【正文】 接收端 本控制系統(tǒng)是核心電路時(shí)由可調(diào)電源控制的直流電機(jī)和紅外線運(yùn)動(dòng)傳感器組成的。圖 光電器件原理接線圖安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 31 10 K?光探測(cè)器ACH4+ACH4接地1＋5V發(fā)射端 接收端12V 電機(jī)接地可調(diào)電源 工作原理：當(dāng)光線被擋住時(shí)，傳感器接收邊接收不到光信號(hào)，使右邊形成短路，10k 電阻上電壓為低電平，當(dāng)光線不被擋住時(shí)，傳感器接收邊接收到光?信號(hào)，使右邊形成通路，10k 電阻上輸出高電平。右邊是電機(jī)，轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)突出薄板，薄板隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸儀器旋轉(zhuǎn)，沒(méi)轉(zhuǎn)一圈就擋住光電傳感器的光線，使傳感器輸出一個(gè)脈沖。這樣電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)給PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)數(shù)據(jù)采集，利用LabVIEW強(qiáng)大的子VI庫(kù)中的，可以測(cè)出脈沖周期，從而測(cè)出Pulse Measurements vi可以測(cè)試脈沖持續(xù)時(shí)間或波形的周期。 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括 LabVIEW 的前面板設(shè)計(jì)和框圖設(shè)計(jì)，前面板提供了可視化的控制界面，框圖提供了詳細(xì)的程序控制過(guò)程，下面是程序設(shè)計(jì)的結(jié)果。圖 速度控制系統(tǒng)核心電路原理圖圖 電機(jī)測(cè)速程序框圖安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 32 控制系統(tǒng)前面板程序設(shè)計(jì) 圖 為直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)的功能：通過(guò)在前面板設(shè)置 PID 控制系數(shù)以及電壓，啟動(dòng)運(yùn)行，然后通過(guò)框圖的各部分功能的實(shí)現(xiàn)，從而得到了實(shí)時(shí)的速度圖形，以及過(guò)程速度變化情況。 控制系統(tǒng)控制程序框圖 。實(shí)現(xiàn)的功能：通過(guò)接受控制電壓和PID 系數(shù)后，采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與預(yù)期值進(jìn)行比較，從而超前性的輸出控制電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的前面板安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 33 后置板框圖各個(gè)子VI實(shí)現(xiàn)的功能如下： （1）脈沖測(cè)量子VI：，Signal In 是需要測(cè)量的脈沖的波形輸入端口，輸入波形至少包含所有完整周期的脈沖序數(shù)（Pulse Number） 。 （2）PID 控制軟函數(shù)： ，控制著需要PID參數(shù)算法的設(shè)備。主要輸入端口有： 輸出范圍（Output Range）：包含著兩個(gè)系數(shù)，分別控制著輸出的最大值和圖 直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的后置板框圖圖 脈沖測(cè)量子 VI圖 PID 控制軟函數(shù)安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 34 最小值，以免過(guò)高的電壓損壞被控制設(shè)備。 定位點(diǎn)（Set point）：輸入為控制變量，是需要達(dá)到的過(guò)程常量。 PID 增益（PID Gain）：輸入為比例增益，積分時(shí)間和微分時(shí)間系數(shù)。 （3）數(shù)據(jù)采集讀入子VI： ，從一個(gè)包含著一個(gè)或者多個(gè)模擬輸入通道的任務(wù)中，讀出一個(gè)或者多個(gè)波形。其中Task/Channels In為信號(hào)輸入端口。 （4）電壓更新子VI：,當(dāng)特定的控制電壓通過(guò) Supply Ref um In端口時(shí)，更新功能開始作用。這是NI 公司強(qiáng)大的VI庫(kù)提供的子程序。 PID 參數(shù)整定過(guò)程 由于直流電機(jī)速度控制中，很難調(diào)到等幅振蕩狀態(tài)，因此，針對(duì)本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了經(jīng)驗(yàn)法和 4：1 衰減法，分別進(jìn)行參數(shù)，然后進(jìn)行整定效果對(duì)比。下面是兩種 PID 系數(shù)整定方法的實(shí)際整定過(guò)程。 經(jīng)驗(yàn)法的在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程 實(shí)際上，經(jīng)驗(yàn)法屬于經(jīng)驗(yàn)試湊法，它不需要事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，然后根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)改變相應(yīng)的控制參數(shù)值。下面就根據(jù)已有硬軟件系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定 [16]。