【導(dǎo)讀】虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。LabVIEW，它是一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工具。節(jié)控制系統(tǒng)的核心部件之一，應(yīng)用范圍極為廣泛，特別是拖動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)的特性，研究其速度控制方法尤為重要。制VI，實(shí)現(xiàn)了其速度的在線實(shí)時(shí)控制，達(dá)到了較好的速度控制效果。用NIELVIS虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件,并結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E。

　　

【正文】 ． （ 3）整定 cK 、 dT 、 iT 參數(shù)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程曲線，曲線不理想時(shí)，可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。 表 42 4： 1衰減法經(jīng)驗(yàn)公式 [12] 衰減率 調(diào)節(jié)規(guī)律 cK iT dT 4： 1 P csK PI csK / PID csK / 24 第五章 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 直流電機(jī)是人類(lèi)最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。直流電機(jī)包括直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，直流電?dòng)機(jī)將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。按旋轉(zhuǎn)電機(jī)的可逆性原理，直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能，調(diào)速性能和過(guò)載能力，因此，在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有一席之地。主 要用于交通、起重、軋鋼和自動(dòng)控制等領(lǐng)域，火電廠的給粉電動(dòng)機(jī)也常采用。 速度控制模型分析 直流電機(jī)具有電氣屬性和機(jī)械屬性。對(duì)于表 172中所定義的各個(gè)參數(shù)，描述直流電機(jī)開(kāi)環(huán)響應(yīng)的電氣方程為 [13]： ( ) ( ) ( ) 0m m m em fV t R I t E t? ? ? )( 和 ( ) ( )emf m mE t K t?? () 描述電機(jī)扭矩的機(jī)械方程為： ()( ) [ ]mmmdtT t J dt?? )( 和 ( ) ( )m t mT t KI t? )( 其中，表 51給出了 mT 、 eqJ 、 m? 、 tK 、 mK 和 mI 的描述。 把式（ ）的拉普拉斯變換式代入式（ ）的拉普拉斯變換式，可得電機(jī)電樞電流為： ()() eq mmtJ s sIs K?? () 把式（ ）和式（ ）的拉普拉斯變換式代入式（ ）的拉普拉氏變換式，可得： ()( ) ( ) 0m e q mm m mtR J s sV s K sK? ?? ? ? () 25 通過(guò)解 )(/)( sVs mm? 可得直流電機(jī)的速度控制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： ()()mtm m eq t msKV s R J s K K? ? ? () 表 51 直流電機(jī)模型參數(shù) 符號(hào) 描述 單位 mV 電機(jī)電壓 V mR 電機(jī)電阻 ? mI 電機(jī)電樞電流 A tK 電機(jī)扭矩常數(shù) AN /m? mK 電機(jī)反向感應(yīng)常數(shù) ）s/rad/(V m? 電機(jī)軸角速度 s/rad mT 電機(jī)扭矩 m?N eqJ 電機(jī)軸和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2mg?K NI ELVIS 硬件 NI ELVIS 虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件是美國(guó)國(guó)家儀器公司 2020 年推出的一套基于LabVIEW 設(shè)計(jì)和模型創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)裝置。 NI ELVIS 系統(tǒng)實(shí)際就是將 LabVIEW 和 NI 的DAQ 設(shè)備相結(jié)合得到一個(gè)基于 LabVIEW 的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)品，包括硬件和軟件兩部分。硬件包括一臺(tái)可運(yùn)行 LabVIEW 的計(jì)算機(jī)、一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡、一根 68 針電纜和控制臺(tái)；軟件則包括 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境、 NIDAQ、可以針對(duì) ELVIS 硬件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的一系列 LabVIEW API 和一個(gè)基于 LabVIEW 設(shè)計(jì)虛擬儀器軟件包。