【文章內容簡介】 要求較高，例如要 求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩，在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 若采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又 可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 8 個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。 與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán) 調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm 時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。 其硬件結構如圖 21所示 xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 9 速度給定觸發(fā)脈沖 驅動電路晶閘管門極顯示電路輸入口高速輸出口串行口外部中斷引腳轉換高速輸入口倍頻電路電流變送器電壓過零比較 放大光電編碼器系統(tǒng)的總體框圖 圖 21 系統(tǒng)的總體框圖 xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 10 3 數(shù)字直流電機調速系統(tǒng)的數(shù)字 PID控制 單片機控制的操作功能包括從控制對象中獲取各種信息，執(zhí)行反映控制規(guī)律 的控制算法，把計算結果以一定的形式傳送到行機構或顯示報警裝置，實現(xiàn)操作人員 控制臺 單片機系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中，最主要的任務是執(zhí)行控制算法。系統(tǒng)構成后，控制規(guī)律是反映單片機控制系統(tǒng)性能的核心。隨著控制理論和單片機水平的不斷發(fā)展，單片機控制系統(tǒng)的功能日益增強，適用的控制規(guī)律也越來越多，如 PID 調節(jié)、史密斯 (Smith)預估控制、最優(yōu)控制、基于狀態(tài)空間模型的設計方法和基于輸入輸出模型的設計方法等。 PID 控制式工業(yè)控制過程中應用最為廣泛的一種控制方式。 在本系統(tǒng)中，采用了 PID 控制算法。 PID 控制器具有簡單 而固定的控制形式，可以在很管得范圍內保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來跟隨被控對象的變化，可以減小動態(tài)誤差。它是一種基于負反饋的控制方法，不僅在模擬調節(jié)器得到了廣泛應用，而且更適合于單片機控制系統(tǒng)。 PID 具有結構簡單，參數(shù)的物理意義明確，動態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點。在控制理論不斷發(fā)展的今天，常規(guī) PID控制器仍然是過程控制中應用最廣泛、最基本的一種控制器， PID調節(jié)器的基本原理 控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31所示。系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對象組成 。 比例積分微分控制對象比例 圖 31 模擬 PID 控制原理框圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構成控制偏xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 11 差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器。 簡單說來， PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （ 1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e（ t），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。 （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用度強弱取決于積分時間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強。 （ 3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。 PID調節(jié)器的數(shù)字 化設計 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調節(jié)器的 PID控制規(guī)律為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 32） 或寫成傳遞函數(shù)形式 ( ) 1( ) (1 )() pDIUsG s K T SE s T S? ? ? ? （ 33） 式中 pK 比例系數(shù)； IT 積分時間系數(shù)； DT 微分時間常數(shù)。 將上式離散化為數(shù)字 PID，只要將式中各項分別離散化就可以了，即為： )()( kTutu ? （ 34） xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 12 )()( kTete ? （ 35） ?? ? ?? ?? kjt kj jeTjTeTte 00 0 )()()( （ 36） T kekeT TkTekTedt tde )1()()()()( ?????? （ 37） 其中， T為采樣周期。在上面離散化的過程中，采樣周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將 e（ kT）簡化表示為 e（ k），將上式（ 34）、（ 35）、（ 36）、 (37)代入式（ 32）中，可得離散的 PID表達式為 ????????????? ??kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k是采樣序號 k=0、 2...。 )(ku 是 k次采樣時刻的輸出值； )(ke 是第 k次采樣時刻輸入的偏差值； )1( ?ke 是 k1次采樣時刻輸入的偏差值： jk 是積分系數(shù)， jpj TTkk /? 。 dk 是微分系數(shù)， TTkk dpd /? . 位置式 PID算法 在單片機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID控制器，數(shù)字 PID控制算 法通常又分為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。由于本文的 PID控制算法的輸出量要控制晶閘管的輸出電壓，此類對象適合用位置式 PID控制算法，所以下面主要介紹位置式 PID控制算法。 由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式 (32)中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按照模擬 PID 算法的算式xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 13 (32)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換； ( 0,1, 2 )t kT k?? 000 ( ) ( ) ( )t tkjje t d t T e jT T e j??????? (34) ( ) ( ) [ ( 1 ) ] ( ) ( 1 )d e t e k t e k e k e kd t T T? ? ? ??? 式中 T采樣周期。 顯然，上述離散化過程中，采樣周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將 e(kT)簡化表示成 e(k)，即省去 T。將式 (34)代入 (32)，可得離散的 PID 表達式為 ? ?0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT?? ? ? ? ?? （ 35） 或0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]kp I Dju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ 36） 式中 k采樣序號， k = 0， 1， 2 u(k)第 k次采樣時刻的單片機輸出值； e(k)第 k次采樣時刻輸入的偏差值； e(k 1)第 k1次采樣時刻輸入的偏差值； IK 積分系數(shù)， IK = PK T/IT ； DK 微分系數(shù)， DK = PK DT /T； 由 z變換的性質 1[ ( 1 )] ( )z e k z E z??? xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 14 10 ()[ ( )] (1 )kjEzz e j z?? ? ?? 式（ 36）的 z變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 由式（ 37）便可得到數(shù)字 PID控制器的 z傳遞函數(shù)為 11()( ) (1 )( ) 1 IPDKUzG z K K zE z z ??? ? ? ? ?? （ 38） 或者 1 1 211( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]1 P I DG z K z K K zz ???? ? ? ? ?? （ 39） 由于單片機輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機構：晶閘 管 u(k)的值和晶閘管的輸出電壓值是一一對應的，所以通常稱式 (35)或 (36)為位置式 PID控制算法。圖 32給出了位置式 PID控制系統(tǒng)示意圖。 位置算法執(zhí)行機構被控對象 圖 32 位置式 PID 控制系統(tǒng)原理圖 xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 15 調速單元 PI參數(shù)的整定 本系統(tǒng)選用的控制對象為 322?Z 直流電動機，基本參數(shù)為： 額定功率為 NP =，額定電壓為 NU =110V，額定電流 NI =46A，額定轉速為N =1500rpm，電樞內阻為 R=? ，電磁時間常數(shù)為 Td=，電勢常數(shù) eC = 5 / minVWb r? ，機電時間常數(shù) MT =，三相橋式晶閘管整流 器的滯后時間為z? =，放大倍數(shù)為 SK =20，速度反饋系數(shù) ? = min/Vr? ，速度反饋濾波時間常數(shù) ONT 為 ，電流反饋系數(shù)， ? = 直流電動機的數(shù)學模型 在電力拖動自動控 制系統(tǒng)中，直流電動機通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機轉速作為輸出量。假設電機補償良好，不計電樞反應、禍流效應和磁滯等因素帶來的影響，并設勵磁電流恒定，得直流電機數(shù)學模型為： dd d d d edIU L I R C ndt? ? ? （ 310） 式中 dU 電樞電壓； dL 電樞回路電感； dI 電樞電流； dR 電樞回路總電阻； eC 由電機結構決定的電勢系數(shù)，單位為 min/VWb r? n電動機轉速。 根據(jù)剛體的轉動定律，電動機軸上的運動方程式為 xxx畢業(yè)設計（論文）說明書 16 fdnJ M Mdt ?? （ 311） 式 中 J電動機軸上 (包括負載折算過來的 ) n電動機轉速； M電動機軸的電磁力矩： fM 電動機軸的負載力矩。 當