【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 率保持不變；改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；弱 磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓調(diào)速方案，在基速以上作小范圍的升速。所以本次設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速。 控制方法的確定 算法是對(duì)特定問(wèn)題求解步驟的一種描述，它是指令的有限序列，其中每一條指令表示一個(gè)或多個(gè)操作。 算法分析的任務(wù)是對(duì)設(shè)計(jì)出的每一個(gè)具體的算法，利用數(shù)學(xué)工具，討論各種復(fù) n T 1 2 3 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 雜度，以探討某種具體算法適用于哪類(lèi)問(wèn)題，或某類(lèi)問(wèn)題宜采用哪種算法。 算法設(shè)計(jì)技術(shù)有很多，例如：貪心法、分之策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)流、近似算法、隨機(jī)算法等。算法設(shè)計(jì)的正確選擇為從事實(shí)際問(wèn)題的算法設(shè)計(jì)與分析工作提供了清晰的、 整體的思路和方法。算法設(shè)計(jì)與算法分析是不可分割的，算法分析是對(duì)于設(shè)計(jì)出的每一個(gè)具體的算法，利用數(shù)字作為工具討論它的各種復(fù)雜度，就是算法分析的主要任務(wù)。 PID 控制的結(jié)構(gòu) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 60 年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng) 驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制包含比例、積分、微分三部分，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制器。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量，圖 23 中給出了一個(gè) PID 控制的結(jié)構(gòu)圖： 圖 23 PID 控制的結(jié)構(gòu)圖 控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中可用公式 ()表示如下： 反饋信號(hào) 被控制量 被控對(duì)象 Kds 傳感器 ＋ 給定量 （輸入） 誤差 Ki/s Kp ＋ － ＋ ＋ 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 ???? ])(1)()([)( dtteTdt tdeTteKtu idp () 公式中， e(t)表示誤差，也是控制器的輸入， u(t)是控制器的輸出， Kp、 Tp 與 Ti 分別為比例系數(shù)、 積分時(shí)間常數(shù)及微分時(shí)間常數(shù)。式 ()又可表示為： )()()( sEsKsKKsU idp ??? () 公式中， U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換， Kp、 dpd TKK ? 、ipi TKK ? 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 ―積分項(xiàng) ‖。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí) 間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有 些 ―超前 ‖，即在誤差接近零時(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 ―比例 ‖項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 的是 ―微分項(xiàng) ‖，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量嚴(yán)重地沖過(guò)頭。所以對(duì)有較大慣性和（或）滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID 參數(shù)的調(diào)整 在 PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定 PID參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng) 用中，更多的是通過(guò)湊試法來(lái)確定 PID 的參數(shù)。 增大比例系數(shù) P 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 增大積分時(shí)間 I 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。 增大微分時(shí)間 D 有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。 在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。 首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并 觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小 (一般縮小為原值的 )，然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。 如果在上述調(diào)整過(guò)程中對(duì) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間 D 設(shè)置為 0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。 PID 模塊 PID 模塊的開(kāi)發(fā)使 PLC 具有閉環(huán)控制功能，即一個(gè)具有 PID 控制能力的 PLC蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 可用于過(guò)程控制。當(dāng)控制過(guò)程中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)， PID 控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，并把變量保持在設(shè)定值上。 PID 算法一旦適應(yīng)了工藝，就可以在工藝混亂的情況下依然保持設(shè)定值。對(duì)于連續(xù)的 PID 算法： ])()(1)([)(0???? t dip dttdeTdtteTteKtu () 然而系統(tǒng)編程計(jì)算的時(shí)候一般是采用離散型的增量式 PID 算法，因?yàn)橹噶顖?zhí)行需要時(shí)間，所以不管 PLC 和高速數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 都是采用離散的算法。其中T 是采樣時(shí)間，總體來(lái)說(shuō)采用時(shí)間越小，控制更精確，但是也不能過(guò)小，太小容易占用 CPU 資源，也容易產(chǎn)生的偏差較小，在運(yùn)算的時(shí)候易被舍掉，從而產(chǎn)生積分量化誤差。以下是離散算法： })]1()([)()({)(u0?? ?????njdip neneTTjeTTneKn () ipi TTKK ? ， TTKK dpd ? ， )1()()( ???? nenene 代換之后變?yōu)椋? ?? ????nj dip neKjeKneKnu 0 )()()()( () PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響到系統(tǒng)的性能。