如何使用LabVIEW和NI myRIO實現(xiàn)PID控制器

在本系列中，我們將討論如何使用 LabVIEW 和一個愛好直流伺服電機來實現(xiàn)一個簡單的 PID 控制器。我們通過移除其內部控制器并用 myRIO 接口替換它來定制伺服。

這是我們以定制伺服電機為基礎的第二篇文章，專門關注 PID 控制器的編程。您需要按照本系列的第一部分（討論項目的硬件）來實施下面顯示的步驟。

LabVIEW

LabVIEW 是由 National Instruments 開發(fā)的圖形化編程語言。該語言的最大好處之一是可供它使用的大量工具包、模塊和庫。使用這些，您可以為眾多工程和研究項目快速開發(fā)最復雜的應用程序。

這個實驗也不例外。我們將完全控制 NI LabVIEW PID 和模糊邏輯工具包，而不是完全從頭開始編寫 PID 控制器。使用軟件包附帶的常規(guī)“PID.VI”，我們將能夠更快地解決繞過原始伺服控制器的挑戰(zhàn)。

本教程無意涵蓋 PID 的基本理論細節(jié)。相反，它將向您展示如何實現(xiàn)一個簡單的 PID 控制器。

要求

要遵循，您應該有以下可用和/或安裝：

NI myRIO 嵌入式硬件設備

NI myRIO 擴展端口 （MXP） 原型板附件（預裝 myRIO）

現(xiàn)在應該連接到 Protoboard 附件的定制伺服電機

NI LabVIEW

NI LabVIEW PID 和模糊邏輯工具包

在本教程中，我使用 NI LabVIEW 2014 版對安裝了 NI LabVIEW PID 和 Fuzzy Logic Toolkit 的 NI myRIO 設備進行編程。如果您仍然是學生，您應該能夠從您的大學獲得所有軟件和相關許可證。

伺服控制——理論與實踐

之前，我們解釋了如何控制伺服以及我們如何繞過設備的內部控制器來控制速度而不是位置。我們說過這些設備接受脈寬調制 （PWM） 信號（圖 1）并遵循標準 RC 愛好伺服協(xié)議。

圖 1：通過 PWM 進行簡單的伺服控制

根據(jù)該標準協(xié)議，常規(guī)伺服系統(tǒng)將以 1000 μs 的脈沖長度 （T ON ） 移動到其最左側位置，以 2000 μs 移動到最右側位置，并在 1500 μs 時停留在中間位置（表 1）。

表 1：標準伺服行為

定制后，它應該以 1000 μs 向左移動最快，以 2000 μs 向右移動，并在 1500 μs 時保持靜止（表 2）。請注意，這些假設假設刷新率為 50 Hz。

表 2：定制后的伺服行為

然而，在實踐中，這些值可能會有很大的變化，尤其是對于我們在本教程中使用的預算伺服系統(tǒng)。

因此，我們將憑經(jīng)驗確定中心位置，我們自己，然后為順時針和逆時針行程添加任意正負偏移。

軟件

創(chuàng)建 LabVIEW 項目

首先，讓我們創(chuàng)建一個LabVIEW項目。啟動LabVIEW，在初始屏幕上，選擇“創(chuàng)建項目”（或者，您可以轉到文件》》創(chuàng)建項目）。

在新的彈出窗口中，選擇“myRIO Project”并單擊“Next”。

圖 2：創(chuàng)建 myRIO 項目——第 1 步

然后給項目起個名字。我把我的簡稱為“PID”。

最后，確保已插入并找到 myRIO，此時您可以單擊“完成”。

圖 3：創(chuàng)建 myRIO 項目——第 2 步

創(chuàng)建一個新VI

然后，在 myRIO 目標下創(chuàng)建一個名為“PID Controller.VI”的新 VI，如圖 4 所示。您可以忽略甚至刪除“Main.VI”——它是默認創(chuàng)建的，作為在下創(chuàng)建的每個 myRIO 項目的示例這個模板。

圖 4：在 myRIO 上創(chuàng)建一個新 VI

打開新 VI 并切換到程序框圖窗口。創(chuàng)建一個帶有相關停止按鈕的 while 循環(huán)。我們將在這里放置所有需要連續(xù)執(zhí)行的代碼。

圖 5：帶有停止按鈕的 While 循環(huán)

接下來，使用 Quick Drop （CTRL+Space） 或從 myRIO 函數(shù)面板中選擇函數(shù)，添加“Analog Input” express VI，如圖 6 所示。

在配置彈出窗口中，確保選擇的通道為“A/AI0 （Pin 3）”并為通道命名。我將其稱為“反饋”，因為使用此功能塊，我們將從內部伺服電位器讀取我們的位置值。

然后單擊“確定”并將 express VI 放入 while 循環(huán)中。

圖 6：添加模擬輸入功能。

同樣，讓我們??創(chuàng)建一個 PWM 輸出，以便我們可以控制伺服速度。同樣，使用 Quick Drop 或函數(shù)選板，添加一個名為“PWM”的快速 VI（圖 7）。

