【正文】 電動機PID自整定控制畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 1 研究的背景和意義 2 PID控制器簡介 2 PID自整定的現(xiàn)狀 2 PID控制器的基本原理 3 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響 4 PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品簡介 5 本論文的主要研究內(nèi)容 52 直流電機閉環(huán)控制技術 7 7 7 7 優(yōu)點 10 10 11。 11 11 12 123 PID控制的基本原理 13 13 PID增量式算法 13 PID位置算法 14 15 PID參數(shù)整定 15 16 P I D 控制系統(tǒng) 16 控制器 16 控制作用 17 PID控制器的實現(xiàn) 17 基于繼電反饋的PID參數(shù)整定方法及其改進 18 引言 18 繼電反饋測試 19 基于繼電反饋控制的PID參數(shù)整定 20 234 系統(tǒng)硬件設計 24 單片機模塊特性簡介 24 8051單片機的特點 24 25 25 按鍵電路 27 28： 29 31 32 34 355 系統(tǒng)軟件設計 36 36 36 36 LED數(shù)碼管顯示 38 39 41 42 446 結論和展望 45 45 45 45參考文獻 46英文原文 48中文譯文 55致 謝 59中國礦業(yè)大學2012屆本科生畢業(yè)設計（論文）1 緒論 在現(xiàn)代社會中，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?，各種生產(chǎn)機械對拖動的電動機有不同的要求，如迅速起動、制動、反轉(zhuǎn)或極慢的穩(wěn)速運動等，直流電動機由于調(diào)速性能好、靜差率小、運行效率高，在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應用。研究直流電機的PID自整定方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 19世紀70年代前后相繼誕生了直流電動機和交流電動機，從此人類社會進入了以電動機為動力設備的時代。以電動機作為動力機械，為人類社會的發(fā)展和進步、工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化起到了巨大的推動作用。 在用電系統(tǒng)中，電動機作為主要的動力設備而廣泛地應用十工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會生活等各個方面。電動機負荷約占總發(fā)電量的70%，成為用電量最多的電氣設備。 根據(jù)采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動機擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動機加以利用的。直流電機具有良好的起、制動性能，適宜在大范圍內(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域中得到了廣泛的應用。20世紀60年代以前，直流調(diào)速一直以控制能力強、可靠性高、噪聲低、控制電路簡單等一系列優(yōu)良的性能在傳動領域中占據(jù)著主導地位。 隨著電力電子技木、微電子技術及計算機技術的迅速發(fā)展，電氣傳動控制系統(tǒng)的組成結構經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代，其控制方式也已從最初的電子分立元件、小規(guī)模集成電路組件發(fā)展到了微機控制系統(tǒng)。微機控制系統(tǒng)在智能方面有了很大的發(fā)展。 PID的概念可以追溯到1922年，米羅斯基()詳細分析了位置控制系統(tǒng)，根據(jù)PID的二個控制作用總結出了控制規(guī)律公式。PID調(diào)節(jié)器從產(chǎn)生到今天已經(jīng)歷經(jīng)了近一個世紀，人們?yōu)樗陌l(fā)展和推廣做出了巨大的努力和改善，使其成為工業(yè)過程控制中主要的和可靠的技術工具。在微處理技術迅速發(fā)展之后，PID控制發(fā)展也融入新的活力，現(xiàn)在過程控制中大部分控制規(guī)律還是主要依靠PID控制。 研究的背景和意義 縱觀電機工業(yè)的發(fā)展史，幾乎每一次大的發(fā)展都是有理論方面的突破。但現(xiàn)在作為一些較成熟的現(xiàn)代交流系統(tǒng)，再提出具有劃時代意義的理論不太容易。因此今后的發(fā)展，相當長一段時間內(nèi)還會是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結合，互相取長補短，或者將其它學科的理論、方法引入電機控制，走交叉學科的道路，以解決上述問題。近年來，智能控制研究很活躍，并在許多領域獲得了應用。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和基十專家系統(tǒng)的控制。由于智能控制無需對象的精確數(shù)學模型并具有較強的魯棒性，因此許多學者將智能控制方法引入了電機控制系統(tǒng)的研究，并預言未來的十年將開創(chuàng)電力電子和運動控制的新紀元。比較成熟的是PID自整定控制，它具有不依賴被控對象精確的數(shù)學模型、能克服非線性因素的影響、對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性等等優(yōu)點。PID自整定已在交直流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中取得了滿意的效果。近年來已有一些文獻探討將神經(jīng)網(wǎng)絡控制或?qū)＜蚁到y(tǒng)引入異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，相信不久的將來會獲得實用性結果。 在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們口常生活中起著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的PID自整定的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。本文具有一定的擴展性，例如優(yōu)化速度調(diào)節(jié)算法，提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度和響應速度，增加語音播報轉(zhuǎn)速功能，或?qū)y得的轉(zhuǎn)速上傳至PC處理等。