-3)其中N的值一般取3~10，顯然，當頻率時，微分環(huán)節(jié)的增益不會超過。LabVIEW控制包提供的控制算是不完全微分PID控制算法，其中的子程序CDConstructSpecialModelVI（如圖4.2所示）構建的PID控制器有三種形式[10]：PIDAcademic:(4-4)(2)PIDParallel:(4-5)(3)PIDSerial:(4-6)圖4.2CDConstructSpecialModelVI的三種PID控制器形式圖4.2CDConstructSpecialModelVI的三種PID控制器形式對比式（4-3）與式（4-4），可發(fā)現(xiàn)即的值一般取0.1~0.33。4.4動態(tài)響應的性能指標在古典控制理論中，用動態(tài)時域指標來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。動態(tài)指標能夠直觀地反映控制系統(tǒng)的過渡過程特性，動態(tài)指標包括調節(jié)時間，超調量，峰值時間，振蕩次數和衰減比。(1)調節(jié)時間：反映了過渡過程時間的長短，當，若，則定義為調節(jié)時間，式中是輸出量的穩(wěn)態(tài)量，取0.02或0.05。(2)超調量：表示了系統(tǒng)過沖的程度，設輸出量的最大值，輸出量的穩(wěn)態(tài)值，則超調量定義為，超調量通常以百分數表示。(3)峰值時間：表示過渡過程達到第一個峰值所需要的時間，它反映了系統(tǒng)對輸入信號反映的快速性。(4)振蕩次數：反映了控制系統(tǒng)的阻尼特性。它定義為輸出量的穩(wěn)態(tài)值的次數的一半。(5)衰減比：表示了過渡過程衰減快慢的程度，它定義為過渡過程第一峰值與第二個峰值的比值，即，通常，希望衰減比為4:1。4.5PID控制器參數整定方法PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的核心容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。本文選用的三種整定方法(經驗法、等幅振蕩法、4:1衰減法)是眾多方法中用的比較廣泛的，下面簡單介紹一下。4.5.1經驗法經驗法是通過閉環(huán)運行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據各參數對系統(tǒng)的影響，反復湊試參數，直至出現(xiàn)滿意的響應，從而確定PID控制參數。經驗法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制：將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)：若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。（3）整定微分環(huán)節(jié)：若經過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。4.5.2等幅振蕩法等幅振蕩法在過去的工業(yè)過程中用的比較多，基本原理就是在純比例作用下得到臨界振蕩過程，然后確定臨界比例增益和臨界周期的數值，根據表4-1所列的經驗公式，計算出調節(jié)器各個參數的具體數值。（1）按表4-1，計算、、參數的具體數值。（2）按純比例系統(tǒng)整定：比例增益，調節(jié)器，,控制系統(tǒng)投人閉環(huán)運行，由小到大改變比例增益，直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線，此時的比例增益稱為臨界比例增益，用來表示，振蕩周期稱為臨界周期，用來表示。（3）按上述數值整定，投人運行，再觀察調節(jié)過程的變化。若超調量太大，過渡過程時間較長，則可適當減小比例帶和積分時間，效果就會好些。表4-1等幅振蕩法經驗公式控制器PPIPID4.5.34:1衰減法4:1衰減法的基本原理是先把積分時間放到最大，微分時間放到零。待調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步增大比例增益，觀察輸出電壓(電流)和調節(jié)過程的波動情況，直到出現(xiàn)4:1衰減過程為止。記錄4:1比例增益和操作周期，根據表4-2所列的經驗公式，求得調節(jié)器各個參數的具體數值，然后把三個參數加到控制器上進行控制。觀察調節(jié)過程，如發(fā)現(xiàn)記錄曲線不理想，可進行少量調整。