基于模糊PID的直流调速系统设计 本科毕业论文

常州工学院学士学位论文 I 摘 要 由于变频技术的出现 交流调速一直冲击直流调速 但综观全局 尤其是 我国在此领域的现状 再加上全数字直流调速系统的出现 提高了直流调速系 统的精度及可靠性 直流调速仍将处于重要地位 对于直流调速系统转速控制 的要求有稳速 调速 加速或减速三个方面 而在工业生产中对于后两个要求 已能很好地实现 但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果 稳速要 求即以一定的精度在所需要的转速上稳定运行 在各种干扰下不允许有过大的 转速波动 模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强 为了克服常规数字直流 调速装置的缺点 本文将模糊控制与 PID 调节器结合 着手 fuzzy PID 复合控 制方案理论研究和硬件的实现 设计出相关控制方案的直流调速系统 该方案 以 AT89S52 单片机为主控单元 合适的驱动电路和一些外围电路构成硬件系统 以参数模糊自整定 PID 为控制策略 本文对于系统的硬件及软件设计进行了详 细的设计 包括电机控制模块 检测模块 电机驱动模块的设计等 以及软件 的控制思想和编程方法 本系统的设计顺应了目前国外直流调速朝着数字化 发展的趋势 充分利用了单片机的优点 使得通用性得到了提高 关键词 模糊控制 直流调速 PID 单片机 常州工学院学士学位论文 II Abstract After Frequency Conversion Technology appeared AC speed regulation method had always impacted DC Speed Regulation but Generally speaking especially the status in our country in addition to digital DC Speed Regulation emerged it improving the precision and the reliability in DC Speed Regulation System DC Speed Regulation was also in the important status Speed control of DC drive system for the requirements of a steady speed speed acceleration or deceleration in three aspects and in industrial production in the latter two requirements have been well implemented but the engineering applications are often not steady speed indicator Achieve the desired results steady speed requires a certain degree of accuracy that is needed to speed on the stable operation of a variety of interference does not allow large speed fluctuations Fuzzy control does not need precision mathematic model to conquer the shortcoming in routine digital DC Speed Regulation We can combine with the PID adjuster and fuzzy control focusing on theory research and realization of fuzzy PID compound control scheme design relevant DC Speed Regulation System was designed in the dissertation This scheme is based on the core of AT89S52 single chip appropriate driver circuit and some peripheral circuits Fuzzy Self tuning PID is the control strategy This dissertation also introduce the plan of hardware and software including DC motor control module driver module examine circuit and so on in detail if explained the method of control and the thought of software this system got used to the trend of digital power in the