实践与经验 用 LabVIEW 演示 PID 控制规律 郝毫毫 (武汉工程大学电气信息学院, 武汉 430073) 摘 要: 利用虚拟仪器技术, 采用 LabVIEW 图形编程环境, 设计了一个程序, 用于演示 PID 控制规律, 可将其用于教学中, 以此为例说明 LabVIEW 对传统教学方法所带来的巨大变化。 关键词: LabVIEW; PID 控制规律; 教学方法改进 引 言 LabVIEW 是 一 个 功 能 完 整 的 软 件 开 发 环 境 , 同 时 也 是 一 种 功 能 强 大 的 编 程 语 言 。 一 方 面 , 由 于 LabVIEW 采用基于流程图的图形化编程方式, 对技 术人员来讲编程简单, 易于理解, 上手快, 效率高; 另 一方面, LabVIEW 提供了丰富完善的功能图标, 用户 只需直接调用, 就可免去自己编程的烦琐[1]。LabVIEW 作为一种业界领先的工业标准软件工具, 不仅可以用 于开发测试、测量和控制系统, 而且还 可用于理论教 学和实验教学中, 提高教学效率。 在“过程控制仪表与装置”课程教学过程中, 用传 统教学方法讲授调节器 PID 控制规律费时费力, 学生 的听课效果也不好。我们采用美国 NI 公司 的 Lab- VIEW 图形编程环境, 设计了一个 PID 控制规律演示 程序, 可以在多媒体教学过程中向学生演示 PID 控制 规律的阶跃响应, 可以在前面板上改动 比例度、积分 时间等参数, 使学生能够在屏幕上观察到这些参数对 控制结果的影响, 提高 同学们的学习兴趣, 提高教学 效果。 1 PI D 控制规律简单介绍 PID 控制规律是控制工程中技术成熟、应用广泛 的一种控制策略, 经过长期的工程实践, 已形成 了一 套完整的控制方法和典型的结构。它不仅适用于数学 模型已知的控制系统中, 而且对于大多数数学模型难 以 确 定 的 工 业 过 程 也 可 应 用 。PID 控 制 参 数 整 定 方 便, 结构改变灵活, 在众多工业过程 控制中取得了满 110 MODE R N COMP UTE R 2006.9 现 代 计 算 机 (总 第 二 四 三 期 ) 意的应用效果。 PID 控制, 就是对 偏 差 信 号 X 进 行 比 例 、积 分 和 微分运算变换后形成的一种控制规律。理想的 PID 作 用的微分方程为[2]: ) TI !Xdt +TD Y =Kp( X+ 1 dX dt 式中: Kp ———比例增益; TI ———积分时间; TD ———微分时间。 ( 1) 对应的传递函数为[2]: G( s ) =Kp( 1+ 1 TIs 具有 PID 控制规律的实际模拟控制器( 如 DDZ- +TD s ) ( 2) Ⅲ电动调节器) 的实际传递函数为[2]: G( s ) = Y( s ) X( s ) = Kp( 1+ 1 TIs 1 1+ TIKIs +TDs ) + TD KD s ( 3) 式中: KI ———积分增益; KD ———微分增益。 在阶跃输入信号作用下, 实际( 假设相互干扰 系 数接近于 1) PID 输出时间函数表达式为[2]: Y =Kp [1+( KI- 1) ( 1- e - 1 KITIs t ) +( KD - 1) e - KD DD t ]X ( 4) 2 用于显示 PI D 控制规律阶跃响应的 La bVI EW程序设计 ( 1) LabVIEW 程序设计简介[1] 使用 LabVIEW 开发平台编制的程序称为虚拟仪 

器程序, 简称为 VI。VI 包括三个部分: 程序前面板、框 图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入数 值和观察输出量, 用于模拟真实仪表的 前面板; 每一 个程序前面板都对应着一段框 图程序, 框图程序用 LabVIEW图形编程语言编写, 可以把它理解成传统程 序的源代码; 图标/连接器是子 VI 被其他 VI 调用的 接口。 ( 2) LabVIEW 程序的设计 我们采用的是 NI 公司最新版的 LabVIEW8.0 软 件 来 设 计 程 序 。首 先 打 开 LabVIEW8.0 新 建 一 个 VI 程 序, 在 前 面 板 上 右 击 鼠 标 , 从 弹 出 的 Controls 模 板 中 选 择 Graph》Waveform Graph, 标 注 为“PID 控 制 阶 跃响应”, 将曲线图例拉长至能显示六个图例, 分别标 注为输入偏差、PID 响应、P 响应、PI 响应、PD 响应, 并 分别选择线型和线条色彩。用同样的方法选择 五个 Numeric》Numeric Contral, 分 别 标 注 为 Ki、Kd、Kp、Ti 和 Td, 如图 1 所示。 图 1 LabVIEW 程序前面板 在前面板上点击 Window》Show Block Diagram,弹 出 程 序 框 图 。 在 流 程 图 中 放 置 一 个 For 循 环 ( Func- tions"Structures) , 在 For 循环中放置公式节点, 在公式 节点中输入以下输入和输出量的表达式: 输 入偏差 Ui( 阶跃信号) 、比例作用的阶跃响应 Ud、比例积分作 用的阶跃响应 Upi、比例微分作用的阶跃响应 Upd 和 比例积分微分作用的阶跃响应 Upid, 如图 2 所示。 