（1）按純比例系統(tǒng)整定：比例增益，調節(jié)器，，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步增大比例增益，直到出現(xiàn)4:1的衰減曲線，假設此時的調節(jié)器比例增益為，振蕩周期為。（2）按表4-2經驗公式，計算、、數值．（3）整定、、參數，觀察調節(jié)過程曲線，曲線不理想時，可適當進行調整。表4-24:1衰減法經驗公式[12]衰減率調節(jié)規(guī)律4:1PPI/1.20.5PID/5直流電機控制系統(tǒng)的設計與分析直流電機是人類最早發(fā)明和應用的一種電機。直流電機包括直流發(fā)電機和直流電動機。直流發(fā)電機將機械能轉變?yōu)橹绷麟娔?，直流電動機將直流電能轉變?yōu)闄C械能。按旋轉電機的可逆性原理，直流電機既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行。由于直流電動機具有良好的啟動性能，調速性能和過載能力，因此，在工業(yè)領域中仍占有一席之地。主要用于交通、起重、軋鋼和自動控制等領域，火電廠的給粉電動機也常采用。5.1速度控制模型分析直流電機具有電氣屬性和機械屬性。對于表5-1中所定義的各個參數，描述直流電機開環(huán)響應的電氣方程為[13]：(5-1)和(5-2)描述電機扭矩的機械方程為：(5-3)和(5-4)其中，表5-1給出了、、、、和的描述。把式（5-4）的拉普拉斯變換式代入式（5-3）的拉普拉斯變換式，可得電機電樞電流為：(5-5)把式（5-5）和式（5-2）的拉普拉斯變換式代入式（5-1）的拉普拉氏變換式，可得：(5-6)通過解可得直流電機的速度控制開環(huán)傳遞函數：(5-7)表5-1直流電機模型參數符號描述單位電機電壓電機電阻電機電樞電流電機扭矩常數電機反向感應常數電機軸角速度電機扭矩電機軸和負載的轉動慣量5.2NIELVIS硬件NIELVIS虛擬儀器教學實驗套件是美國國家儀器公司2004年推出的一套基于LabVIEW設計和模型創(chuàng)建的實驗裝置。NIELVIS系統(tǒng)實際就是將LabVIEW和NI的DAQ設備相結合得到一個基于LabVIEW的一種實驗教學產品，包括硬件和軟件兩部分。硬件包括一臺可運行LabVIEW的計算機、一塊多功能數據采集卡、一根68針電纜和控制臺；軟件則包括LabVIEW開發(fā)環(huán)境、NI-DAQ、可以針對ELVIS硬件進行程序設計的一系列LabVIEWAPI和一個基于LabVIEW設計虛擬儀器軟件包。該實驗套件可插入一塊原型實驗面板，適合電子電路的設計與測試，完成測量儀器、電子電路、信號處理、控制系統(tǒng)輔助分析與設計[13]。5.2.1NIELVIS平臺工作站這部分介紹了NIELVIS平臺工作站和工作站的前控制面板，ELVIS平臺工作站如圖5.1工作站提供了連接相關實驗硬件儀器的功能，工作站控制面板提供了函數發(fā)生器和可調電源等一些容易操作的旋鈕，也提供BNC和香蕉型連接器可連到NIELVIS示波器SFP和NIELVISDMM（數字萬用表）SFP上。圖5.1ELVIS平臺工作站圖5.1ELVIS平臺工作站5.2.2NIELVIS原型實驗板NIELVIS原型實驗板，又稱原形設計面板，它連接在平臺工作站上，為用戶提供了一個組建電路的平臺。利用NIELVIS平臺工作站可以交替使用多塊原型實驗板，圖5.2為ELVIS的原型實驗板。圖5.2原型實驗板圖5.2原型實驗板原型設計面板通過面包板（白色區(qū)域）的兩側的分布條把所有的NIELVIS的信號終端列出來使用。每一個信號有一行，各行按功能分組。其各部分位置布局如圖5.3所示[14]。圖5.3原型設計面板各部分零件布局主要應用到的信號描述如表5-2所示：表5-2主要信號描述信號名稱信號類型信號描述ACH<0..5>+常規(guī)AI模擬輸入通道0～5（＋）——到AI通道的正差分輸入ACH<0..5>–常規(guī)AI模擬輸入通道0～5（－）——到AI通道的負差分輸入CH<A…B>+示波器示波器通道A和B(+)——示波器通道的正輸入CH<A...B>–示波器示波器通道A和B(－)——示波器通道的負輸入AISENSE常規(guī)AI模擬輸入Sense——非參考單端（NRSE）模式的模擬通道的基準續(xù)表AIGND常規(guī)AI模擬輸入地——DAQ設備的AI接地參考端DAC<0..1>模擬輸出模擬輸出通道0和1——DAQ設備緩沖器的輸出GROUND可變電源接地——設計面板接地端，所以接地針均連接在一起+15V直流電源+15V直流電源——穩(wěn)流+15V電源輸出-15V直流電源-15V直流電源——穩(wěn)流-15V電源輸出5.3DAQ系統(tǒng)DAQ(DataAcquisition），即數據采集儀器的一種典型的虛擬儀器（如圖3-9），它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計算機緊密相關。