international used the single micro computer fully and improved the general use of the power Keywords fuzzy logic control FLC DC Speed 常州工学院学士学位论文 III Regulation PID Single micro computer 目录 摘 要 I ABSTRACT II 目录 III 第 1 章 绪论 1 1 1 直流调速的发展现状及前景 1 1 2 直流调速的控制方法 2 1 3 传统 PID 控制的应用 3 1 4 本课题研究目的及意义 4 本章小结 5 第 2 章 直流调速系统的理论分析 6 2 1 转速 电流双闭环调速系统组成 6 2 2 直流调速系统控制方案 8 2 3 传统直流调速系统中调节器参数的计算 9 2 3 1 设计指标及要求 9 2 3 2 电机参数计算 10 本章小结 15 第 3 章 调速系统硬件设计 16 3 1 主电路设计 16 3 1 1 整流电力二极管参数的确定 16 3 1 2 IGBT 的选择 17 3 2 驱动电路设计 17 3 2 1 IGBT 驱动电路的一般要求 17 3 2 2 IGBT 的专用驱动集成电路 17 3 3 检测电路设计 19 3 3 1 电压检测电路设计 19 3 3 2 电流检测装置设计 20 3 3 3 转速测量 21 3 4 A D 转换电路设计 22 3 5 键盘与显示接口电路 23 本章小结 25 第 4 章 系统控制算法设计 26 4 1 模糊控制的发展和现状 26 4 2 模糊控制系统的组成 26 4 3 模糊控制的重要概念 27 4 4 被控过程对参数 KP KI KD的自整定要求 28 4 5 直流调速模糊自整定 PID 参数控制器设计过程 29 4 5 1 确定控制器的输入 输出语言变量 29 4 5 2 确定 p K i K d K的调节规则 29 4 5 3 模糊 PID 控制程序设计 33 本章小结 35 常州工学院学士学位论文 IV 第 5 章 仿真分析 36 5 1 仿真工具简介 36 5 1 1 关于 MATLAB 36 5 1 2 关于 SIMULINK 37 5 2 直流调速系统仿真分析 38 5 2 1 传统双闭环调速系统仿真分析 38 5 2 2 基于模糊 PID 的直流调速系统仿真分析 40 本章小结 47 结论 48 结束语 49 参考文献 50 附录 53 致 谢 57 常州工学院学士学位论文 V 第 1 章 绪论 1 1 直流调速的发展现状及前景 直流电机由于具有良好的调速特性 宽广的调速范围 长期以来在要求调 速的地方 特别是对调速性能指标要求较高的场合得到了广泛的应用 特别是 近年来随着电力电子技术的发展 已普遍采用由晶闸管整流器供电的直流电机 调速系统 以取代以前广泛应用的交流电动机 直流发电机组供电系统 但由于 相控整流中电网端输入电流的功率因数直接与移相触发角有关 在电机低速运 行整流桥输出电压较低时 电网输入电流功率因数低 谐波分量比较大 对电 网特别是公共直流电网有不利的影响 而采用PWM 调速时 电源则一般不采用 二极管不控整流 这对改善电网功率因数和减少谐波对电网的污染都是有利的 并且 直流电机调速系统是一个复杂的多变量 非线性控制系统 控制参数多 各个参数之间相互影响 抗干扰能力较弱 不适合需要高控制性能的场合 最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电 通过改 变电枢回路中的电阻来实现调速 这种方法简单易行 设备制造方便 价格低廉 但缺点是效率低 机械特性软 不能在较宽范围内平滑调速 所以目前极少采用 30年代末 出现了发电机 电动机 也称为旋转变流组 配合采用磁放大器 电机 扩大机 闸流管等控制器件 可获得优良的调速性能 如有较宽的调速范围 十 比一至数十比一 较小的转速变化率和调速平滑等 特别是当电动机减速时 可 以通过发电机非常容易地将电动机轴的飞轮惯量反馈给电网 这样 一方面可得 到平滑的制动特性 另一方面又可减少能量的损耗 提高效率 但发电机 电动机 调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助 励磁设备 因而体积大 费用高 效率低 安装需有地基 运行有噪声 维修困 难等 在现代化的工业生产过程中 几乎无处不使用电力传动装置 对可调速的 电气传动系统 可分为直流调速和交流调速 虽然交流调速得到了快速的发展 和广泛的应用 但直流电动机具有优良的调速特性 调速平滑 方便 易于在 大范围内平滑调速 过载能力大 能承受频繁的冲击负载 可实现频繁的无级 快速起制动和反转 能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求 常州工学院学士学位论文 2 至今在金属切削机床 造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应 用 所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产 部门 是截止到目前为止调速系统的主要形式 1 2 直流调速的控制方法 