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　　2、根据电极的多少扩展I/O口;

　　3、根据采样的信号的多少，范围，干扰强弱选择A/D和D/A等输入输出器件,如是应用12位的或8位内置的多路转换器还是外置的等;

　　4、外围器件选择：

电源，调制电路，隔离放大器，数码显示，液晶显示，滤波器等系统要求的器件;

　　5、软件选择：

如汇编，C51等;

[3]

（二）这样的电路从在很多的缺陷：

　　1、因为受单片机CPU时钟信号的限制，它的频率不高，一般只有40kh，因此采样的速度慢，如果对采样的速度要求和高，这样的系统很难满足要求;

　　2、可扩展的ROM/RAM最大只有64K;

　　3、编程语言为汇编或是C51，这种语言要经过一定的时间的学习，锻炼，掌握了一定的知识结构才能够完成，对于一般从事数学，教学，测量，仪器仪表等的研究的科技人员是很不必要的，而且要便一个很好的程序难度很大，对一个中大的科研项目用这样的开发是很有必要的，但是如果只是一个很小的试验目的，作这样的事情既非时间又费精力;

　　4、一旦硬件连接好了就很难改变,没有灵活性.

图1一般最小应用系统

Fig.1Normalminimalsystem

　　一种用动控制系统单片机原理图如下（图2）:

图2单片机控制步进电机

Fig.2Singlechipcontrolstepmotor

三.LabView对步进电机的控制系统：

　　虚拟仪器是通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器,而不是某几种仪器.例如激励信号可先由微机产生数字信号,再经D/A变换产生所需的各种模拟信号,一块DAQ卡可以完成A/D转换、D/A转换、数字输入输出、记数器/定时器等多种功能,再配以相应的信号调理电路组件,即可构成能生成各种虚拟仪器的硬件平台，现在的虚拟仪器硬件系统还扩展了和各种仪器的接口，例如BG、VXI总线仪器、PC总线仪器以及带有RS-232接口的仪器或仪器卡,虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处,就在于应用的灵活性上.虚拟仪器是用户自己定义的,用户可以将各种计算机平台、硬件、软件和附备件结合起来,组装成所需要的应用设备。

它的界面和功能与真的仪器十分相似，一个LabView程序有交互式用户接口，数据流框图，和图表连接端口组成，各部分的功能如下：

　　1、前面板可以包含旋钮，刻度盘，开关，图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果;

LabView程序从数据流框图接受指令;

LabView程序模块化特征。

一个vi既可以作为上层的独立程序，也可以作为其他程序的子程序。

当一个LabView程序作为子程序，称为subvi。

LabView程序图表和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可以在LabView程序和subvi之间传递数据。

　　2、每块运动控制卡可以控制四个步进电极,可以采取开环或闭环,可以控制加速度和减速度,可以是速度控制,位置控制,或者是以一步为单位进行控制,方便灵活.

　　3、要控制多于四块的运动控制卡只需要多插一块运动控制卡

　　4、用于不同的控制用途只要改变一下控制框图即可.

　　正是因为上述的原因，LabView最佳的实现了模块化编程思想，用户可以根据自己的需要选择系统配置，它的硬件配置如下（图3）：

图3LabView硬件配置

Fig.3LabViewhardwareconfigure

（一）用LabView实现用动控制过程（以一个步进电机为列）:

　　1、作前面板（图4）：

图4前面板

Fig.4FrontPanel

　　AxisorVectorSpace:

轴或三坐标空间PositionMode:

控制方式

　　BoardID：

板卡号LoopMode：

开环或闭环

　　TarqetPosition：

距离LimitType：

限位开关

　　StopType：

停止时减速Stop：

停止

　　2、相应的框图程序（图5）:

图5框图程序

Fig.5BlockDiagram

　　1.确定板卡号及是否要限位2.位置控制方式即通过移动的距离控制步进电机

　　3.开环控制，步进电机是2000Counts/r，不需要反馈4.给定速度，移动的距离

　　5.等待运动结束，复位到坐标原点6.移动过程中的错误处理

四、总结:

　　由于虚拟仪器是以PC为基础的,不需要用户更多的经济投入!