3 PI D 控制的演示 打开设计好的 LabVIEW 程序, 在前面板上分别 设置比例增益 Kp、积分增益 Ki、微分增益 Kd、积分时 间 Ti 和微分时间 Td 的大小。各项参数设置好以后, 点击运行按钮就可以得到如图 3 所示的响应曲线。我 们在曲线图上可以观察到幅值为 1 的阶跃输入 信号 实践与经验 的 P、PI、PD 和 PID 响应, 各曲线可以选择不同的线型 和线条色彩。 图 2 LabVIEW 框图程序 图 3 PID 控制阶跃响应效果 在前面板上, 通过改变 PID 控 制 的 各 参 数 值 大 小, 可以让学生观察到各参数对 PID 控制的影响。比 如: 将微分时间 Kd 设为零, 就会发现 PID 和 PI 阶跃 响应曲线重合, 说明这时没有微分作用。另外, 图形显 示的数据还可写入电子表格中, 便于分析。 结 语 以上示例表明, 在课堂上用多媒体演示 PID 阶跃 响应的 LabVIEW 程序, 能够提高学生的学习兴趣, 加 深学生对 PID 控制规律的理解, 提高学习效率。 参考文献 [1]Gary W.Johnson, Richard Jennings. LabVIEW 图形编程. 北京: 北京大学出版社, 2002: 1~10 [2]周泽魁. 控制仪表与计算机控制装置. 北京: 化学工业出 版社, 2002: 20~29 ( 收稿日期: 2006- 06- 15) ( 英文摘要见下页) MODE R N COMP UTE R 2006.9 111 现 代 计 算 机 (总 第 二 四 三 期 ) 

实践与经验 ( 接上页) Demonstration of PID Controlling Regulation with LabVIEW Program HAO Hao- hao ( School of Electrical Information, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073 China) Abs tract: A program, which is designed based on LabVIEW, is used to demonstrate PID controlling regulation. It can make students learn PID controlling regulation easier. It explains that LabVIEW has brought great change to traditional teaching method. Key words : LabVIEW; PID Controlling Regulation; Improvement of Teaching Method !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ( 上接第 103 页) Application of Association Rules in Educational Administration OUYANG- Hui1 , WANG Yuan- gen2 , CHEN Qi- mai1 ( 1. School of Computer Science, South China Normal University, Guangzhou 510631 China; 2. Information Engineering Department, Zhongkai University of Agricalture and Technology, Guangzhou 510225 China) Abs tract: The paper tries to analyze the potential information among former students data with a model of association rules about data mining. Students data are discretized and the support grade and credibility are calculated by means of the Apriori algorithm to get some reasonable and reliable association rules about courses. With the use of this rules in daily teaching we can get enhancement in teaching process guidance and reasonable arrangement of curriculum. Key words : Association Rule; Apriori Algorithm; Data Mining 现 代 计 算 机 (总 第 二 四 三 期 ) 112 MODE R N COMP UTE R 2006.9