直流电机转速 n 的表达式为 e K IRU n 式中 U 电枢电压 V I 电枢电流 A R 电枢回路总电阻 励磁磁通 Wb 由电机结构决定的电动势常数 e K 由上式可以看出 有三种调节电动机转速的方法 1 调节电枢电压 U 改变电枢电压从而改变转速 属恒转矩调速方法 动 态响应快 适用于要求大范围无级平滑调速的系统 2 改变电机主磁通中只能减弱磁通 使电动机从额定转速向上变速 属恒 功率调速方法 动态响应较慢 虽能无级平滑调速 但调速范围小 3 改变电枢电路电阻 R 在电动机电枢外串电阻进行调速 只能有级调速 平滑性差 机械特性软 效率低 改变电枢电路电阻的方法缺点很多 目前很少采用 弱磁调速范围不大 往 往与调压调速配合使用 因此 自动调速系统以调压调速为主 这也是论文中设 计系统所采用的方法 改变电枢电压主要有三种方式 旋转变流机组 静止变流装置 脉宽调制 PWM 变换器 或称直流斩波器 l 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压 简称 G M 系统 国际上统称 Ward Leonard 系统 这是最早的调压调速系统 G M 系统具有很好的调速性能 但系统复杂 体积大 效率低 运行有噪音 维 护不方便 2 20 世纪 50 年代 开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代 常州工学院学士学位论文 3 旋转变流机组 但到 50 年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置 采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称 V M 系统 又称静止的 Ward Leonard 系统 通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角 进而改变整 流电压 Ud的大小 达到调节直流电动机转速的目的 V M 在调速性能 可靠性 经济性上都具有优越性 成为直流调速系统的主要形式 3 脉宽调制 PWM 变换器又称直流斩波器 是利用功率开关器件通断实 现控制 调节通断时间比例 将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电 压 亦称 DC DC 变换器 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式 开关驱动方式是使半导体功率器 件工作在开关状态 通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压 实现调速 1 3 传统 PID 控制的应用 一种控制方法能被广泛应用和发展 根本原因在于这种控制方法满足实际 控制的应用需求和具备应用实现的条件 在计算机技术没有发展的条件下 大 量需求的控制对象是一些较为简单的单输入单输出线性系统 而且对这些对象 的自动控制要求是保持输出变量为要求的恒值 消除或减少输出变量与给定值 之误差 误差速度等 而 PID 控制的结构正是适合于这种对象的控制要求 另 一方面 PID 控制结构简单 调试方便 用一般电子线路 电气机械装置很容易 实现 在无计算机条件下 这种 PID 控制比其他复杂控制方法具有可实现的优 先条件 即使到了计算机出现的时代 由于被控对象输出信息的获取目前主要 是位置信息 速度信息和部分加速度信息 而更高阶的信息无法或很难测量 在此情况下 高维 复杂控制只能在计算方法上利用计算机的优势 而在实际 应用中 在不能或难以获得高阶信息的条件下 PID 控制或二阶形式的控制器 仍是应用的主要方法 常规 PID 之所以有很强的生命力 其主要原因在于 1 PID 控制对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性 2 PID 控制算法原理简明 参数物理意义明确 理论分析体系完整且应用 经验丰富 3 对于工业过程 人们的认识还远远不够 过程的动态特性大都具有高阶 非线性 大迟延及时变等特性 给以精确数学模型为基础的现代控制理论的应 常州工学院学士学位论文 4 用带来了困难 但传统的 PID 控制也存在许多不足 最突出的一点就是有关 PID 参数的问 题 首先 传统 PID 无自适应能力 这主要表现在两个方面 第一 PID 控制 器的参数整定必须相对于某一模型已知 系统参数己知的系统 第二 PID 控 制器参数一旦整定完毕 便只能固定地适用于一种工况 但事实上大多数的生 产过程都具有非线性 且其特性随时间的变化而变化 显然固定的一组参数是 不能满足这种变化的 其次传统的 PID 控制器的参数只能整定为满足生产过程 控制目标某一个方面的要求 在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是 设定值跟踪特性 和 干扰抑制特性 而传统的 PID 控制器 只能通过整 定一组 PID 参数来满足一个方面的要求 因此常常采用折中的办法整定控制器 参数 这样得到的控制效果显然不是最佳的 1 4 本课题研究目的及意义 PID 控制中积分 比例和微分实际上是基于控制误差的过去 现在和将来 的 信息 