為直流電機控制方法提供了一定的現(xiàn)實意義。 PID控制器簡介 PID自整定的現(xiàn)狀 控制系統(tǒng)的性能概括起來用穩(wěn)、準、快二個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個正常工作的系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看曲線應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，它代表的是系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差?？焓侵缚刂葡到y(tǒng)響應的靈敏性，通常用上升時間來定量描述。 PID應用之所以廣泛、又長久不衰，是因為PID幾乎解決了自動控制理論闡述的所有基本問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。對PID的參數(shù)進行調(diào)節(jié)整定，可實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，提高系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力。 PID控制器的基本原理PID控制是基于對變量“過去現(xiàn)在”和“未來”信息估計的交叉控制算法?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖11所示，系統(tǒng)主要由被控對象和PID控制器兩部分組成。圖11 PID控制系統(tǒng)框圖常規(guī)的PID一般為線性控制器，實際輸出值和給定值會存在一個偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合來構成控制量，最后對被控對象進行控制，故稱PID控制器。當系統(tǒng)是連續(xù)控制時，PID控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間會存在比例、積分、微分的關系，用下式表示出來， (11)也可寫成常見的傳遞函數(shù)形式: (12) 式中，e(t)=r(t)y(t),是比例增益,是積分時間，是微分時間。在計算機控制系統(tǒng)中，也普遍采用PID控制思想。此時，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關系為: (13)其中：、分別為比例系數(shù)、積分時間常熟和微分時間常數(shù)；T為采樣周期；k為采樣信號。K=0,1,2，…；為第k次采樣輸出值；為第k次采樣的輸入偏差值；為第（k1）次采樣的輸入偏差值。 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響PID控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能起著不同的作用，這二個參數(shù)的取值優(yōu)劣將直接影響PID控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)好壞。 比例作用就是以比例形式來反應系統(tǒng)的偏差信號e(t)，以最快速度來產(chǎn)生控制作用，使偏差逐漸趨于減小。(1)對動態(tài)特性的影響 比例控制參數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快,越大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間也越長。當太大時，系統(tǒng)會趨十不穩(wěn)定，若太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。(2)對穩(wěn)態(tài)特性的影響 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，比例系數(shù)增大，穩(wěn)態(tài)誤差就會減少，以此來提高控制精度，但是加大只是減少，卻無法從本質(zhì)上上消除穩(wěn)態(tài)誤差。 引入積分作用，主要是為了在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，滿足被控量對設定值的無靜差跟蹤，對系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)如下:(1)對動態(tài)特性的影響 積分作用會引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，偏小到一定程度時，系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩。太大，對系統(tǒng)性能的影響力也會縮減，只有當合適時，才能出現(xiàn)比較理想的過渡特性。(2)對穩(wěn)態(tài)特性的影響 積分作用能夠降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，同時也能提高系統(tǒng)的控制精度，不過，當值太大時,積分作用將會變得非常弱。 微分作用常規(guī)使用會與比例作用、比例積分作用聯(lián)合，構成PD控制器或者PID控制器。微分作用主要改善閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。偏大時，超調(diào)量會較大，調(diào)節(jié)時間也會較長。偏小時，超調(diào)量也較大，相應調(diào)節(jié)時間也會較長。 PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品簡介 1958年，Kalman設計出一臺自整定調(diào)節(jié)器，由于條件限制，當時他利用的是一臺可靠性比較差的模擬數(shù)字計算機。這也是世界上最早的自整定調(diào)節(jié)器。電子技術、微機等飛速發(fā)展的同時，也帶動了PID控制器的商業(yè)化進程。 Taylor公司的MicroScan 1300，利用增益調(diào)度法來進行參數(shù)整定，也是問世最早的一款PID自適應調(diào)節(jié)器，Leeds amp。 Northrup公司生產(chǎn)的Electromax V號單回路自適應控制器，基十PID結構，已經(jīng)成為廣泛應用的自適應標準化商品。瑞典的SattControl生產(chǎn)的ECA40和Fisher Control生產(chǎn)的DPR 900是以繼電反饋實驗為基礎的PID商業(yè)化產(chǎn)品。