如何使用LabVIEW和直流电动机的闭环控制

更新 Mar 18, 2021

环境

硬件

  • NI ELVIS
  • Quanser QNET DC Motor Control for NI ELVIS

软件

  • LabVIEW
  • LabVIEW Control Design and Simulation Module
  • LabVIEW MathScript Module

控制的概念对于理解自然系统和人为系统至关重要。由于控制是系统领域,因此要全面了解控制,有必要涵盖理论和应用。控制所需的技能包括控制系统的建模,控制设计,仿真,实现,调整和操作。本教程介绍了如何通过使用用于NI ELVIS的Quanser DC Motor插件板以及使用LabVIEW MathScript RT的LabVIEW控制设计和仿真,向学生教授这些概念。传统上,调整控制器需要多次迭代以及反复试验才能完美。但是,LabVIEW允许您实时调整控制器,然后通过与硬件的无缝集成直接进入验证。

在本教程结束时,您将能够:
  • 建模直流电动机
  • 设计闭环PI控制器
  • 在仿真中调整控制器
  • 用直流电动机实现您的控制器
下载示例程序,并按照下面的指南在LabVIEW中创建一个闭环控制程序。

第1步-建模

设计闭环控制器的第一步是识别工厂的数学表示或创建模型。可以对许多类型的系统进行建模,包括机械系统,电子电路,模拟和数字滤波器以及热力和流体系统。对于此实验,我们将为直流电动机创建一个模型。

直流电动机最好用传递函数表示。传递函数为系统的输入和输出如何关联提供了数学描述。在我们的情况下,输入到该系统是电压(V M)和来自系统的输出角速度(ΩM)。我们可以使用以下方程式表示直流电动机的模型,其中:

km =电机反电动势常数(V /(rad / s))
Rm =电机电枢电阻(欧姆)
Jeq =等效转动惯量(kg * m2)(假设Jeq = Jm(电机电枢转动惯量))


图1.直流电动机的数学模型或传递函数

该模型将用于设计闭环控制器,然后可以在实际电动机上对其进行测试。我们可以使用LabVIEW MathScript RT模块中的MathScript节点在LabVIEW中表示该传递函数。输入参数值是从Quanser QNET直流电动机规格表获得的。

图2. LabVIEW MathScript节点中表示的直流电动机的模型

可以在“编程” >>“结构”调板下找到“ MathScript”节点。

步骤2-控制设计

下一步是选择一种控制方法并设计一个控制器。在设计控制器时,最好全面了解工厂(在我们的情况下为直流电动机)。这种理解来自对专业图的分析,例如Bode,根轨迹和Nyquist图,这些图建立了植物行为方式的直觉。时域中的图形(例如阶跃响应)可立即提供有关系统理想行为的反馈,例如上升时间,超调,建立时间和稳态误差。


图3:闭环控制系统原理图

在本实验中,我们将使用LabVIEW控制设计和仿真模块为直流电机设计PI控制器。的模拟循环,它包括一个内置的ODE求解用于处理积分和微分项,可以在仿真下的控制设计和仿真调色板中找到。 “求和”,“增益”,“积分器”和“传递函数”块也可以在“控制” >>模拟” >>“信号算术模拟” >>“连续线性系统”的“控制设计和模拟”面板中找到。

图4:LabVIEW控制设计和仿真中的闭环PI控制器

步骤3-模拟

下一步是在修改设定值或所需速度输入时模拟直流电动机的响应。这将使我们能够调整控制器参数或增益,以提高系统的鲁棒性。我们需要将在步骤1中创建的直流电动机的传递函数或模型与闭环控制器相结合。


图5:具有直流电动机传递功能的闭环PI控制器

第4步-调整和验证

现在我们既可以模拟控制器也可以模拟直流电动机的响应,接下来可以按照迭代过程优化控制器。在验证系统性能的同时,我们将从LabVIEW前面板调整控制器参数。

图6:优化控制器的迭代过程

我们可以使用以下步骤来调整控制器参数:

    • 从设置为Kp = 1和Ki = 0的增益开始
    • 增加比例增益(Kp)以获得所需的上升时间
    • 如有必要,增加积分增益(Ki)以减少稳态误差

运行程序后,我们可以在波形图上看到所需的电动机速度和估计的电动机速度。当我们将比例增益kp设置为1时,上升时间看起来不错,但该图显示了少量的稳态误差,这由所需速度数据和估算速度数据之间的差距表示。我们可以通过增加积分增益ki来减少这种稳态误差。


图7:用比例(P)控制器模拟直流电动机的响应

如果将积分增益ki增加到10,则系统响应会好得多。


图8:使用比例积分(PI)控制器模拟直流电动机的响应

第5步-实施

现在,我们已经验证了PI控制器可以与模拟的直流电动机响应一起工作,我们可以实施最终控制系统并控制NI ELVIS的Quanser直流电动机插件板的速度。 LabVIEW控制设计和仿真模块可用于控制现实生活中的系统以及仿真模型。为了从仿真控制过渡到实际控制,工厂模型可以用硬件输入和输出功能代替。在这种情况下,我们将用控制实际电动机的数据采集(DAQ)输入和输出VI代替代表直流电动机的传递函数。


图9:通过将传递函数替换为硬件输入/输出块,从仿真迁移到实际硬件

将LabVIEW控制设计和仿真环与实际硬件一起使用时,时序是重要的考虑因素。由于“控制设计和仿真循环”使用带有时间步长的内置ODE求解器,因此将循环的“仿真参数”和“时序参数”设置为具有相同的时间步长非常重要。数据采集任务通常使用时序参数,因此将仿真循环时序与数据采集时序等同起来也很重要。

现在,我们可以运行LabVIEW程序,并从LabVIEW前面板控制Quanser DC Motor的速度。


图10:使用我们的PI闭环控制器的实际Quanser直流电动机的响应

1.解决方案框图VI片段

右键单击上述VI片段,然后选择“将图像另存为... ”,在硬盘上找到该文件,然后将文件图标单击并拖动到LabVIEW程序框图上。 LabVIEW将从VI片段自动生成代码。 单击此处以获取有关VI片段的更多信息。

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