【正文】 Sons[21][M].機(jī)電工程技術(shù)， 2006(5):2325[22](第三版)3版[M].北京航空航天大學(xué)出版 社，:134148英文原文Speed Control of DC MotorRegulator Systems A regulator system is one which normally provides output power in itssteadystate operation. For example, a motor speed regulator maintains the motor speed at a constant value despite variations in load torque. Even if the load torque is removed ,the motor must provide sufficient torque to overe the viscous friction affect of the bearings. Other forms of regulator also provide output power。方案具有一定可擴(kuò)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(yīng)速度，增加語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速功能，或?qū)⑥D(zhuǎn)速上傳至PC處理等。當(dāng)按下Key3后返回主程序。為避免在程序中出現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，這里將各參數(shù)值擴(kuò)大16倍，最后將結(jié)果縮小為1/16再返回。圖56利用4KHz時(shí)基實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)速流程圖。 所有PWM合并端口PWME_PWME1=1。 驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的PWM信號(hào)的頻率為50Hz，電機(jī)的PWM信號(hào)的頻率為10KHz,為了提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，將舵機(jī)的PWM頻率增大到100Hz o為了提高控制精度，我們將兩路8位通道合并為一個(gè)16位通道來(lái)控制舵機(jī)和電機(jī)，這樣可使舵機(jī)和電機(jī)的控制精度從1/255提高到1/655360。 直流電機(jī)控制:該模塊通過(guò)單片機(jī)輸出PWM波控制MOS管，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制以及利用編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種：接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過(guò)“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來(lái)將采集來(lái)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。工作后，發(fā)熱較小，性能穩(wěn)定。由于此時(shí)Q1 的源極電壓近似等于Vcc，因此就要求S1 必須大于(Vcc+Vgs)。其中線性驅(qū)動(dòng)方式可以看成一個(gè)數(shù)控電壓源。 圖44 2940穩(wěn)壓電路不過(guò)根據(jù)我之前接觸的穩(wěn)壓芯片，我用了另外一款：LM2596（圖45）。 （6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。倒向b點(diǎn)時(shí)，開環(huán)傳遞函數(shù)如(315)，當(dāng)?shù)瓜騛點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)在自整定狀態(tài)下按繼電控制方式運(yùn)行，設(shè)自振角頻率為， （315）得到整定公式為： （316）α是給定系數(shù)，它的取值范圍(24)之間，而β的值由公式得到， （317）當(dāng)，α，ε，d給定后，得到系統(tǒng)繼電震蕩波，測(cè)取參數(shù)A, x，即可整定。對(duì)于滿足給定幅值裕度的整定，存在： （37）即為臨界增益若需要積分來(lái)消除余差和改善控制性能，則由PID控制器的頻率特性可知，PID 控制器在給定參數(shù)下的頻率特性的虛部應(yīng)該為零，即： （38）對(duì)于整定滿足給定相位裕度，應(yīng)該把臨界點(diǎn)移到單位圓上相位是π的點(diǎn)處： （39）由于相位和幅值條件只已知兩個(gè)，為了補(bǔ)足條件，特假設(shè)： （310）上式中，α一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)取值，在工業(yè)中選值范圍為4~10。繼電辨識(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下： (1)繼電測(cè)試方法簡(jiǎn)單、可靠，需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)就是繼電特性的參數(shù)。繼電自整定的實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）由繼電器環(huán)節(jié)和被控對(duì)象構(gòu)成反饋系統(tǒng)；（2）設(shè)定繼電器的參數(shù)，使系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程出現(xiàn)等幅振蕩；（3）觀察極限振蕩環(huán)，由極限振蕩環(huán)獲取過(guò)程的臨界增益和臨界周期；（4）由臨界信息根據(jù)臨界比例度等整定方法推算出PID控制器的各個(gè)參數(shù)。最后，改進(jìn)的繼電反饋方法能夠有效抑制系統(tǒng)中的擾動(dòng)和波動(dòng)。下圖33為增量式PID控制算法的簡(jiǎn)化示意圖。 應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時(shí)間和微分時(shí)間使整個(gè)控制系統(tǒng)得到良好的性能?！e分時(shí)間；——微分時(shí)間。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。 (3)有效偏差法 當(dāng)根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制范圍時(shí)，控制量實(shí)際上只能取邊際值U=，或U=，有效偏差法是將相應(yīng)的這一控制量的偏差值作為有效偏差值計(jì)入積分累計(jì)而不是去將實(shí)際的偏差計(jì)入積分累計(jì)。 PID位置算法對(duì)于位置式算法，可以選擇的功能有： A、濾波:同上為一階慣性濾波 B、飽和作用抑制 (1)遇限削弱積分法 一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。 