【正文】 第三章 PID控制原理PID控制器（Proportion Integration ），由比例單元 P、積分單元I和微分單元D組成[6]。 (34) (35)在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差做出快速反應(yīng)。微分環(huán)節(jié)的作用是根據(jù)系統(tǒng)的變化速度阻止偏差的變化，偏差變化越快，輸出量就越大。下面推導(dǎo)出以控制量的增量為輸出的增量式PID控制算法[8]。若增量式 PID控制算法的輸出控制量超出該范圍，實際執(zhí)行的控制量將不再是計算值，從而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。具體實現(xiàn)方法為：在積分環(huán)節(jié)中引入一個系數(shù)，假定一個偏差量X，的取值如下： (38)引入了積分分離系數(shù)的PID控制算法轉(zhuǎn)化為： (39) 微分環(huán)節(jié)[10]可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但它對干擾也特別敏感，尤其是在三相異步電機控制系統(tǒng)中，存在的噪聲源又格外復(fù)雜。同時選用電動汽車用功率較大的異步電機參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真實驗。主要包括 MATALB和Simulink兩部分。6．方便的繪圖功能[11]。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊,其中主要包括:交流異步電機本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊。首先，經(jīng)過三相/兩相變換將三相坐標(biāo)系中的電流變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流，變換公式為 (41)然后再經(jīng)過兩相靜止坐標(biāo)到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電流，變換公式為 (42)經(jīng)過這樣變換后，以產(chǎn)生相同的磁動勢為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流最后可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流。圖44 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖（4）在轉(zhuǎn)矩給定指令值Teta計算模塊中，結(jié)構(gòu)圖45如下。圖48 定子電流磁分量計算結(jié)構(gòu)圖異步電機參數(shù)：阻尼系數(shù)D=；轉(zhuǎn)子自感=2mH；定子互感=，額定線電壓380 V；轉(zhuǎn)子內(nèi)阻=；；定子內(nèi)阻= ；定子自感Ls =4mH；極對數(shù)為2。仿真波形顯示，在0. 035S時系統(tǒng)增負(fù)載400N仿真結(jié)果表明交流電機矢量控制方法具有良好的動靜態(tài)性能，較強的適應(yīng)能力和抗干擾能力。該模型仿真結(jié)果表明了電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，具有良好的動、靜態(tài)特性，驗證了交流電機矢量控制的有效性和可行性，這與真實情況完全相符[17]。其主要研究的內(nèi)容為：（1）通過對驅(qū)動電機進(jìn)行比較研究，為在滿足設(shè)計目標(biāo)的條件下驅(qū)動電機的合理選型和參數(shù)的合理選擇與匹配提供了依據(jù)；（2）對驅(qū)動電機的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，給出其轉(zhuǎn)矩和運動方程、電壓方程、磁鏈方程，以及不同坐標(biāo)系下三相異步電動機數(shù)學(xué)模型在此基礎(chǔ)上，基于MATLAB/Simulink 仿真平臺，建立了電機控制系統(tǒng)的仿真模型；（3）基于仿真軟件 MATLAB/Simulink，對純電動汽車異步電動機的控制系統(tǒng)建立仿真模型，探討算法對三相異步電機控制的影響，論證算法對提高異步電機勵磁繞組所產(chǎn)生的磁鏈旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，使其速度加快，及時跟隨電機對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)需求，有效地提高了電機的動態(tài)特性，對實現(xiàn)電機的良好控制有著良好的作用。由于其矢量控制可以實現(xiàn)與直流電機基本相同的控制調(diào)速特性。趙曉丹老師在很忙的情況下，為我講解課題的要點，引領(lǐng)設(shè)計的思路。感謝母校和老師們在大學(xué)四年中對我的培養(yǎng)。并且趙曉丹老師給予我無私的幫助，他們對我所遇到的難題的解答，對我畢業(yè)設(shè)計論文的一絲不茍的修改讓我受益匪淺。矢量控制將成為各個變頻調(diào)速領(lǐng)域中的重要方法。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制方法已不能滿足它的要求。通過各個參數(shù)的調(diào)節(jié)和得出的相應(yīng)仿真波形，對矢量控制原理和PI調(diào)節(jié)有了更深的理解，同時驗證了此系統(tǒng)對異步電機調(diào)速的可行性，為下一步高性能的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供了一定的參考價值。在熟悉矢量控制理論來實現(xiàn)具體異步電機控制項目期間，進(jìn)行基于Matlab/Simu1ink的異步電機的矢量控制仿真是必要的。如圖410所示曲線，通過觀察下面兩個轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線，可以看出此仿真調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)靜態(tài)性能，響應(yīng)時間 ，響應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均沒有很離譜的超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差較小，轉(zhuǎn)矩脈動小，基本滿足產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中電動汽車各個性能指標(biāo)要求，實現(xiàn)瞬時高動態(tài)調(diào)速。