由于传统 PID 控制设计具有简单且耗费小等优点 在工业过程控制中 PID 类型的控制技术仍然占有主导地位 特别是在化工 冶金过程控制中 尽 管 PID 对于简单的线性系统是非常的有效 但对于具有较为复杂的过程如明显 振荡特征 参数变化 非线性系统的控制效果并不好 控制界著名学者瑞典教 授 Astorm 对于 PID 控制的性能 设计 应用 稳定性分析等方面作出了非常大 的贡献 许多学着提出了各种不同的改进 PID 控制器 特别的 研究提出了许 多采用模糊逻辑的非常规 PID 控制器 研究表明 自调节 自适应以及模糊 PID 不仅可以解决简单线性系统的控制问题 而且对于许多复杂非线性 高阶 等系统具有很好的效果 模糊 PID 控制器实际上是一种变增益活自调节 PID 目前大多数直流电动机调速系统是采用晶闸管 电动机调速系统 这种调 速系统存在着一些固有缺点 首先 晶闸管的单向导电性决定它不允许反向电 流流过 给系统的可逆运行造成困难 其次晶闸管的另一个问题是对电压 过 电流和过高的 du dt 与 di dt 都十分敏感 此外 谐波与无功功率造成的 电 力公害 是晶闸管可控整流装置进一步普及的障碍 随着全控器件的出现 性 能更加优越的直流 PWM 调速系统开始得到应用 尤其是全数字直流调速系统出 常州工学院学士学位论文 5 现后发展迅速 为智能控制应用于直流调速提供了平台 本课题旨在设计 PWM 直流调速系统 在传统 PID 控制基础上引入模糊控制技术 从而改善直流调速 系统的参数变化自适应能力 达到直流电动机的平滑调速的目的 本章小结 对直流调速的发展 应用有了初步了解 并与交流调速做了简单比较 介 绍了直流调速的控制方法 指出传统 PID 控制的应用 介绍模糊 PID 的优点 并提出本设计的意义 常州工学院学士学位论文 6 第 2 章 直流调速系统的理论分析 2 1 转速 电流双闭环调速系统组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 在系统中设置了两个调节器 分别是转速和电流 二者之间实行串级联接 如图 2 1 所示 这就是说 把转 速调节器的输出当作电流调节器的输入 再用电流调节器的输出去控制 PWM 调制器 从闭环结构上看 电流调节环在里面 叫做内环 转速调节器在外面 叫做外环 这样就形成了转速 电流双闭环调速系统 为了获得良好的静 动 态性能 双闭环调速系统的两个调节器都采用 PI 调节器 为了分析双闭环调速系统的静特性 绘出了它的稳态结构图 如图 2 1 所 示 分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征 一般存在两种状况 饱和 输出达到限幅值 不饱和 输出未达到限幅值 当调节器饱和时 输出 为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非有反向的输入信号使调节器退出饱 和 换句话说 饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系 相当于使调节 环开环 当调节器不饱和时 PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是为零 U 图 2 1 转速 电流双闭环调速系统稳态结构图 实际上 在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态的 因此 对于 常州工学院学士学位论文 7 静特性来说 只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 一 转速调节器不饱和 这时 两个调节器都不饱和 稳态时 它们的输入偏差电压都是零 因此 和nUU n ndi IUU i 由第一个关系式可得 2 1 0 n U n n 从而得到图 2 2 静特性的段 An 0 与此同时 由于 ASR 不饱和 从上述第二个关系式可知 imi UU 这就是说 段静特性从 理想空载状态 一直延续到 dm II d An 0 0 d I 而一般都是大于额定电流的 这就是静特性的运行段 dm II ddm I dnom I 二 转速调节器饱和 这时 ASR 输出达到限幅值 转速外环呈开环状态 转速的变化对系 im U 统不再产生影响 双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统 稳态时 2 2 dm im I U I d 式中 最大电流是设计者选定的 取决于电机的容许过载能力和拖动系统允 dm I 许的最大加速度 式 2 2 所描述的静特性是图 2 2 中的 A B 段 这样的 下垂特性只适合于的情况 因为如果 则 ASR 将退出饱 0 nn 0 n n nn UU 和状态 图 2 2 双闭环调速系统的静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差 这时 dm I 常州工学院学士学位论文 8 转速负反馈起主要调节作用 当负载电流达到后 转速调节器饱和 电流调 dm I 节器起主要调节作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 这就 