(1)先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的就 值，在本過(guò)程控制中，cK發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的 值不宜太大，為不宜超過(guò)2，不然電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)超調(diào)過(guò)大，影cK圖 數(shù)據(jù)采集讀入子 VI圖 電壓更新子 VI安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 35 響電動(dòng)機(jī)的性能（有可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的死機(jī)） 。同時(shí)，讓積分作用和微分作用失效。調(diào)節(jié) 值，使速度曲線呈現(xiàn)4:1衰減振蕩過(guò)程。此時(shí) =。cKcK(2)然后逐漸加入積分作用（I） ，先取積分時(shí)間為衰減振蕩周期的一般左右。約為 ，由于積分作用使其振蕩加劇，并且要達(dá)到穩(wěn)定速度的快速性很差，iT在加入積分作用之前，先加強(qiáng)比例作用，把 增加 。調(diào)整積分時(shí)間，直c到出現(xiàn)4:1的衰減振蕩。(3)必要時(shí)，加入微分（D) 作用，從零開始，逐漸加大 。由于微分作用能dT抑制振蕩，在加入微分作用之前，需把 調(diào)小，約為 。通過(guò)微分時(shí)間的的試cK湊，使過(guò)渡時(shí)間明顯縮短，超調(diào)量減小。最后根據(jù)PID的參數(shù)功能做些微調(diào)，得。 經(jīng)驗(yàn)控制過(guò)程，是一個(gè)把PID參數(shù)基本功能熟悉的過(guò)程，在把參數(shù)的基本范圍圈定好之后，需要耐心的去調(diào)試。在這過(guò)程需要注意幾點(diǎn)： （1）電機(jī)存在電壓死區(qū)，因此，在啟動(dòng)之后，短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)程序云后起不了作用的情況，這時(shí)需要稍稍調(diào)高電壓，大概在5V 左右，刺激下電機(jī)，它才有反應(yīng)。 （2）電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，速度變化很大，這跟電機(jī)的性能有關(guān)，而且對(duì)于本系統(tǒng)中的小電機(jī)而言，啟動(dòng)速度更是很難把握。因此，PID控制需要在電機(jī)的速度圖 經(jīng)驗(yàn)法整定效果圖安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 36 穩(wěn)定后才開始調(diào)節(jié)。 4:1 衰減法的在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程 ： 首先，將控制器的積分時(shí)間放在最大值、微分時(shí)間放在最小值，目的是讓積分時(shí)間和微分時(shí)間失效。并 放在較小值，讓系統(tǒng)投入運(yùn)行。cK 然后，逐漸增大 值，且改變一個(gè) 值后都給電機(jī)系統(tǒng)一個(gè)階躍變化，cc例如：從6V跳到8V，或者從8V跳到6V。然后觀察系統(tǒng)的輸出，直到出現(xiàn)等幅4：1衰減振蕩為止。： 此時(shí)記錄比例增益 =，并算出： =。csKsT 接著依據(jù)表格 42 的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出 PID 控制器參數(shù)為 = =， = =。iTsdTs 將所得到的參數(shù)填到 PID GAIN ,接著進(jìn)行控制，讓控制電壓從 3V 跳到 4V，從 4V 跳到 3V，得到圖 ： 圖 4:1 衰減法在 4:1 衰減狀態(tài)圖安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 37 從圖中可以看出，超調(diào)量太大，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，需要做一些手動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)降低比例增益和積分時(shí)間來(lái)達(dá)到目的 [17]。再經(jīng)過(guò)微調(diào)，出。此時(shí) =， =， =。整定效果非常不cKiTd錯(cuò)。 通過(guò)對(duì)比經(jīng)驗(yàn)法和4:1衰減法，可以得出：圖 4:1 衰減法經(jīng)驗(yàn)公式效果圖圖 4:1 衰減法最后修正效果圖安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 38 （1）從整定效果來(lái)看，經(jīng)驗(yàn)法并不能達(dá)到很好的效果。因?yàn)樵谡ǖ倪^(guò)程中，特別是在有限的時(shí)間內(nèi)，很難把握究竟調(diào)節(jié)多少才能更好。而4:1 衰減法，從理論上給予整定的方法與參數(shù)計(jì)算方法，從而在整定過(guò)程中不會(huì)太盲目，最后找到合理的整定參數(shù)也是理所當(dāng)然的事情。 （2）從整定時(shí)間來(lái)看，經(jīng)驗(yàn)法所需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于4:1 衰減法。工作量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4:1衰減法。 小結(jié)本章通過(guò)研究直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，建立控制模型，然后設(shè)計(jì)出PID控制器，最后較好的對(duì)直流電機(jī)速度進(jìn)行控制。本章所研究的控制方法對(duì)于其他類似控制，乃至工業(yè)鍋爐控制等也有著積極地意義。在本控制系統(tǒng)的硬件啟動(dòng)過(guò)程中，要注意把控制電壓調(diào)到最小值，以免啟動(dòng)后過(guò)大的電壓對(duì)電機(jī)有太大的沖擊，損壞電機(jī)。在控制完成后，需要把對(duì)電機(jī)的控制電壓調(diào)零，有兩種方法：(1)直接在軟件的前面板上把電壓調(diào)至零狀態(tài)，或者是看到電機(jī)不動(dòng)了關(guān)掉軟件。(2)啟動(dòng)NI ELVIS 上的VPS手動(dòng)調(diào)節(jié)，將電壓調(diào)至零。 