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時(shí)僅僅靠調(diào)整 PID 參數(shù)難以同時(shí)滿足各項(xiàng)靜動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)?；诖?，衍生出多種改進(jìn)的PID 算法，提高系統(tǒng)的性能。 控制方式 S7–200的 PID回路沒(méi)有設(shè)置控制方式，只要 PID塊有效，就可以執(zhí)行 PID 運(yùn)算。在這種意義上說(shuō)， PID運(yùn)算存在一種 ―自動(dòng) ‖運(yùn)行方式。當(dāng) PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，我們稱之為 ―手動(dòng) ‖方式。 同計(jì)數(shù)器指令相似， PID指令有一個(gè)使能位。當(dāng)該使能位檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)的正跳變 (從 0到 1)， PID指令執(zhí)行一系列的動(dòng)作，使 PID指令從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式。為了達(dá)到無(wú)擾動(dòng)切換，在轉(zhuǎn)變到自動(dòng)控制前，必須用手動(dòng)方式把當(dāng)前輸出值填入回路表中。 PID指令對(duì)回路表中的值進(jìn)行下列動(dòng)作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時(shí)，從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式： 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 置給定值 （ SPn)過(guò)程變量 （ PVn） 置過(guò)量變量前值 （ PVn1） 過(guò)程變量現(xiàn)值 （ PVn） 置積分項(xiàng)前值 （ MX） 輸出值 （ Mn） PID使能位的默認(rèn)值是 1，在 CPU啟動(dòng)或從 STOP方式轉(zhuǎn)到 RUN方式時(shí)建立。 CPU進(jìn)入 RUN方式后首次使 PID塊有效，沒(méi)有檢測(cè)到使能位的正跳變，那么就沒(méi)有無(wú)擾動(dòng)切換的動(dòng)作。 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 主電路參數(shù)計(jì)算 直流電動(dòng)機(jī)： VUN 220? 、 AIN ? 、 min/1500 rnN ? ， )m in/( 1??? rVC e ，允許過(guò)載倍數(shù) λ=； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 30?sK ； 回路總電阻 ： R=； 時(shí)間常數(shù) ： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù) ： AVIU Nim / * ?????； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ： )min/(150010 1* ????? rVnU Nnm?。 設(shè)計(jì)要求： （ 1） 靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差； （ 2） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 %5?i? ；（ 3）空載 起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10?n? 。 電流環(huán)節(jié)（ ACR）的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) （ 1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT 。三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? ； （ 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT 。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 ? ? msT oi ~1 ? ，因此取 smsT oi ?? ； 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 （ 3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) iT? 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 sTTT oisi ???? 。 確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量 %5?i? ，保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ?ssKsW iiiA C R ?? 1?? () 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時(shí)間常數(shù)： sTli ??? ； 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因?yàn)橐?%5?i? ，故應(yīng)取 ??iITK ，因此 ?? ??? sTK iI () 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ??。 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù) 按所用運(yùn)算放大器，取 ?? KR 200 ，各電阻和電 容值計(jì)算如下： ????? KRKR ii ，取 ?K50 ； () FRC iii ?? 3 ???? ，取 F? ； () FRTC oioi ? 30 ??????，取 F? 。 () 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ii? （ 1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足sci T31?? 。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 因?yàn)閏is sT ????? ? 13 1，所以滿足近似條件。 （ 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足lmci TT13?? 。 現(xiàn)在cilm sTT ????? ? 1313，滿足近似條件。 （ 3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件oisci TT131?? 。 現(xiàn)在ciois sTT ????? ? 131131，滿足近似條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)（ ASR）的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) （ 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 sT i ?? ； （ 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT 。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 sTon ? ； （ 3） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 sTTT onin 0 1 7 3 ??? ?? 。 確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng) 由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng) 態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型 Ⅱ 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為：