是采用了两个 PI 调节器分别形成内 外两个闭环的效果 这样的静特性显然比 带电流截至负反馈的单闭环系统静特性好 然而实际上运算放大器的开环放大 系数并不是无穷大 静特性的两段实际上都略有很小的静差 转速调节器采用常规 PI 调节器 电动机启动时 突加了一个阶跃给定电 压 由于电机惯性的存在 电机转速很低 使得转速调节器的输出很快达到饱 和限幅值 而且维持不变 这时电机开始恒加速上升 当电机的转速升到给定 值后 转速反馈值大于转速给定值转速偏差变为负值 转速调节器退出饱和 进 入线性状态 在转速调节器刚退出饱和时 由于电动机的电流仍大于负载电流 电动机仍继续加速 直到电动机的电流小于负载电流 转速才降下来 因此 直 流电动机在启动过程中必然存在超调 在某些不允许转速超调的地方 采用常 规 PI 调节器就会有一定的局限性 2 2 直流调速系统控制方案 本设计采用 PWM 控制方法 设计并制作出具有模糊控制全数字化直流调 速控制器 解决直流电机负载参数时变情况下能满足稳定转速精度的要求 具 体内容有 设计直流脉宽调速系统总体构成 并根据给定对象及要求对调速系 统进行参数计算 研究模糊控制理论 以及模糊控制与 PID 控制技术相结合的 控制方案 控制系统硬件组成 如图 2 3 所示为整个调速系统的硬件组成 其中包括 主电路 控制电路 驱动电路 检测电路 在以下几节中将分别介绍各个模块 的功能以及电路构成 常州工学院学士学位论文 9 M R0 R1 R2 C Rb Vb VT1 VT2 VD1 VD2 VD3VT3 VT4 VD4 单片机 显 示 其 他 外 设 键 盘 电压检测电流检测电流检测 驱动电路 转速检测 V 测速发电机 ADC0 809 图 2 3 调速系统硬件组成 2 3 传统直流调速系统中调节器参数的计算 2 3 1 设计指标及要求 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统 整流装置采用三相桥式电路 基本 数据如下 直流电动机 220V 136A 1460r min V 允许过载倍数132 0 e Crmin 5 1 晶闸管装置放大系数 40 s K 电枢回路总电阻 5 0R 时间常数 sTl03 0 sTm18 0 电流反馈系数 5 1 10 05 0 N IVAV 常州工学院学士学位论文 10 转速反馈系数 10 min 07 00 N nVrV 设计要求 设计电流调节器 要求电流超调量 要求转速无静差 5 i 空载启动到额定转速时的转速超调量 试按工程设计方法设计转速调 10 n 节器 并校验转速超调量的要求能否得到满足 2 3 2 电机参数计算 1 电流调节器的设计 1 确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数 按表 2 1 三相桥式电路的平均失控时间 s T 0 0017s s T 表 2 1 晶闸管整流器的失控时间 整流电路形式最大失控时间msT smax 平均失控时间msTs 单相向半波2010 单相桥式 全波 105 三相半波6 673 33 三相桥式3 331 67 2 电流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是 3 3ms 为了基 oi T 本滤平波头 应有 1 2 3 33ms 因此取 2ms 0 002s oi T oi T 3 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理 取 i T 0 0037s i T s T oi T 2 选择电流调节器结构 根据设计要求 并保证稳态电流无差 可按典型 I 型系统设计电流 5 i 调节器 电流环控制对象是双惯性型的 因此可用 PI 型电流调节器 其传递函 数则为 s sK W i ii ACR 1 s 检查对电源电压的抗扰性能 参看表 2 2 的典型 I 型11 8 0037 0 03 0 l i T T 系统动态抗扰性能 各项指标都满足要求 常州工学院学士学位论文 11 表 2 2 典型 I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 22 1 m T T T T 5 1 10 1 20 1 30 1 100 max b C C 27 8 16 6 9 3 6 5 Ttm 2 83 43 84 0 Ttv 14 721 728 730 4 3 计算电流调节参数 表 2 3 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系 KT0 250 390 500 691 0 阻尼比 1 00 80 7070 60 5 超调量 0 1 5 4 3 9 5 16 3 上升时间 r t6 6T4 7T3 3T2 4T 峰值时间 p t 8 3T6 2T4 7T3 6T 相角稳定裕度 76 3 69 9 65 5 59 2 851 截止频率 c 0 243 T0 367 T0 455 T0 596 T0 786 T 电流调节器超前时间常数 sTl03 0 i 电流环开环增益 要求时 按表 2 3 应取 因此 5 i 5 0 i TKI 11 1 135 0037 0 5 05 0 ss