在1984年，美國Foxboro公司推出了基于模式識別的EXACT(Expert Adaptive Controller Tuning）控制器。 其他的一些產(chǎn)品，像Bailey Controls公司的Network 90 ,ASES公司的Novatune和VDO公司的MCION等，都是基于參數(shù)估計法設計進行自適應調(diào)節(jié)的。 可以預見，隨著控制理論和計算機技術的進一步發(fā)展，將會有更多的功能完善、性能可靠的PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品面世。 本論文的主要研究內(nèi)容本文共分為六章，主要研究了對于直流電機的PID控制器參數(shù)自整定。第一章是緒論，簡要介紹了電動機與PID的發(fā)展歷史，電動機的控制原理，電動機自整定的背景和意義，PID控制器的原理、結構、控制算法；第二章對直流電機的特性以及直流電機的閉環(huán)控制技術做了詳盡的講解。第三章針對PID的算法、數(shù)字PID做了詳盡的介紹，重點闡述了基于繼電反饋的參數(shù)整定，詳細介紹了原理，公式推導，并通過仿真圖分析，證明了該方法的有效性和實用性；第四章介紹了電機控制系統(tǒng)的硬件的設計。第五章介紹了電動機的PID自整定的系統(tǒng)軟件設計。最后一章給出了本文的總結和個人的一點展望。2 直流電機閉環(huán)控制技術 自動控制：就是應用自動化儀表或控制裝置代替人，自動地對機器設備或生產(chǎn)過程進行控制，使某些物理量按指定的規(guī)律變化達到預期的狀態(tài)或性能要求，以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術手段。控制系統(tǒng)是利用采集和加工的信息，按一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，使受控客體達到所要求的性能或?qū)崿F(xiàn)預定目標的系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是指在沒有人直接參與下由控制裝置與被控對象結合起來的，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮囊恍┪锢砹窟M行自動控制的一個有機整體。在國民經(jīng)濟各部門，國防和宇航各個領域都廣泛、大量地應用各種自動控制系統(tǒng)，如控制無人駕駛飛機按規(guī)定預定航跡飛行的控制系統(tǒng)，飛機自動著陸系統(tǒng)、雷達自動跟蹤系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)，電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。 自動控制系統(tǒng)種類繁多，其功能和組成也是多種多樣的，就其工作原理來說，可以分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制。相應的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)是沒有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的輸出結果對系統(tǒng)的控制沒有影響，也就是被控量的變化不會引起控制量的改變，即沒有反饋。開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與控制對象組成。其主要優(yōu)點是結構簡單、經(jīng)濟、容易維修以及價格便宜。它的主要缺點是精度低、抑制干擾能力差，而且對系統(tǒng)參數(shù)變化很敏感。一般用于可以不考慮外界影響或精度要求不高的場合。 閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強或減弱輸入信號的效應。即輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，具有精度高、動態(tài)性能好，抗干擾能力強，系統(tǒng)具有糾正偏差的能力等優(yōu)點，它的缺點是結構復雜包含元件多，維修困難，價格昂貴等，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作。復合控制系統(tǒng)是前饋和反饋相結合，即符合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結合的一種控制方式。反饋控制是在外部作用對控制對象產(chǎn)生影響后才能做出相應的控制，尤其是控制對象具有較大延遲時，反饋控制不能及時的影響輸出的變化。前饋控制能預測輸出隨外部作用的變化規(guī)律，在控制對象還沒有產(chǎn)生影響之前就做出相應的控制，使系統(tǒng)在偏差即將產(chǎn)生之前就注意糾正偏差。復合控制是高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)有更好的控制性能。復合控制有按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂坪桶锤蓴_前饋補償?shù)膹秃峡刂苾煞N形式。 圖21 開環(huán)系統(tǒng)框圖 如:電熨斗、電子門鈴、電子調(diào)光臺燈、電子手表、程序控制洗衣機游泳池注水控制系統(tǒng)定時器(設定注水時間)→進水閥門(水流量)→游泳池(水位)自動門的控制系統(tǒng)控制電路(紅外線信號)→電機(轉(zhuǎn)動)→自動門(開啟或關閉)2. 閉環(huán)系統(tǒng)圖22 閉環(huán)系統(tǒng)組成框圖 給定量：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對應的系統(tǒng)輸入量。測量元件：測量系統(tǒng)輸出量的實際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號，并給出兩者之間的偏差。放大元件：對微弱的偏差信號進行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應執(zhí)行元件動作的要求。執(zhí)行元件：根據(jù)放大后的偏差信號產(chǎn)生控制、動作，使系統(tǒng)的輸出量按照輸入量的變化規(guī)律而變化。 對控制系統(tǒng)的要求：輸入信號和擾動是一個系統(tǒng)典型的外作用，但我們希望系統(tǒng)只受輸入信號的控制，而絲毫不受擾動的影響，所以我們只研究在輸入信號作用下，對系統(tǒng)性能的要求。 當輸入信號突然發(fā)生跳變時，這時輸出量還處在原有的平衡狀態(tài)，這樣就