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汽車PID控制策略教學仿真平臺的開發(fā)

2018-10-20 18:40:40耿晴海
數(shù)碼設計 2018年12期
關鍵詞:PID控制

耿晴海

摘要:本文的主要研究內(nèi)容是針對汽車PID控制策略,基于LabView可視化G語言技術,搭建PID控制策略教學仿真平臺,旨在讓學生更加了解Kp,Ki,Kd值變化時曲線變化趨勢,提高學生學習興趣,加強理解過程,同時可以指導實際工程過程中PID的參數(shù)選擇。

關鍵詞:PID控制;仿真平臺;LabView

中圖分類號:U463.4

文獻標識碼:A

文章編號:1672 - 9129(2018)12 - 0115 - 01

引言:PID控制作為最為重要的控制方法,在實際汽車理論、電控教學過程中,學生較難理解PID的控制過程,無法直觀理解Kp,Ki,Kd等值變化時,對控制過程產(chǎn)生的影響,因此,開發(fā)一套PID控制策略教學仿真平臺,提高教學效率,加強學生認識,具有十分深刻的意義。

1 平臺設計

汽車PID控制策略教學仿真平臺主要分為四大模塊:參數(shù)輸入模塊、曲線動態(tài)顯示模塊、實際控制參數(shù)實時顯示模塊(即輸出模塊),以及用戶控制模塊。其中參數(shù)輸入模塊包括了PID三個最為重要的參數(shù)Kp,Ki,Kd輸入,以及控制的目標參數(shù)輸入。由于對實際的連續(xù)控制方程進行了離散化處理,因此還需要補充一個detaT,即離散后的時間間隔輸入。曲線動態(tài)顯示模塊主要是設置好的LaBView圖形結構控件。并設置雙軸為動態(tài)自動調(diào)整坐標范圍,滿足動態(tài)變化需求。因為圖像的實際值讀取不夠直觀,所以加入了輸出模塊,使其能夠動態(tài)顯示讀取值。然后是用戶控制模塊,用于仿真平臺的過程實時控制。主界面如下圖所示:

使用時,只需要預先輸入數(shù)據(jù),點擊啟動按鈕,就可以觀測PID的動態(tài)曲線圖,并且可以使用LaBView的子模塊在運行中對曲線進行數(shù)據(jù)存儲、坐標變換之類的操作。

2 仿真平臺PID控制算法

仿真平臺的PID控制算法主要是對PID控制微分方程的離散,該方程如下: u(l)=Kp[e(t)=l/Ti∫e(l)dl+Td×de(l)/dt]式中,u(t)為控制器輸出的控制量,e(t)為偏差信號,表征了給定量與輸出量之差,Kp為比例系數(shù),Ti為積分時間常數(shù),Td為微分時間常數(shù)。

該方程為控制方程的連續(xù)形式,實際工程應用時,需要將其進行離散化,使用迭代算法盡心演算,其離散的形式為: uk=KP×[ek+T/Ti×k∑j=0ej+Tdek-ek-1/T 其中T為采樣時間,這個公式為位置式公式,表征的是當前PID值的一種計算方式,如果將其轉(zhuǎn)換為增量式則有:

△Uk=Uk - Uk—1=Aek+Bek-1+Cek-2

最后根據(jù)上述方程,將其轉(zhuǎn)換為LabView的G語言的核心代碼為下圖所示:

3 結果分析

我們對該PID控制策略教學仿真平臺進行結果驗證,統(tǒng)一確定目標值為1,detaT為0.1,通過變化比較Kp、Ki、Kd進行驗證。下圖所示為Kp=0.1,Ki=0.1,Kd=0.1時實際值變化曲線而只將Kp提高道到0.4時,曲線變化規(guī)律如下圖所示:

可以發(fā)現(xiàn)由于比例系數(shù)的增大,會讓超調(diào)增多,同時震蕩變得劇烈,與實際PID控制相符。

而我們再設定PID為0.1,5,0.1時,曲線變化如下圖所示:

會發(fā)現(xiàn)Ki值的增大會導致偏離回復變慢,因此偏離回復變慢時,可以將PID的Ki調(diào)小,與實際PID控制相符。

然后我們再仿真PID各值為0.1,0.1,0.05,曲線變化如下圖所示:

可以看出,減小Kd值可以縮小震蕩頻率,讓數(shù)值更加穩(wěn)定地向目標調(diào)整,但是相應時間會比Kd較大時要慢。

因此可以看出,PID的具體參數(shù)選擇,需要根據(jù)實際系統(tǒng)輸入輸出變化關系進行參數(shù)確定與調(diào)試。實際系統(tǒng)更加復雜,輸入輸出有相應延遲,控制過程也會有外部的干擾加入,PID的控制變化會具有更多的震蕩特征。這一部分PID控制策略教學,可在該平臺的基礎功能上進行二次開發(fā)。實現(xiàn)更多的車用PID控制策略教學仿真目的。

4 結論

汽車PID控制策略實際教學過程中許多情形,都可以使用該仿真平臺進行模擬,讓學生對PID的控制與參數(shù)選擇有更加直觀的理解。同時,該平臺也可以幫助相關工作者PID參數(shù)選擇時起到輔助作用。由于該平臺只是涵蓋了初步框架和功能,許多子模塊和功能,比如信號干擾模擬,輸入輸出延遲模擬等等,還需進一步研究和開發(fā),希望該平臺能夠更加在逐步完善過程中,對汽車PID控制教學與工程輔助開發(fā)起到更大作用。

參考文獻:

[1]王芃,高震,董景新.一種物美價廉的基于LabVIEW的PID控制實驗裝置設計[J].實驗技術與管理,2014,( Ol):107 - 109.

[2]何春華,蔡志崗.基于LabVIEW的模糊PID控制系統(tǒng)[J].儀表技術,2010,( 07):57 - 59 +62.

[3]李揚,謝暉,陳侃.基于LabVIEW的PID控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].中國測試技術,2008,(03):74 - 76.

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