T K i I 于是 ACR 的比例系数为 013 1 05 0 40 5 003 0 1 135 s iI i K RK K 常州工学院学士学位论文 12 4 校验近似条件 电流环截止频率 1 1 135 sKI ci 1 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件 ci ss T 11 s 1 196 0017 0 3 1 3 1 2 校验忽略反电动式变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件 ci l ss TT 11 m 82 40 03 0 18 0 1 3 1 3 3 校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 ci ois ss TT 11 8 180 002 0 0017 0 1 3 11 3 1 5 计算调节器电阻和电容 电流调节器所用运算放大器取 各电阻和电容值计算如下 k40 0 R 取 40k kRKR ii 40013 1 0 取 0 75FFF R C i i i 75 0 1075 0 1040 03 0 6 3 F 取FFF R T C oi oi 2 0102 0 1040 002 0 44 6 3 0 F 2 0 按照上述参数 电流环可以达到的动态跟随性能指标为 见表 2 3 满足设计要求 5 3 4 i 2 转速调节器的设计 1 确定时间常数 1 电流环等效时间常数 由电流环设计可知 则 I K 1 5 0 i TKI I K 1 ssT i 0074 0 0037 0 22 2 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况 取 on TsTon01 0 3 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 n T sssT K T on I n 0174 0 01 0 0074 0 1 2 选择转速调节器结构 常州工学院学士学位论文 13 按照设计要求 选用 PI 调节器 其传递函数为 s sK W n nn ASR 1 s 3 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则 取 h 5 则 ASR 的超前时间常数为 sshT n 087 0 0174 0 5 n 由可求得转速环开环增益 22 2 1 n n Th h K 22 2222 s 4 396s 0174 0 52 6 2 1 n n Th h K 于是 由式可求的 ASR 的比例系数为 n me n RTh TCh K 2 1 7 11 0174 0 5 0007 0 52 18 0 132 0 05 0 6 2 1 n me n RTh TCh K 4 校验近似条件 由可知转速环截止频率为 c K l 11 5 34087 0 4 396 ssK K nN l N cn 1 电流环传递函数简化条件 满足简化条件 cn I ss T K 11 i 7 63 0037 0 1 135 3 1 3 1 2 转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 cn I ss T K 11 on 7 38 01 0 1 135 3 1 3 1 5 计算调节器电阻和电容 由转速调节器原理可知 取 则 k40 0 R 取 470 kkRKR nn 46840 7 11 0 k 取 0 2FFF R C n n n 185 0 10185 0 10470 087 0 6 3 F 取 1FFF R T C on on 1101 1040 01 0 44 6 3 0 F 常州工学院学士学位论文 14 前面所设计的 ASR ACR 可用模拟电路设计来实现 但随着智能芯片的发 展 采用数字方法实现调速系统的设计得到更广泛的应用 在计算机控制系统中 可将模拟 PID 控制规律通过离散化方法获得数字 PID 控制算法 其差分方程为 1 0 T keke Tie T T keKku d k i i p 控制器输出仍是由三项构成 第一项 Kp e k 比例控制 第二项 k i i p ie T TK 0 数字积分控制 第三项 数字微分控制 T keke TK dp 1 数字 PID 控制算法根据被控对象的不同可分为位置型和增量型 位置型其 算法如下 0 1 k P i i Te ke k u kKe te iTd TT 增量型其算法如下 1 2 1 2 pid u kKe ke kK e kK e ke ke k 其中 Kp为比例增益 为积分系数 为微分系数 p K ipi KK T T dpd KK TT 增量型算法与位置型算法相比较 增量型算法不需要做累加 计算误差或 计算精度对控制量的计算影响较小 而位置型算法要用到过去偏差的累加值 容易产生大的累加误差 增量型算法的误动作影响小 而位置型的误动作影响 大 增量型算法易于实现手动到自动的无冲击切换 但是增量型只适用于对步 进电机的控制 因而采用既具有上述优点又适用于控制直流电机的改进型增量 算法 1 u ku ku k 1 1 2 1 2 pid u kKe