計算機(jī)控制技術(shù)論文數(shù)字PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

1、華東交通大學(xué)理工學(xué)院Institute of Technology. EastChinaJiaotongUniversity計算機(jī)控制技術(shù)論文題目數(shù)字PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分院：電信分院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：目 錄一、摘要1. 系統(tǒng)簡介2. MATLAB簡介二、系統(tǒng)設(shè)計1.系統(tǒng)概述2.直流電機(jī)的速度控制方案3. 速度設(shè)定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取4. 非線性變速積分的PID算法 4.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn)4.2 經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象 4.3 變速積分的PID算法4.4 非線性變速積分的PID算法5. 計算機(jī)控制仿真及分析5.1實驗仿真步驟以及理論分析

2、： 5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)論以及分析三、總結(jié)四、參考文獻(xiàn)摘要系統(tǒng)簡介 數(shù)字PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它主要包括有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型。而各種系統(tǒng)又往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此選用PID控制器作為轉(zhuǎn)速控制器是本系統(tǒng)的重要措施。直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），它相比于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)

3、性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。在分析了直流電機(jī)閉環(huán)速度控制方案的基礎(chǔ)上,針對PID算法在直流電機(jī)應(yīng)用中出現(xiàn)的種種問題,給出了相應(yīng)的解決方法，提出了非線性變速積分PID算法,成功地解決了在低采樣周期時PID算法的積分飽和問題。 本課程設(shè)計為V-M雙閉環(huán)不可控直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，報告首先根據(jù)設(shè)計要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，然后對電路各元件進(jìn)行參數(shù)計算，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護(hù)電路以及電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定。進(jìn)而對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有一個全面、深刻的了解。 MATLAB簡介 在1980年前后，美國的Cleve博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級語言

4、編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實驗室），它是集命令翻譯，科學(xué)計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。MATLABSGI由美國MathWorks公司開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個工程領(lǐng)域，并且不斷加以完善。本文通過對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測速電機(jī)等模

5、塊的理論分析，比較開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理論去設(shè)計一個實際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進(jìn)行正確性的驗證。 系 統(tǒng) 設(shè) 計 1.系統(tǒng)概述 直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用PI調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速單環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)

6、速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，盡量縮短起制動過程時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速是立即使電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為此需引入電流負(fù)反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。 圖1單環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，

7、再利用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器，即三相集成觸發(fā)器。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，即設(shè)計成帶轉(zhuǎn)速微分的負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)放的倒相作用。 系統(tǒng)先進(jìn)行信號采集再進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換,然后再通過給定和同步信號(由電源的過零點進(jìn)行同步)使單片機(jī)送出脈沖來控制觸發(fā)電路,控制整流電路輸出,驅(qū)動電動機(jī)工作,再由檢測電路帶回實際轉(zhuǎn)速給單片機(jī),讓單片機(jī)根據(jù)實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較、放大及P ID運(yùn)算等操作,從而控制整流電路角的大小,進(jìn)而改變電機(jī)電樞

8、電壓的大小,達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。并且可由單片機(jī)驅(qū)動顯示電路。 2.直流電機(jī)的速度控制方案 對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比,速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比,其性能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時,閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（ 額定負(fù)載時電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多;當(dāng)要求的靜差率相同時, 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。直流電機(jī)的速度控制方案如圖1所示。 直流電機(jī)速度控制方案 直流電機(jī)控制器可采用電機(jī)控制專用DSP，也可采用單片機(jī)直流電機(jī)控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計簡單，運(yùn)算速度快

9、，可實現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法，但由于DSP的價格高而不適合于小功率低成本的直流電機(jī)控制器。后者雖然運(yùn)算速度低，但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴?，依然可以達(dá)到較高的控制精度，適合于小功率低成本的直流電機(jī)控制器。 閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制（簡稱PID控制），其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。 PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計、調(diào)試直流電機(jī)控制器的過程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限 積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對

10、PID控制算法加以改進(jìn)，關(guān)系到整個直流電機(jī)控制器設(shè)計的成敗。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為 u(t)=kp(e(t)+1/Tie(t)dt+Td*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)其中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)。 3.速度設(shè)定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取 為在單片機(jī)中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得到電機(jī)速度設(shè)定值（通過AD變換器）和電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，這需要通過精心的設(shè)計才能完成。 直流電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速可通過

11、測量轉(zhuǎn)子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號得到，在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，圖2：霍爾傳感器信號由圖2可知,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波,且其周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度, 則電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速為但由于利用霍爾傳感器信號測速，所以測量電機(jī)轉(zhuǎn)速時的采樣周期是變化的，低速時采樣周期要長些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出，導(dǎo)致電機(jī)低速時的動態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號，這樣可縮短一次速度采樣的時間，但得增加額外的硬件開

12、銷。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行，但這種測速方法對霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上的定位有較嚴(yán)格的要求，當(dāng)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上定位有誤差時，相鄰2個正脈沖的寬度不一致，會導(dǎo)致較大的測速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對測速精度要求較高時，可采用增量式光電碼盤，但同樣會增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開銷。 電機(jī)速度設(shè)定值可以通過一定范圍內(nèi)的電壓來表示。系統(tǒng)中采用了串行AD（如ADS7818）來實現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機(jī)調(diào)速的過程中，電機(jī)控制器的功率輸出部分會對AD模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進(jìn)行抗干擾處理。 4.非線性變速積分的PID算法 4.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn) 離散形式的PID表