经济的发展规律告诉我们,在我国这样一个发展中国家,推广虚拟仪器就显得更加必要:

更低的花费,更高的效率.虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧有的传统测量设备,接受更新型、以PC为基础的虚拟仪器系统.由于计算机的性能价格比的不断改进,使得虚拟仪器的价格更为大众所接受,有了虚拟仪器这个解决方案,用户可以降低成本、减少系统开发费用和系统维护费用!

　　1、用于测量和测试：

LabView以成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB，VXI串行设备和插卡式数据采集卡可以构成实际的控制系统;

　　2、用于过程控制和工业自动化：

它提供了强大的硬件驱动，图形显示功能和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案;

　　3、应用于实验室和自动化：

它为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计，估计，回归分析，线性代数，信号生成算法，时域和频域算法等众多的科学领域，可满足各种计算和分析需要。

即使在联合时域分析，小波和滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabView也为此提供了钻模的附加软件包。

　　4、应用于教学:

LabView在学校得到了更为广泛的应用,在教学的过程中可以实行连网,从而使个人计算机显示器可以充当仪器的面板,它的通用性和灵活性得到了全面的体现,既是教学变得容易,又节约了资金和维护硬件的繁琐.

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工业仪表与自动化装置2005年第1期

基于LabVIEW步进电机PID控制系统的设计

陈东，姚成法

关键词：

步进电机；

LabVIEW；

PID控制

（以下文章为图片形式，如看不清，可点击右键属性下载放大查阅）

PID算法

　　PID算法

　　下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。

　　控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：

增量式算法，位置式算法，微分先行。

这三种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

　　1）PID增量式算法

　　离散化公式：

　　注：

各符号含义如下

　　u（t）;

;

控制器的输出值。

　　e（t）;

控制器输入与设定值之间的误差。

　　Kp;

比例系数。

　　Ti;

积分时间常数。

　　Td;

微分时间常数。

　　T;

调节周期。

　　对于增量式算法，可以选择的功能有：

（1）滤波的选择

　　可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。

（2）系统的动态过程加速

　　在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：

如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。

　　由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。

但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。

　　为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e（t）|<

β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e（t）|>

=β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e（t）-e（t-1）|，其符号与积分项一致。

利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。

　　（3）PID增量算法的饱和作用及其抑制

　　在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。

　　纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。

　　2）PID位置算法

　　离散公式：

　　;

=

　　对于位置式算法，可以选择的功能有：

　　a、滤波：

同上为一阶惯性滤波

　　b、饱和作用抑制：

（1）遇限削弱积分法

　　一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。

具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。

（2）积分分离法

　　在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。

特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。

为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；

当偏差较小时才将积分作用投入。

　　另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。

若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。

　　Δu（t）=q0e（t）+q1e（t-1）+q2e（t-2）

　　当|e（t）|≤β时

　　q0=Kp（1+T/Ti+Td/T）

　　q1=-Kp（1+2Td/T）

　　q2=KpTd/T

　　当|e（t）|＞β时

　　q0=Kp（1+Td/T）

　　u（t）=u（t-1）+Δu（t）

　　β;

积分分离阈值

　　（3）有效偏差法

　　当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。

因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。

　　如果实际实现的控制量为U=U（上限值或下限值），则有效偏差可以逆推出，即：

　　=

　　然后，由该值计算积分项

　　3）微分先行PID算法

　　当控制系统的给定值发生阶跃时，微分作用将导致输出值大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。

因此在微分项中不考虑给定值，只对被控量（控制器输入值）进行微分。

微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。

公式如下：

　　参数说明同上

　　对于纯滞后对象的补偿

　　控制点采用了Smith预测器，使控制对象与补偿环节一起构成一个简单的惯性环节。

　　PID参数整定

（1）比例系数Ｋｃ对系统性能的影响：

　　比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。

Ｋｃ偏大，振荡次数加多，调节时间加长。

Ｋｃ太大时，系统会趋于不稳定。

Ｋｃ太小，又会使系统的动作缓慢。

Ｋｃ可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。

如果Ｋｃ的符号选择不当对象状态（pv值）就会离控制目标的状态（sv值）越来越远，如果出现这样的情况Ｋｃ的符号就一定要取反。

（2）积分控制Ｔｉ对系统性能的影响：

　　积分作用使系统的稳定性下降，Ｔｉ小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

　　（3）微分控制Ｔｄ对系统性能的影响：

　　微分作用可以改善动态特性，Ｔｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。

Ｔｄ偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。

只有Ｔｄ合适，才能使超调量较小，减短调节时间。