分数阶PID控制器在LabVIEW中的实现.pdf

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1、1502化工自动化及仪表第40卷分数阶PID控制器在LabVlEW中的实现郑永军邓博李赫(中国计量学院计量测试工程学院，杭州310018)摘要介绍了基于分数阶微积分基本理论和调用动态链接库技术实现在LabVIEW中使用分数阶PID控制器的方法。通过工程实例验证：该方法可以准确地描述分数阶PID控制器。关键词分数阶系统LabVIEW分数阶PID控制器动态链接库接口技术中图分类号TH865+．7文献标识码A文章编号1000-3932(2013)12-1502-05LabVIEW是目前应用最广的数据采集、数据分析和控制开发环境之一，主

2、要应用于仪器控制、数据采集、数据分析及数据显示等领域⋯，并适用于Windows9x／2000、WindowsNT、Macintosh及UNIX等多种不同的操作系统平台。LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图形式。最早的分数阶微积分概念是由德国数学家莱布尼茨于1695年提出来的，它的产生是随着整数阶微积分的发展而来的心1。传统意义上的整数阶微积分阶次被推广到了分数领域甚至是复数领域，所以传统整数阶微积分的概念被极大

3、地拓展了。而后一些科研人员从连续和离散的角度对分数阶微积分算子的近似方法进行了比较分析¨o，为分数阶控制系统的分析打下坚实的基础。分数阶PID(比例一积分一微分)控制器(P11Dp)较传统PID控制器而言，由于多出两个可调参数——积分阶次A和微分阶次肛，从而使得控制器更加灵活，鲁棒性更强HJ。目前分数阶系统已有在Simulink中实现的方法”。，通过LabVIEW的SIT工具箱可将Simulink模型封装成DLL文件供LabVIEW调用哺]，将其制作成子VI后，可搭建分数阶PID控制器模型，从而在LabVIEW环境中实现仿真。在

4、此，笔者介绍调用动态链接库技术，实现在LabVIEW中使用分数阶PID控制器的方法。1分数阶微积分和分数阶系统分数阶系统是建立在分数阶微积分和分数阶微分方程理论上的模型系统。分数阶微积分，指微分积分的阶次可以是任意的或者是分数的，扩展了整数阶微积分对自然现象的描述。整数阶微积分仅仅决定函数的局部特征，而分数阶微积分以加权的形式考虑了函数的整体信息，在很多方面应用分数阶微积分的数学模型，可以更准确地描述实际系统的动态响应，提高对于动态系统的设计、表征和控制的能力。连续分数阶微积分算子的定义为：嘉'Re(瑾)>o1，Re(a)=0(

5、1)J-p)～，Re(a)

6、方程，一般很难求出数值解，常采用近似法来描述系统，主要的近似法有连分式展开法、Carlson法、Matsuade法、Oust-aloup法及Chareff法等。其中近似效果较好的要属Oustaloup法。笔者提出用Simulink搭建仿真框图，直接求出分数阶非线性微积分方程的数值收稿日期：2013—11-01(修改稿)第12期郑永军等．分数阶PID控制器在LabVIEW中的实现解，并采用滤波器近似化方法对信号进行滤波处理。为了实现仿真的目的，笔者采用Oustaloup方法来求解分数阶系统。该方法的公式结构基于下面这种函数形式：Ⅳ

7、(s)=s7，rER；r∈[一1，1](4)给定近似频率范围(饥，‰)和近似阶次Ⅳ后，式(4)的整数阶有理传递函数表示为：J；f(。)：c。矗兰堕(5)^2一^5十∞★用以下公式来设置系统的零点、极点和增益：!：墨!!：!l!：：!“Ⅶ㈡2“11：型!!：!!!：：!旷ct，“(等)2“1co．㈡一。蜡to__2i(6)基于上述公式，用Simulink搭建仿真模型，封装成子系统。2动态链接库动态链接库(DynamicLinkLibrary，DLL)是一个代码和数据的库，库中资源可由多个程序同时使用，DLL是不可执行的文件。动态链

8、接提供了一种使进程能调用不属于其可执行代码的函数的方法。动态链接库中包含了所用函数的可执行代码和若干函数，这些函数是已经被编译的。DLL是基于Windows程序设计的一个重要组成部分，它由一系列封装好的可调用执行代码组成，其内部函数能被其他程序所共享。笔者采用N