DAQ儀器以微型計算機為平臺，將計算機硬件（某類總線、特定功能的數據采集卡）和計算機軟件（虛擬儀器應用軟件）結合起來，實現(xiàn)特定的儀器測量和分析功能。DAQ儀器具有性價比高、設計手段靈活、通用性強等特點，應用前景十分廣闊。本文采用的數據采集卡為PCI-6024E。5.3.1DAQ系統(tǒng)的構成工程上使用具有PCI、PXI、USB、并口以與串口的計算機（PC）來獲取測試數據，稱為基于PC的DAQ系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般有兩種方案：通過插入式的DAQ卡直接將獲取的數據傳輸給計算機；或者由位于計算機外部的DAQ硬件獲取測試數據，然后通過各種總線，例如并口或者串口，傳輸給計算機。基于PC的DAQ系統(tǒng)包含以下基本要素[15]：（如圖5.4所示）個人計算機（PC）、傳感器、信號調理裝置、DAQ設備、數據處理與驅動程序等軟件。圖5.4DAQ設備與計算機相連的整體系統(tǒng)框圖圖5.4DAQ設備與計算機相連的整體系統(tǒng)框圖5.3.2DAQ的關鍵概念(1)通道通道一般分為物理通道和虛擬通道。物理通道是測試和產生模擬或者數字信號的端子，每個通道可以包含多個端子，例如，每個數字端口可以包含8個端子（8根）數字線。(2)任務任務是通道、定時、觸發(fā)等的集合體，是為了完成某個目的，例如測量信號或者產生信號，通常包含以下步驟：=1\*GB3①新建或者載入一個任務=2\*GB3②根據需要設置通道、定時等特性。=3\*GB3③如果需要，設置任務狀態(tài)變化來完成某個特殊的操作。=4\*GB3④清除任務。(3)定時和觸發(fā)定時用時鐘信號實現(xiàn)，它和觸發(fā)的最大的區(qū)別就是時鐘信號一般不產生任何行為，但是當時鐘信號用做采樣信號時，每個時鐘信號邊沿都會進行一個采樣，這樣就會產生一個行為。時鐘信號作為采樣信號，這時采樣定時的一種方式，除此之外，還有根據需要采樣、握手采樣，隨從采樣等其他方式。關于觸發(fā)，有三種方式：數字邊沿觸發(fā)、模擬窗口觸發(fā)和模擬邊沿觸發(fā)。(4)緩存緩存通常只計算機為某個特殊目的而開辟的臨時數據存取空間。(5)數據類型不同的虛擬通道支持的數據類型也不一樣。5.4控制系統(tǒng)的電路設計本論文研究的直流電機速度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖5.5所示，包括PC機，NIELVIS平臺工作站和原型實驗板。其中實驗板上的器件包括1k電阻、10k電阻、紅外線發(fā)光二極管（IRLED）、直流（DC）小電機。其中兩個電阻是為了分壓的作用，10k電阻更是作為考察的對象，紅外線發(fā)光二極管是一對發(fā)射紅外線和接受紅外線的器件，萬用表等測量工具。硬件系統(tǒng)實現(xiàn)了功能：通過計算機運行程序，啟動數據采集卡，從ELVIS工作平臺上采集到模擬數據，然后進行采樣，量化，輸送到計算機程序界面上，之后程序根據實際情況與需要達到的目的進行比較，發(fā)出控制信號，傳輸到ELVIS工作平臺上，從而實現(xiàn)了速度控制。圖5.5光電器件原理接線圖10圖5.5光電器件原理接線圖10集成光敏晶體管ACH4+ACH4-接地1＋5V發(fā)射端接收端本控制系統(tǒng)是核心電路時由可調電源控制的直流電機和紅外線運動傳感器組成的，圖5.6是核心電路原理接線圖。1010光探測器ACH4+ACH4-接地1＋5V發(fā)射端接收端12V電機接地可調電源圖5.6速度控制系統(tǒng)核心電路原理圖圖5.6速度控制系統(tǒng)核心電路原理圖工作原理：當光線被擋住時，傳感器接收邊接收不到光信號，使右邊形成短路，10k電阻上電壓為低電平，當光線不被擋住時，傳感器接收邊接收到光信號，使右邊形成通路，10k電阻上輸出高電平。右邊是電機，轉軸上安裝一個突出薄板，薄板隨電機轉軸儀器旋轉，沒轉一圈就擋住光電傳感器的光線，使傳感器輸出一個脈沖。這樣電機每轉一圈，就會產生一個脈沖信號給PC機上的數據采集卡，通過數據采集，利用LabVIEW強大的子VI庫中的，可以測出脈沖周期，從而測出PulseMeasurementsvi可以測試脈沖持續(xù)時間或波形的周期，如圖5.7。圖5.7電機測速程序框圖圖5.7電機測速程序框圖5.5控制系統(tǒng)的軟件設計直流電機速度控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計包括LabVIEW的前面板設計和框圖設計，前面板提供了可視化的控制界面，框圖提供了詳細的程序控制過程，下面是程序設計的結果。