提升自動化系統(tǒng)的控制性能

提升自動化系統(tǒng)的控制性能工業(yè)控制系統(tǒng)的重要性控制閥當機造成的損失$880/年pH值控制循環(huán)不良造成的化學品浪費$50,000/月不良爐溫控制系統(tǒng)導致的損失$30,000/月控制算法的應用PID不能夠滿足所有控制需求基于模型的控制<1%手動控制PID控制PID控制需要手動調節(jié)參數(shù)議程PID算法概述提高控制算法的性能提升硬件性能升級PID算法高級控制算法小結PID算法概述設定點(SP)–設定值輸出(OP)–控制信號過程變量(PV)–實際值控制誤差=SP-PVSPOPPVerrorPID參數(shù)比例快速調節(jié)到設定點

Error→0,OP→0存在“穩(wěn)態(tài)誤差”積分消除穩(wěn)態(tài)誤差OP正比于誤差的積分微分加快響應速度OP正比于誤差的變化率溫度控制系統(tǒng)溫度設定值PID控制器加熱器輸出測量的溫度值溫控室溫度傳感器-+Error50oC40oC10oC62%冷空氣LabVIEW前面板PID工具NI軟硬件平臺NI9474NI9211LabVIEW下的PID編程SPOPPVWindows/實時操作系統(tǒng)控制模型和系統(tǒng)仿真FPGAIEC61131-3功能塊PID控制利與弊優(yōu)勢成熟的控制算法易于實現(xiàn)劣勢參數(shù)整定比較困難不適用于非線性、時變系統(tǒng)受外部干擾影響大議程PID算法概述提高控制算法的性能提升硬件性能升級PID算法高級控制算法小結更高的控制速率循環(huán)速率越高控制精度越好如何提升控制速率？硬件板卡采樣率和刷新率CompactRIO平臺800k/sPXI平臺>200M/s處理器的解算速度Windows ms級實時系統(tǒng) μs級FPGA硬件 ns級實時系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的確定性能循環(huán)速率軟件誤差10-100Hz極大高達50kHz確定通用操作系統(tǒng)很多不相關程序在后臺運行屏保，磁盤工具，防毒軟件必須處理來自外圍設備的中斷鼠標，鍵盤等等實時操作系統(tǒng)時序安排系統(tǒng)保證高優(yōu)先級任務最先執(zhí)行沒有外圍設備中斷控制代碼更高的確定性，更快的控制速率LabVIEWFPGA下的PID算法單PID循環(huán) ~200kHz 4個并行的PID循環(huán)~200kHz基于FPGA的控制算法600Hz200kHz>1MHz100Hz臺式電腦Windows系統(tǒng)CompactFieldpoint實時系統(tǒng)CompactRIO實時系統(tǒng)+FPGA不同處理器下PID循環(huán)速率PXI實時系統(tǒng)+帶FPGA的R系列采集卡發(fā)送500kHz正弦波到鋸條

測量從鋸條讀回的正弦波，判斷幅度制動電機NICompactRIOPAC平臺NI運動控制卡高速電鋸制動系統(tǒng)高速電鋸制動系統(tǒng)目的：高速電鋸制動系統(tǒng)，防止誤傷工人方法：LabVIEW圖形化軟件開發(fā)程序，下載到CompactRIO平臺原理：發(fā)送50kHz正弦波到鋸片上并采集回來。木頭電容較小，電壓不會變化。人體電容較大，當接觸到電鋸時電容造成電壓變化，CompactRIO監(jiān)測到變化啟動急停電機，從而完成保護作用。系統(tǒng)要點：LabVIEW在PC上進行開發(fā)，通過網線下載到CompactRIOPAC系統(tǒng)CompactRIO集成了實時操作系統(tǒng)與FPGA保證確定性以及高可靠性方便地集成運動控制板卡議程PID算法概述提高控制算法的性能提升硬件性能升級PID算法高級控制算法小結改進的PID算法提升控制系統(tǒng)性能外部干擾

增益非線性

時變系統(tǒng)

添加前饋

增益調度自適應PID增益調度實際系統(tǒng)都是非線性的用線性增益來仿真PID1PID2PID3Applicationandmoethod增益調度用于根據(jù)PV值實時更改增益值可以實現(xiàn)無擾動切換PID增益調度VI增益值DEMOPID工具包自適應PID實時的系統(tǒng)辨識+常用PID控制適合用于時變系統(tǒng)DEMO系統(tǒng)辨識工具包控制設計工具包控制設計工具包系統(tǒng)辨識工具包仿真模型Mathscript節(jié)點仿真接口工具包狀態(tài)圖工具設計工具建模與仿真工具LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境建模：系統(tǒng)辨識及建模設計：控制系統(tǒng)的設計分析：波特圖,零極點圖,Nyquist圖，根軌跡圖仿真：連續(xù)時間仿真用于建模、設計和仿真的LabVIEW平臺BJq高速液壓控制應用壓鑄機制造挑戰(zhàn)液壓缸的高級非線性控制高速：10m/s解決方案采用CompactRIO實現(xiàn)FPGAPID控制前饋以及增益調度系統(tǒng)辨識結果控制設計在3周內完成“采用NI的軟硬件平臺，我們得以在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)完整的控制設計流程，大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)時間”

——PaoloCatterina,軟件開發(fā)工程師EUROelectronicssrl–ITALY議程PID算法概述提高控制算法的性能提升硬件性能升級PID算法高級控制算法小結控制設計—LabVIEW下的高級控制算法最優(yōu)控制調節(jié)算法(LQR,LQG)基于模型可預測的控制(MPC)卡爾曼濾波器模糊邏輯控制神經網絡遺傳算法無模型自適應算法(MFA)NI提供的算法工具包第三方提供的算法工具包車速控制算法比較V為車速，u為供給引擎的燃料量控制算法控制u以改變車速V車速控制算法比較PID–反饋PID算法

模型可預測算法MPC燃料供給變化速度變化燃料供給變化速度變化MPC控制算法實例1.獲取溫度系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)2.建模與驗證（控制設計與仿真工具包）3.MPC控制設計（控制設計與仿真工具包）DEMO當SP變化時，PID