啟動(dòng)軟件時(shí)，要時(shí)間數(shù)據(jù)采集端口，如本實(shí)驗(yàn)硬件是采用NI ELVIS 輸入通道ACH4+和 ACH4，而DAQ設(shè)備輸入通道是AI 4和AI 12，因此編程時(shí)所有根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)該選擇對(duì)應(yīng)的Dev1/ai4端口。在整個(gè)控制過(guò)程中，電機(jī)的反應(yīng)速度比較慢，特別是軟件剛運(yùn)行的那一刻，即使是控制電壓為零，電機(jī)還是飛速旋轉(zhuǎn)，原因有： (1) 電機(jī)前次控制后并沒(méi)有把控制電壓調(diào)至零或者低電壓，導(dǎo)致NI ELVIS 儀器上有記憶電壓數(shù)據(jù)。 (2) 軟件系統(tǒng)的前面板上提前設(shè)置好了較高的電壓值。 (3) 在軟件系統(tǒng)的框圖上存在有記憶功能的寄存器，使得運(yùn)行后立刻有控制電壓存在。安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 39 6 結(jié) 論直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、 機(jī)械制造、 輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)直流電機(jī)的速度控制方法進(jìn)行研究仍然有必要。虛擬儀器是當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)，它代表了未來(lái)儀器技術(shù)的發(fā)展方向。而 LabVIEW 是世界上最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用LabVIEW 開發(fā)虛擬儀器比使用基于文本的語(yǔ)言開發(fā)效率可以提高 1015 倍，程序的執(zhí)行速度卻幾乎不受影響；同時(shí)在信號(hào)處理等方面的強(qiáng)大功能方面是組態(tài)軟件不可比擬的?；诖?，本文分析了直流電機(jī)的特性，虛擬儀器技術(shù)，以及 LabVIEW 編程技巧，以及研究 PID 控制方法以及參數(shù)整定方法，并應(yīng)用于直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析中，這也是本文的重點(diǎn)。本文是在大量查閱國(guó)內(nèi)外諸多資料的基礎(chǔ)和研究國(guó)內(nèi)外直流電機(jī)速度控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)后完成的。因此，本文研究的控制系統(tǒng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性，優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)合了虛擬儀器最有代表性的軟件開發(fā)平臺(tái) LabVIEW 來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，并控制其轉(zhuǎn)速。具有前瞻性的分析了虛擬儀器在直流電機(jī)的應(yīng)用上的前景。本文是建立在有著實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上完成的，有著一定的直流電機(jī)實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。特別是 PID 參數(shù)整定方面，結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)法和 4：1 衰減法，整定出了很好的系數(shù)，整定經(jīng)驗(yàn)有一定的參考價(jià)值。本文的不足之處，在于時(shí)間比較倉(cāng)促，導(dǎo)致對(duì) LabVIEW 編程的研究不是很透徹，一些強(qiáng)大的功能并未能很好的運(yùn)用。如：PID 控制器參數(shù)自整定模塊。安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 40 致 謝四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，凝聚著許多人的關(guān)懷和幫助。首先要感謝我敬愛(ài)的指導(dǎo)教師鐘老師在學(xué)術(shù)上的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，在系統(tǒng)研究和調(diào)試過(guò)程中給予的及時(shí)幫助。這些使我的本科學(xué)業(yè)得以順利完成，并激勵(lì)著我在今后的人生道路上不斷開拓進(jìn)取，勇往直前。在此，我再一次對(duì)鐘老師的培養(yǎng)和關(guān)懷表示誠(chéng)摯的謝意！其次，學(xué)校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)比較重視，每個(gè)設(shè)計(jì)小組配有專門的指導(dǎo)老師，幫助我們能順利完成整個(gè)設(shè)計(jì)。對(duì)于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！非常感謝我的同學(xué)們，在與他們共同的學(xué)習(xí)、工作、生活過(guò)程中，他們給予了我及時(shí)的幫助和建議，開拓了我的思路。我對(duì)他們致以真誠(chéng)的謝意和衷心的祝福。最后，再一次向鐘老師以及關(guān)心幫助我的教師同學(xué)表示最誠(chéng)摯的謝意！安徽新華學(xué)院 2022 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）參考文獻(xiàn)[1]張燕賓．SPWM 變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，2022[2]． et Overview of the IPEMBased Modular Implementation for Distributed Power System．CPES, 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