ke kK e kK e ke ke k 数字 PID 算法实施中的问题 算法编程 定点运算运算速度快 但精度较低 浮点运算精度高但运算速度慢 输出限幅 控制系统的执行机构都有其极限位置 与控制器对应就有两个极限量及最大控制量和最小控制量 输出超过 max U min U 极限位置可能损坏设备或使控制性能下降 因此当 时取 max u kU max u kU 当时 取 积累整量化误差 当积分项时 不 min u kU min u kU i Ke ke 常州工学院学士学位论文 15 要把它舍弃 而是将其累加起来 即 直到累加值时 将加 1 n i i Sui i i Se i S 入到中 u k 本章小结 本章是调速系统总体方案设计 介绍了传统双闭环控制及其应用 并说明 了这种系统存在的问题 从而提出本设计所采取的控制方案 画出框图和原理 简图并解释其工作原理 常州工学院学士学位论文 16 第 3 章 调速系统硬件设计 3 1 主电路设计 在给定直流电机的相关参数后可以进行主电路设计 以前述所给的直流电 机参数为例进行设计 主电路由整流电路 滤波电路及 PWM 变换器组成 为 简化控制电路 减少滤波 整流电路采用三相二极管整流电路整流 系统的调 压由 PWM 变换器承担 PWM 变换器由四个绝缘栅极双极晶体管 IGBT 和四个 续流二极管组成 M R0 R1 R2 C Rb Vb VT1 VT2 VD1 VD2 VD3VT3 VT4 VD4 图3 1 主电路图 3 1 1 整流电力二极管参数的确定 整流二极管所承受的正反向电压最大值为三相交流电网线电压的峰值 即 为 实际应用当中需要考虑到电网电压的波动及各类浪涌电压的影响 因 1 2U 此需要留有一定的安全裕量 一般取为此峰值电压的 2 3 倍 以前面所给定的 电机参数设计为例 整流二极管的正反向额定电压为 20 1612 80 10743802 3 2 2 3 2 1 VUUDn 通过二极管的峰值电流及电机最大负载时的峰值电流 为电机额定电流的 5 6 倍 取 则AIm 5 40 AItdII mmd 38 23 3 1 2 1 3 2 0 2 二极管的电流有效值为 其最大峰值为A 5 1338 23 3 1 3 1 0 dVD II 考虑一定的安全裕量可以求得整流二极管 09 1950 1322AII VDVDm 的额定正向平均电流为 A18 38 63 2809 19 2 5 1 2 5 1 VDmDn II 常州工学院学士学位论文 17 根据整流二极管的选型手册 选取的电力二极管作为整流电路50 1200AV 的主开关管 3 1 2 IGBT 的选择 根据设计的要求 选用 MG200Q2YS50 型 IGBT 具有如下参数极值 共射极 饱和电压为 1200V 栅射极最大额定电压为 20V 集电极功耗 Tc 25 C 为 400W 结温为 150 C 存储温度范围为 40 125 C 3 2 驱动电路设计 3 2 1 IGBT 驱动电路的一般要求 栅极驱动电压 IGBT 开通时 正向栅极电压的值应该足够令 IGBT 产生完全 饱和 并使通态损耗减至最小 同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力 在任何情况下 开通时的栅极驱动电压 应该在 12 20V 之间 当栅极电压为零 时 IGBT 处于关断状态 但是 为了保证 IGBT 在集电极 发射极电压上出 噪声时仍保持关断 必须在栅极上施加一个反向关断偏压 采用反向偏压dtdv 还减少了关断损耗 反向偏压应该在 5 15V 之间 IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的 因此栅极电阻值将 对IGBT的动态特性产生极大的影响 数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快 从而减小开关时间和开关损耗 3 2 2 IGBT 的专用驱动集成电路 为了使单片机发出 PWM 脉冲信号能够控制 IGBT 的导通 在中间必须使用一 个驱动装置来实现脉冲信号的放大 本文所设计的驱动电路采用 300A 1200V 快速型 IGBT 专用驱动模块 EXB841 该电路的信号延迟时间不超过 最高s 1 开关频率可达 40kHz 50kHz 外部只需要提供单电源 20V 内部自己产生 5V 反 偏压 该模块采用高速光电隔离 射极输出 并且有短路保护及慢速关断功能 EXB841 模块的内部原理图如图 3 2 所示 其工作原理如下 常州工学院学士学位论文 18 图 3 2 EXB841 的内部原理图 其主要有 3 个工作过程 正常开通过程 正常关断过程和保护动作过程 1 正常开通过程 当 PWM 输入信号使光耦导通时 A 点电位迅速下降至 0V 使 截止 D 点电位上升至 20V 导通 截止 EXB841 通过 1 VT 2 VT 4 VT 5 VT 及栅极由电阻向 IGBT 提供电流 使之迅速导通 与此同时 截止 4 VT G R 1 VT 20V 电源通过向电容充电 由于 IGBT 约内已导通 管压降约 3V 3 R 2 Cs 1 CE V 左右 从而将 EXB841 的 6 脚电位保持 的串联电压约 8V 稳压管 7 VD CE V 2 VST 