5.5.1控制系統(tǒng)前面板程序設計圖5.8為直流電動機速度控制系統(tǒng)前面板的設計。實現(xiàn)的功能：通過在前面板設置PID控制系數以與電壓，啟動運行，然后通過框圖的各部分功能的實現(xiàn)，從而得到了實時的速度圖形，以與過程速度變化情況。圖5.8直流電機速度控制系統(tǒng)程序的前面板圖5.8直流電機速度控制系統(tǒng)程序的前面板5.5.2控制系統(tǒng)控制程序框圖圖5.9為直流電機速度控制系統(tǒng)后置板的流程框圖。實現(xiàn)的功能：通過接受控制電壓和PID系數后，采集電機的轉速，與預期值進行比較，從而超前性的輸出控制電壓，控制電機的轉速。圖5.9直流電機速度控制系統(tǒng)程序的后置板框圖圖5.9直流電機速度控制系統(tǒng)程序的后置板框圖后置板框圖各個子VI實現(xiàn)的功能如下：（1）脈沖測量子VI：圖5.10脈沖測量子VI圖5.10脈沖測量子VI圖5.10是用來計算脈沖數量的子程序，SignalIn是需要測量的脈沖的波形輸入端口，輸入波形至少包含所有完整周期的脈沖序數（PulseNumber）。（2）PID控制軟函數：圖5.11PID控制軟函數圖5.11PID控制軟函數圖5.11是簡單的PID控制模塊，控制著需要PID參數算法的設備。主要輸入端口有：輸出圍（OutputRange）：包含著兩個系數，分別控制著輸出的最大值和最小值，以免過高的電壓損壞被控制設備。定位點（Setpoint）：輸入為控制變量，是需要達到的過程常量。PID增益（PIDGain）：輸入為比例增益，積分時間和微分時間系數。（3）數據采集讀入子VI：圖5.12數據采集讀入子VI圖5.12數據采集讀入子VI圖5.12是數據讀入通道，從一個包含著一個或者多個模擬輸入通道的任務中，讀出一個或者多個波形。其中Task/ChannelsIn為信號輸入端口。（4）電壓更新子VI：圖5.13電壓更新子VI圖5.13電壓更新子VI圖5.13是一個更新了電源輸出的子VI,當特定的控制電壓通過SupplyRef-umIn端口時，更新功能開始作用。這是NI公司強大的VI庫提供的子程序。5.6PID參數整定過程由于直流電機速度控制中，很難調到等幅振蕩狀態(tài)，因此，針對本次控制系統(tǒng)設計，采用了經驗法和4：1衰減法，分別進行參數，然后進行整定效果對比。下面是兩種PID系數整定方法的實際整定過程。5.6.1經驗法的在線實時控制過程實際上，經驗法屬于經驗試湊法，它不需要事先的計算和實驗，而是根據運行經驗，先確定一組控制器參數，并將系統(tǒng)投入運行，然后根據各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的控制參數值。下面就根據已有硬軟件系統(tǒng)進行參數整定[16]。先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的就值，在本過程控制中，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的值不宜太大，為不宜超過2，不然電動機轉速會超調過大，影響電動機的性能（有可能會出現(xiàn)短時間的死機）。同時，讓積分作用和微分作用失效。調節(jié)值，使速度曲線呈現(xiàn)4:1衰減振蕩過程。此時=0.5。然后逐漸加入積分作用（I），先取積分時間為衰減振蕩周期的一般左右。約為0.3，由于積分作用使其振蕩加劇，并且要達到穩(wěn)定速度的快速性很差，在加入積分作用之前，先加強比例作用，把增加1.2左右。調整積分時間，直到出現(xiàn)4:1的衰減振蕩。必要時，加入微分（D)作用，從零開始，逐漸加大。由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，需把調小，約為1.0。通過微分時間的的試湊，使過渡時間明顯縮短，超調量減小。最后根據PID的參數功能做些微調，得到如圖5.14所示圖形。圖5.14經驗法整定效果圖圖5.14經驗法整定效果圖經驗控制過程，是一個把PID參數基本功能熟悉的過程，在把參數的基本圍圈定好之后，需要耐心的去調試。在這過程需要注意幾點：（1）電機存在電壓死區(qū)，因此，在啟動之后，短時間可能會出現(xiàn)程序云后起不了作用的情況，這時需要稍稍調高電壓，大概在5V左右，刺激下電機，它才有反應。（2）電機剛啟動時，速度變化很大，這跟電機的性能有關，而且對于本系統(tǒng)中的小電機而言，啟動速度更是很難把握。因此，PID控制需要在電機的速度穩(wěn)定后才開始調節(jié)。5.6.24:1衰減法的在線實時控制過程按照4.5