對(duì)于增量式算法，可以選擇的功能有: (1) 濾波的選擇 可以對(duì)輸入加一個(gè)前置濾波器，使得進(jìn)入控制算法的給定值不突變，而是有一定慣性延遲的緩變量?？刂泣c(diǎn)目前包含二種比較簡(jiǎn)單的PID控制算法，分別是:增量式算法，位置式算法，微分先行。采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測(cè)速方法有三種:M法(脈沖直接計(jì)數(shù))、T法(脈沖時(shí)間計(jì)數(shù))、MT(脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù))法。電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，在轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，ACR起主導(dǎo)作用，啟動(dòng)電流迅速上升并維持最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值且略有超調(diào)時(shí)，ASR退出飽和，ASR起主導(dǎo)作用，ACR起跟隨作用，啟動(dòng)電流快速下降到負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速下降至穩(wěn)態(tài)值并保持。數(shù)字控制器一般采用兩種設(shè)計(jì)方法: 一種是在一定條件下，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，再將設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法，這種方法稱為模擬化的設(shè)計(jì)方法，也稱間接設(shè)計(jì)方法；另一種是把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，變成純粹的離散系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)變換等工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)出控制算法，這種方法稱為離散化設(shè)計(jì)方法，也稱直接設(shè)計(jì)方法。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)因此與模擬系統(tǒng)相比，微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化；一般控制系統(tǒng)的控制量與反饋量都是模擬的連續(xù)信號(hào)，為了把它們輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)他們進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程分為兩個(gè)階段:，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 圖21 開環(huán)系統(tǒng)框圖 如:電熨斗、電子門鈴、電子調(diào)光臺(tái)燈、電子手表、程序控制洗衣機(jī)游泳池注水控制系統(tǒng)定時(shí)器(設(shè)定注水時(shí)間)→進(jìn)水閥門(水流量)→游泳池(水位)自動(dòng)門的控制系統(tǒng)控制電路(紅外線信號(hào))→電機(jī)(轉(zhuǎn)動(dòng))→自動(dòng)門(開啟或關(guān)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。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(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。 自動(dòng)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(lái)說(shuō)，可以分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制。第一章是緒論，簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)機(jī)與PID的發(fā)展歷史，電動(dòng)機(jī)的控制原理，電動(dòng)機(jī)自整定的背景和意義，PID控制器的原理、結(jié)構(gòu)、控制算法；第二章對(duì)直流電機(jī)的特性以及直流電機(jī)的閉環(huán)控制技術(shù)做了詳盡的講解。電子技術(shù)、微機(jī)等飛速發(fā)展的同時(shí)，也帶動(dòng)了PID控制器的商業(yè)化進(jìn)程。太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響力也會(huì)縮減，只有當(dāng)合適時(shí)，才能出現(xiàn)比較理想的過(guò)渡特性。此時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關(guān)系為: (13)其中：、分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常熟和微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；k為采樣信號(hào)?？焓侵缚刂葡到y(tǒng)響應(yīng)的靈敏性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。近年來(lái)已有一些文獻(xiàn)探討將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或?qū)＜蚁到y(tǒng)引入異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，相信不久的將來(lái)會(huì)獲得實(shí)用性結(jié)果。 研究的背景和意義 縱觀電機(jī)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。 根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其中交流電動(dòng)機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)加以利用的。電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)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(duì)控制性能的影響 4 PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品簡(jiǎn)介 5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 52 直流電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù) 7 7 7 7 優(yōu)點(diǎn) 10 10 11。