m；緩沖電路電容Cs=inf；緩沖電路電阻=l000；器件內(nèi)阻R=1m；系統(tǒng)中積分采樣器周期Ts =2[16]。圖46 定子電流轉(zhuǎn)矩分量計算模塊結(jié)構(gòu)圖（6）在磁通量計算模塊中，結(jié)構(gòu)圖47如下。圖42 三相定子坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換結(jié)構(gòu)（2）從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)變換到兩相靜止坐標(biāo)系再經(jīng)過2/3變換到三相定子坐標(biāo)系的變換結(jié)構(gòu)如圖43所示。仿真如圖49。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案:轉(zhuǎn)速環(huán)的PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成[13]。4．語句簡單，內(nèi)涵豐富。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。 綜上所述，針對PID控制應(yīng)用于純電動車的三相異步電機控制時，電機在啟動、剎車或大幅度增減設(shè)定值等情況引起的輸出飽和，以及運行過程中面臨的噪聲干擾等問題，本章提出一種改進(jìn)增量式 PID 控制算法，以消除上述問題，并將其應(yīng)用于純電動車的三相異步電機的控制。為了減少飽和效應(yīng)對三相異步電機控制的影響，可以對增量式PID控制中的積分環(huán)節(jié)做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，如使用積分分離法[9]，即當(dāng)被控量與給定值間的偏差超過一定范圍時，去掉積分環(huán)節(jié)，從而盡可能地消除飽和作用的影響。該增量式 PID 控制算法與常規(guī)PID控制算法相比，它具有如下優(yōu)點：第一，只輸出控制增量，對系統(tǒng)的工況影響小；第二，控制切換時沖擊量??；第三，中不需要累加；第四，量小。但它對輸入的噪聲量也非常敏感，所以在微分環(huán)節(jié)起作用之前要對輸入信號進(jìn)行濾波。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，歸納為數(shù)學(xué)模型即 (31)式中，為比例系數(shù)；為積分常數(shù)；為微分常數(shù)；為控制常量。式(220)，(223)，(224)便構(gòu)成了異步電機在同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的矢量控制基本方程[5]。電壓方程如下： (222)式(218)中是定子電壓矢量d軸分量，是q軸分量；定子自感，定子互感，轉(zhuǎn)子自感；定子電流d軸分量，為q分量；為轉(zhuǎn)子磁鏈的軸分量；是定子電阻，為轉(zhuǎn)子電阻；為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)差角頻率；是基本微分算子?？梢姰惒诫姍C的強耦合性主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩和磁鏈方程上。因定轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)對其進(jìn)行折算后相等，即從而轉(zhuǎn)子三相繞組的自感；定子三相繞組的自感；（2）非對角線的元素分別為定轉(zhuǎn)子繞組的互感、定子與轉(zhuǎn)子繞組的互感，定子繞組在位置上角度固定相差，由此可得到三相定子繞組間的互感為： (215)同理，可得到三相轉(zhuǎn)子繞組間的互感為： (216)由于定轉(zhuǎn)子各繞組間的夾角為變量，所以對于定子和轉(zhuǎn)子的繞組間的互感而言，該互感參數(shù)將轉(zhuǎn)化為關(guān)于角位移 的函數(shù)，從而定轉(zhuǎn)子間的互感可表達(dá)為： (217) (218) (219)根據(jù)以上的討論，將式（212）寫成分塊矩陣為： (220)其中在系數(shù)矩陣的元素中，元素、 為對稱的常數(shù)矩陣；但元素、間的關(guān)系為：由于、是三角函數(shù)的矩陣，因此其值比較復(fù)雜，但、完全滿足互為轉(zhuǎn)置關(guān)系，因此該特點十分值得利用。定子三相繞組的電壓平衡方程為： (27) (28) (29) 轉(zhuǎn)子三相繞組折算到定子側(cè)的電壓平衡方程為： (210) (211) (212) ，分別三相定子電壓；，分別為三相定子電流；，分別為三相轉(zhuǎn)子電壓；，分別為三相轉(zhuǎn)子電流；，分別為三相定子磁鏈； ，分別為三相轉(zhuǎn)子磁鏈；，分別為定轉(zhuǎn)子電阻。由于電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在q軸位置上，好像一個在q軸上靜止的繞組，但由于它不切割磁力線且與d軸垂直，故而對主磁通影響甚微，所以其主磁通基本上唯一地由勵磁電流決定，使直流電動機的數(shù)學(xué)模型比較簡單，這也是直流電機的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。圖22 二極直流電機的物理模型圖22所示為二極直流電機的物理模型，它可以等效為交流三相繞組的電機。如果這個磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速與三相對稱的靜止繞組A，B，C所產(chǎn)生的磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速都相等時，也認(rèn)為二者是等效的。圖21 三相異步電機的物理模型對于交流電機三相對稱的靜止繞組A，B，C，通過三相平衡的正弦電流、時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速ω順著ABC的相序旋轉(zhuǎn)。各種控制算法應(yīng)用于純電動汽車驅(qū)動電機時，為了探討控制算法對電機控制的影響，需對驅(qū)動電機進(jìn)行相