該實(shí)驗(yàn)套件可插入一塊原型實(shí)驗(yàn)面板，適合電子電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，完成測(cè)量?jī)x器、電子電路、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)輔助分析與設(shè)計(jì) [13]。 NI ELVIS 平臺(tái)工作站 這部分介紹了 NI ELVIS平臺(tái)工作站和工作站的前控制面板， ELVIS平臺(tái)工作站如圖 51工作站提供了連接相關(guān)實(shí)驗(yàn)硬件儀器的功能，工作站控制面板提供了函數(shù)發(fā)生 26 器和可調(diào)電源等一些容易操作的旋鈕，也提供 BNC和香蕉型連接器可連到 NI ELVIS 示波器 SFP和 NI ELVIS DMM （數(shù)字萬(wàn)用表 ） SFP上。 NI ELVIS 原型實(shí)驗(yàn)板 NI ELVIS原型實(shí)驗(yàn)板，又稱(chēng)原形設(shè)計(jì)面板，它連接在平臺(tái)工作站上，為用戶(hù)提供了一個(gè)組建電路的平臺(tái)。利用 NI ELVIS平臺(tái)工作站可以交替使用多塊原型實(shí)驗(yàn)板，圖52為 ELVIS的原型實(shí)驗(yàn)板。 原型設(shè)計(jì)面板通過(guò)面包板（白色區(qū)域）的兩側(cè)的分布條把所有的 NI ELVIS的信號(hào)終端陳列出來(lái)使用。每一個(gè)信號(hào)有一行，各行按功能分組。其各部分位置布局如圖 53所示 [14]。 圖 51 ELVIS平臺(tái)工作站 圖 52 原型實(shí)驗(yàn)板 27 主要應(yīng)用到的信號(hào)描述如表 31 所示： 表 52 主要信號(hào)描述 信號(hào)名稱(chēng) 信號(hào)類(lèi)型 信號(hào)描述 ACH0..5+ 常規(guī) AI 模擬輸入通道 0～ 5（＋） —— 到 AI 通道的正差分輸入 ACH0..5– 常規(guī) AI 模擬輸入通道 0～ 5（－） —— 到 AI 通道的負(fù)差分輸入 CH A… B+ 示波器 示波器通道 A 和 B(+)—— 示波器通道的正輸入 CH A...B– 示波器 示波器通道 A 和 B(－ )—— 示波器通道的負(fù)輸入 AISENSE 常規(guī) AI 模擬輸入 Sense—— 非參考單端（ NRSE）模式的模擬通道的基準(zhǔn) AIGND 常規(guī) AI 模擬輸入地 —— DAQ 設(shè) 備的 AI 接地參考端 DAC0..1 模擬輸出 模擬輸出通道 0和 1—— DAQ設(shè)備緩沖器的輸出 GROUND 可變電源 接地 —— 設(shè)計(jì)面板接地端，所以接地針均連接在一起 +15V 直流電源 +15V 直流電源 —— 穩(wěn)流 +15V 電源輸出 15V 直流電源 15V 直流電源 —— 穩(wěn)流 15V 電源輸出 圖 53 原型設(shè)計(jì)面板各部分零件布局 28 DAQ 系統(tǒng) DAQ(Data Acquisition），即數(shù)據(jù)采集儀器的一種典型的虛擬儀器（如圖 39），它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計(jì)算機(jī)緊密相關(guān)。 DAQ 儀器以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件（某類(lèi)總線 、特定功能的數(shù)據(jù)采集卡）和計(jì)算機(jī)軟件（虛擬儀器應(yīng)用軟件）結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)特定的儀器測(cè)量和分析功能。 DAQ儀器具有性?xún)r(jià)比高、設(shè)計(jì)手段靈活、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。本文采用的數(shù)據(jù)采集卡為 PCI6024E，如圖 54所示。 DAQ 系統(tǒng)的構(gòu)成 工程上使用具有 PCI、 PXI、 USB、并口以及串口的計(jì)算機(jī)（ PC） 來(lái)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，稱(chēng)為基于 PC的 DAQ系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般有兩種方案：通過(guò)插入式的 DAQ卡直接將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；或者由位于計(jì)算機(jī)外部的 DAQ硬件獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，然后通過(guò)各種總 線，例如并口或者串口，傳輸給計(jì)算機(jī)。 基于 PC的 DAQ系統(tǒng)包含以下基本要素 [15]：（如圖 55所示） ? 個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC） ? 傳感器 ? 信號(hào)調(diào)理裝置 ? DAQ設(shè)備 ? 數(shù)據(jù)處理及驅(qū)動(dòng)程序等軟件 圖 54 數(shù)據(jù)采集卡PCI6024E 29 DAQ 的關(guān)鍵概念 1. 通道 通道一般分為物理通道和虛擬通道。物理通道是測(cè)試和產(chǎn)生模擬或者數(shù)字信號(hào)的端子，每個(gè)通道可以包含多個(gè)端子，例如，每個(gè)數(shù)字端口可以包含 8個(gè)端子（ 8根）數(shù)字線。 2. 任務(wù) 任務(wù)是通道、定時(shí)、觸發(fā)等的集合體，是為了完成某個(gè)目的，例如測(cè)量信號(hào)或者產(chǎn)生信號(hào)，通常包含以下步驟 ： （ 1） 新建或者載入一個(gè)任務(wù) （ 2） 根據(jù)需要設(shè)置通道、定時(shí)等特性。 （ 3） 如果需要，設(shè)置任務(wù)狀態(tài)變化來(lái)完成某個(gè)特殊的操作。 （ 4） 清除任務(wù)。 3. 定時(shí)和觸發(fā) 定時(shí)用時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)，它和觸發(fā)的最大的區(qū)別就是時(shí)鐘信號(hào)一般不產(chǎn)生任何行為，但是當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)用做采樣信號(hào)時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)邊沿都會(huì)進(jìn)行一個(gè)采樣，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)行為。時(shí)鐘信號(hào)作為采樣信號(hào)，這時(shí)采樣定時(shí)的一種方式，除此之外，還有根據(jù)需要采樣、握手采樣，隨從采樣等其他方式。關(guān)于觸發(fā)，有三種方式：數(shù)字邊沿觸發(fā)、模擬窗口觸發(fā)和模擬邊沿觸發(fā)。 4. 緩存 緩存通常只計(jì)算機(jī)為某個(gè)特殊目的而開(kāi)辟的臨 時(shí)數(shù)據(jù)存取空間。 圖 55 DAQ設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連的整體系統(tǒng)框圖 30 5. 數(shù)據(jù)類(lèi)型 不同的虛擬通道支持的數(shù)據(jù)類(lèi)型也不相同。 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 本論文研究的直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖 56 所示，包括 PC 機(jī)，NI ELVIS 平臺(tái)工作站和原型實(shí)驗(yàn)板。其中實(shí)驗(yàn)板上的器件包括 1k? 電阻、 10k? 電阻、紅外線發(fā)光二極管（ IR LED）、直流（ DC）小電機(jī)。其中兩個(gè)電阻是為了分壓的作用， 10k? 電阻更是作為考察的對(duì)象，紅外線發(fā)光二極管是一對(duì)發(fā)射紅外線和接受紅外線的器件，如圖 57 所示。此外，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了萬(wàn)用表等測(cè)量工具來(lái)調(diào)試電路。 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能：通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡，從 ELVIS 工作平臺(tái)上采集到模擬數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行采樣，量化，輸送到計(jì)算機(jī)程序界面上，之后程序根據(jù)實(shí)際情況與需要達(dá)到的目的進(jìn)行比較，發(fā)出控制信號(hào)，傳輸?shù)?ELVIS 工作平臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)了速度控制。 圖 56 系統(tǒng)硬件平臺(tái) 31 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 58是核心電路原理接線圖。 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。 10K? 集成光敏晶體管 ACH4+ ACH4 接地 1 K?? ＋ 5V 發(fā)射端 接收端 10K? 光探測(cè)器 ACH4+ ACH4 接地 1K?? ＋ 5V 發(fā)射端 接收端 12V 電機(jī) 接地 可調(diào)電源 圖 57 光 電器件原理接線圖 圖 58 速度控制系統(tǒng)核心電路原理圖 32 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，如圖 59。 接線要求：將電機(jī)的輸入端分別接入 SUPPLY+和 GROUND，輸出端分 別接入ACH4+和 ACH4，運(yùn)動(dòng)傳感器部分的接線如圖 510 所示。實(shí)物圖如圖 55 所示： 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： 控制系統(tǒng)前面板程序設(shè)計(jì) 圖 511 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。 圖 59 電機(jī)測(cè)速程序框圖 圖 510 直流電動(dòng)機(jī)控制接線示意圖 33 控制系統(tǒng)控制程序框圖 圖 512為直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)后置板的流程框圖。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 511 直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的前面板 圖 512 直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的后置板框圖 34 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： 圖 513是用來(lái)計(jì)算脈沖數(shù)量的子程序， 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)： 圖 514是簡(jiǎn)單的 PID控制模塊，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