直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)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(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。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(shí)代意義的理論不太容易。 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)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。 PID應(yīng)用之所以廣泛、又長(zhǎng)久不衰，是因?yàn)镻ID幾乎解決了自動(dòng)控制理論闡述的所有基本問(wèn)題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。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。(2)對(duì)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(shí)也能提高系統(tǒng)的控制精度，不過(guò)，當(dāng)值太大時(shí),積分作用將會(huì)變得非常弱。 Taylor公司的MicroScan 1300，利用增益調(diào)度法來(lái)進(jìn)行參數(shù)整定，也是問(wèn)世最早的一款PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，Leeds amp。第三章針對(duì)PID的算法、數(shù)字PID做了詳盡的介紹，重點(diǎn)闡述了基于繼電反饋的參數(shù)整定，詳細(xì)介紹了原理，公式推導(dǎo)，并通過(guò)仿真圖分析，證明了該方法的有效性和實(shí)用性；第四章介紹了電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件的設(shè)計(jì)。相應(yīng)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(fù)合控制系統(tǒng)。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(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。采樣后得到的離散模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，不能直接送入計(jì)算機(jī)，還需經(jīng)過(guò)量化來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，量化成為數(shù)字信號(hào)后，才能為計(jì)算機(jī)所接受。 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響，具有完善的輸入、輸出通道，包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量或開關(guān)量輸入輸出通道。內(nèi)環(huán)時(shí)間常數(shù)小，過(guò)度過(guò)程快，影響電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的主要是外環(huán)。 PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法。這二種PID算法雖然簡(jiǎn)單，但各有特點(diǎn)，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 (2)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程加速 在增量式算法中，比例項(xiàng)與積分項(xiàng)的符號(hào)有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項(xiàng)符號(hào)相同，而當(dāng)被控量向給定值方向變化時(shí)，則這兩項(xiàng)的符號(hào)相反。具體地說(shuō)，在計(jì)算Ui時(shí)，將判斷上一個(gè)時(shí)刻的控制量Ui是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。因?yàn)榘磳?shí)際偏差計(jì)算出的控制量并沒有執(zhí)行?？梢赃x負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。 數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問(wèn)題，經(jīng)修正就會(huì)得到更完善的數(shù)字PID算法。 控制作用 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。 PID控制器的實(shí)現(xiàn) 在電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。圖33 增量式PID控制算法 基于繼電反饋的PID參數(shù)整定方法及其改進(jìn) 引言 繼電反饋的思想是將繼電控制加入閉環(huán)控制回路，利用繼電控制的非線性特性使過(guò)程響應(yīng)出現(xiàn)極限環(huán)振蕩，以此獲得過(guò)程的臨界動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，再利用ZN臨界比例度整定公式獲得PID控制器參數(shù)。繼電反饋方法憑借自身的顯著優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于PID參數(shù)整定。 圖34 繼電反饋流程圖 如圖所示，當(dāng)開關(guān)切向a點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)按照繼電自整定方式運(yùn)行。也就是d——繼電器回環(huán)的幅值，e——繼電器回環(huán)的輸入門限。由式（39）和式（310）可得： （311） （312） 式（311）到式（312）就構(gòu)成了Astrom法的PID參數(shù)整定公式，Astrom法缺點(diǎn)也很明顯，純滯后很小的低階系統(tǒng)應(yīng)用此算法時(shí)，整定后的參數(shù)往往會(huì)偏大，這是因?yàn)殚_環(huán)Nyquist曲線與負(fù)實(shí)軸的交點(diǎn)離原點(diǎn)太近所引起的。本章概述了PID的基本算法、數(shù)字PID的介紹，詳細(xì)研究了基于繼電反饋的PID參數(shù)整定方法，又改進(jìn)了算法，通過(guò)應(yīng)用理想繼電反饋測(cè)試和飽和繼電反饋測(cè)試的