對于您的通道，選擇“A/PWM0（引腳 27）”。將頻率設置為 50 Hz（通過“設置常數(shù)”選項）并在“占空比”下選擇“使用 Express VI 的輸入設置”。

圖 7：添加 PWM 功能

然后單擊“確定”并將塊放入while循環(huán)中。您應該有一個類似于圖 8 中所示的布局。

圖 8：向 while 循環(huán)添加模擬輸入和脈寬調制 （PWM） 功能。

確定伺服的中心位置

接下來，我們的目標是確定伺服的中心位置。為此，請為“占空比”輸入創(chuàng)建一個控件。

您也可以為“反饋”創(chuàng)建一個指標，這樣您就可以觀察電位計的值（范圍在 0 到 5 之間，但正如我們稍后將看到的，將這些值轉換為不同的范圍很簡單）。我們還將使用“等待”功能添加一些時間?？驁D如圖9所示；Wait 函數(shù)顯示為手表，附加的常數(shù) 10 表示我們有 10 ms 的延遲。

圖 9：添加控件、指示器和計時。

從理論上講，我們的占空比將介于 1 ms 和 2 ms 的脈沖寬度之間，其中 1.5 ms 是停止伺服的值（零速度）。我們的 50 Hz 信號的周期為 20 ms，因此這些脈沖寬度對應于 0.05、0.10 和 0.075 的占空比。

在實踐中，產生零速度的實際脈沖寬度可能與理論值不同。要找到實際值，請在占空比設置為 0.075 的情況下運行 VI，然后對其進行調整，直到伺服不旋轉。在我的例子中，實際值為 0.058（圖 10）。

圖 10： 中心查找代碼的前面板（前面板）。

添加任意偏移量

接下來，我們將向該中心值添加任意速度控制偏移。

我選擇了 0.012 的偏移量。這意味著順時針方向的最大角速度對應于 0.046 （0.058 - 0.012） 的占空比，類似地，逆時針方向的最大角速度對應于 0.070 （0.058 + 0.012）。這些映射如表 3 所示。

表 3：速度映射

任何中間值都代表給定方向上最大角速度的一小部分。例如，對于以最大速度的一半逆時針旋轉，控制器需要將占空比設置為 0.058 + （0.012/2） = 0.064。

PID控制器實現(xiàn)

一旦我們確定了中間位置，我們就可以最終實現(xiàn) PID 控制器。使用 Quick Drop 或函數(shù)選板，從 LabVIEW PID 和 Fuzzy Logic 工具包中添加“PID.vi”。

為設定點輸入創(chuàng)建一個控件；設定點是我們希望輸出具有的值（在這個系統(tǒng)中，旋轉速度）。

我們還可以為 PID 增益和輸出范圍創(chuàng)建控制（暫時保持這些不變）。

您現(xiàn)在應該有一個類似于圖 11 所示的 VI。

圖 11：添加 PID 控制。

我們需要確保我們的設定點、輸出和反饋在適當?shù)闹捣秶鷥茸兓?/p>

我們的輸出范圍設置為在 -100 和 100 之間變化（圖 11），因此讓我們將相同的范圍應用于反饋。反饋最初在 0 到 5 的范圍內，因此我們需要縮放這些值（表 4）。

表4：反饋映射表；0 應該映射到 -100，而 5 應該映射到 100。

通過對反饋值應用斜率（用 A 表示）和偏移量（用 B 表示）來實現(xiàn)縮放。我們可以通過求解以下兩個聯(lián)立方程找到所需的斜率和偏移量：

圖 12：求解將反饋值縮放到 -100 到 100 范圍所需的斜率 （A） 和偏移量 （B）。

縮放反饋和輸出

下圖顯示了我們如何將斜率和偏移量合并到 VI 中。

圖 13：縮放反饋值。

根據(jù)我們之前確定的占空比值，我們還必須縮放在 -100 和 100 之間變化的輸出：

表 5：輸出（占空比）映射表。

圖 14：求解將輸出值縮放到 0.046 到 0.070 范圍所需的斜率 （A） 和偏移量 （B）。

下圖顯示了我們如何將輸出縮放合并到 VI 中。

圖 15：該項目的最終 VI。

概括

如果您已逐步按照教程進行操作，那么您已經(jīng)成功實現(xiàn)了伺服的 PID 控制器，繞過了原來的伺服控制電路。

如果您現(xiàn)在切換到 VI 的前面板，您可以獨立調整所有三個 PID 增益并使用“Setpoint”控件控制伺服。更改增益允許您調整 PID 控制器，從而獲得更好的伺服性能。

另外，請注意，我已將界面更改為滑塊，如下圖 16 所示，以便以更自然的方式移動伺服。

圖 16：該項目最終 VI 的前面板。

您也可以通過右鍵單擊數(shù)字控件并選擇“替換》》數(shù)字》》水平指針幻燈片”來執(zhí)行此操作。

恭喜您使用 LabVIEW 和 NI myRIO 實現(xiàn)了 PID 控制器！