13、達(dá)式為： 其中：KP,KI,KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù);E（k）,E（k1）分別為第k次和k1次時的期望偏差值;P（k）為第k次時調(diào)節(jié)器的輸出。比例環(huán)節(jié)的作用是對信號的偏差瞬間做出反應(yīng),KP越大,控制作用越強(qiáng),但過大的KP會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用雖然可以消除靜態(tài)誤差,但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度,增加系統(tǒng)的超調(diào)量,甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩,減小KI可以降低系統(tǒng)的超調(diào)量,但會減慢系統(tǒng)的響應(yīng)過程。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化,有助于減小超調(diào)量,克服振蕩,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,但其對干擾敏感,不利于系統(tǒng)的魯棒性。4.2 經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變

14、,或電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時,會引起偏差的階躍,使E（k）增大,PID的輸出P（k）將急劇增加或減小,以至于超過控制量的上下限Pmax,此時的實際控制量只能限制在Pmax, 電機(jī)的轉(zhuǎn)速M(fèi)（k）雖然不斷上升,但由于控制量受到限制,其增長的速度減慢,偏差E（k）將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在較大的偏差值,從而使得 PID算式中的積分項不斷地得到累積。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值后,開始出現(xiàn)負(fù)的偏差,但由于積分項已有相當(dāng)大的累積值,還要經(jīng)過相當(dāng)一段時間后控制量才能脫離飽和區(qū),這就是正向積分飽和,反向積分飽和與此類似。解決的辦法：一是縮短PID的采樣周期（這一點單片機(jī)往往達(dá)不到）,整定合適的PID參數(shù);二是對

15、 PID算法進(jìn)行改進(jìn),可以采用非線性變速積分PID算法。4.3 變速積分的PID算法 變速積分PID算法的基本思想是改變積分項的累加速度,使其與偏差的大小相適應(yīng)。偏差大時,減弱積分作用,而在偏差較小時則應(yīng)加強(qiáng)積分作用,為：這時PID算法可改進(jìn)為：f的值在01區(qū)間變化,當(dāng)偏差大于AB時,證明此時已進(jìn)入飽和區(qū),這時f0,不再進(jìn)行積分項的累加;E（k）AB時,f隨偏差的減小而增大,累加速度加快,直至偏差小于B后,累加速度達(dá)到最大值1。實際中A,B的值可做一次性整定,當(dāng)A,B的值選得越大,變速積分對積分飽和抑制作用就越弱,反之越強(qiáng)。筆者的經(jīng)驗：取A30E（k）MAX,B20E（k）MAX為宜。4.4

16、非線性變速積分的PID算法 變速積分用比例作用消除了大偏差,用積分作用消除小偏差,大部分情況下可基本消除積分飽和現(xiàn)象,同時大大減小了超調(diào)量,容易使系統(tǒng)穩(wěn)定,改善了調(diào)節(jié)品質(zhì),但對于在大范圍突然變化時產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象仍不能很好地消除,這時可采用非線性變速積分的PID算法。 非線性變速積分的PID算法的基本思想是將PID調(diào)節(jié)器輸出限定在有效的范圍內(nèi),避免P（k）超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作范圍而產(chǎn)生飽和。流程圖5.計算機(jī)控制仿真及分析 5.1實驗仿真步驟以及理論分析：啟動MATLAB窗口，在其窗口的工具欄中，單擊Simulink的快捷啟動按鈕啟動。 建立一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，打開一個標(biāo)題為“Untitled”

17、的空白模型編輯窗口。 分別查找信號源模塊庫（Source），數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊（Math Operations）,聯(lián)系系統(tǒng)模塊（Conutinuous）和接受模塊（Sinks），把求和模塊（Sum）,傳遞函數(shù)模塊（Trancefer Fun）和示波器（Scope）復(fù)制到Untitled窗口，然后連線，建立下圖的系統(tǒng)模型 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)節(jié)PID器的PID參數(shù)，通過示波器觀察波形，調(diào)節(jié)直到最佳。得到下面的圖一： 圖一通過圖一看出系統(tǒng)變化得太快，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。需要減小P并增大I并繼續(xù)調(diào)整參數(shù)使仿真波形如圖二所示：圖二通過圖二得出此時系統(tǒng)快速性已經(jīng)很好，但仍然有靜差。繼續(xù)增大I使得波形圖三：圖三通過圖

18、三看出此時系統(tǒng)已較穩(wěn)定。5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)論以及分析進(jìn)行仿真事實上是一種數(shù)值模擬，數(shù)值模擬可以直觀地顯示目前還不易觀測到的、說不清楚的一些現(xiàn)象，容易為人理解和分析；還可以顯示任何試驗都無法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。對試驗方案的科學(xué)制定、試驗過程中測點的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導(dǎo)。通過仿真能看出工程中的整定與仿真整定值還是有誤差的，但是誤差不是很大。因此系統(tǒng)仿真在工程中還是很實用的。工程中的由于工作環(huán)境以及其他因素的影響必然會有很多干擾而這些在計算機(jī)的仿真中不能考慮因此會出現(xiàn)出入。但基本遵守的原則都是：比例可以調(diào)節(jié)其快速性，積分消除靜態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)能夠消除延遲。按著這一原則從而不斷調(diào)節(jié)參數(shù)最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 運(yùn)用工程實訓(xùn)調(diào)節(jié)器控制能夠在現(xiàn)場較方便的調(diào)節(jié)工程PID使其達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，計算機(jī)控制更加精密，更加可靠。但是這些都是建立在不斷的實踐的基礎(chǔ)上的，需要大量人力和物力，而系統(tǒng)仿真恰好提供了這