的稳压值为 13V 在 IGBT 导通过程中无法导通 于是不通 E 点电位 1 VST 3 VT 较高 截止 不影响与的正常工作 6 VD 4 VT 5 VT 2 正常关断过程 当光耦无输入信号时 A 点电位上升 使 导 1 VT 2 VT 通 截止 导通 使 3 脚电位下降 IGBT 关断 关断时管压降迅速 4 VT 5 VT CE V 上升 使截止 6 脚悬空 又由于导通 通过将 B C 两点的电压 7 VD 1 VT 2 C 1 VT 篏在 0V 仍不通 IGBT 正常关断 3 VT 3 保护动作过程 设在 IGBT 正常导通时发生短路现象 则由于主电流 很大 IGBT 将退出饱和 立即上升 6 脚悬空 6 脚电位不再篏位为 8V 电 CE V 容上的电压就立即上升 当充电电压高于 13V 时开始导通 导通 2 C 3 VT 3 VT 常州工学院学士学位论文 19 放电 E 点电位逐渐下降 慢慢关断 IGBT 同时 5 脚上输出低电平作为过流 4 C 报警输出 触发单元以 AT89S52 单片机为核心 由 TTL 系列集成电路 7406 和 7407 低 电平驱大功率 IGBT 专用驱动芯片 EXB841 再有该芯片驱动 IGBT 当 P0 3 输出 高电平 1 时 7406 的输出为低电平 0 7407 的输出为高电平 1 VT2 导通 当 P0 3 输出低电平 0 时 7407 的输出为低电平 0 VT2 截止 7406 的输出为高电平 1 VT1 导通 下图由一组驱动电路来说明 AT89S52 P0 3 EXB841 15 14 26 1 3 EXB841 15 14 26 1 3 VD1 VD2 D10 D11 20V 20V 7407 7406 R10 R11 图 3 3 IGBT 触发电路 3 3 检测电路设计 3 3 1 电压检测电路设计 检测与传感是实现单片机控制的关键环节 它与信息系统的输入端相连 并将检测到的信号输送到信息处理部分 是单片机控制系统的感受器官 检测 是检出和测量的总和 检出定义为指示某些特殊量的存在 但无需提供量值的 过程 测量则被定义为以确定被测对象量值为目的的全部操作 传感器是一种 以一定精确度将被测量 如位移 力 加速度等 转换为与之有确定对应关系 的 易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置 而传感检测技术就 是应用传感器将被测信息转换成便于传输和处理的物理量 进而进行变换 传 输 显示 记录和分析数据处理的技术 常州工学院学士学位论文 20 M A1 IGBT R1 R2 R4 R3 P1 3 电动机 5V 图 3 4 电压检测电路 本设计中电压检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片机实现接口 一旦检测到电压超过设定的参数 单片机则立刻产生中断处理 即可封锁输出 给 IGBT 的 PWM 信号 并控制发生声光报警 如图 3 4 所示 3 3 2 电流检测装置设计 电流检测装置选用传感器中所学的霍尔元件直接检测直流控制回路中的电 流 然后输出一个电压信号送入单片机 电流检测采用霍尔传感器 LA50 NP 检 测直流电流 电流霍尔传感器分为电压输出和电流输出 电压输出型电流霍尔 元件中内部集成了放大器 接入电源 通常为正负电源 当被测电流经过霍 尔的窗口时 可以直接输出和电流成正比的电压信号 该电压可以直接用于系 统控制或显示 电流输出型电流霍尔元件的输出是和被测电流成正比的电流信 号 使用时需接上适当的电阻 将电流信号转变为电压信号 本设计中可直接 选用电压输出型电流霍尔元件 A2 H R5 R6 5V LA50 AP P1 4 图 3 5 电流 I 检测电路 常州工学院学士学位论文 21 3 3 3 转速测量 测速发电机的工作原理类似于发电机的工作原理 两者都是将转动的机械 能转换为电信号输出 当测速发电机工作时 在某一瞬间其输出电压跟角 SC U 速度成正比 而极性有旋转方向确定 输出电压为 3 1 kUSC 式中 k 灵敏系数 测速发电机的输出特性推倒如下 已知直流电势 3 2 nCE ea 当每极总磁通为常数时 则 即输出电势与转速成正比 测速发 nEa 电机电刷两端接上负载电阻后 两端的电压才是输出电压 由图 3 9 可 L R L R 知 负载时测速发电机的输出电压等于感应电势减去它的内阻压降 即 3 3 aaaa RIEU 图 3 6 直流测速发电机电路图 此式称为直流发电机电压平衡方程式 式中 为电枢回路的总电阻 它 a R 包括电枢绕组的电阻 电刷和换向器之间的接触电阻 为电枢总电流 且有 a I 3 4 Laa RUI 将式 3 4 代入 3 3 得 3 5 a L a aa R R U EU 经简化后为 常州工学院学士学位论文 22 3 6 n R R C R R E U L a e L a a a 11 式 3 5 是负载时输出电压与转速的关系 如果式中 和都能保 a R L R 持为常数 则与 n 之间仍呈线形关系 只不过随着负载电阻的减小 输出特 a U 性的斜率变小而已 根据设计所给定直流电机参数要求 选择 75CYB0 型永磁直流测速发电机进 行转速检测 其技术数据如下 最大输出功率为 14 4W 输出斜率 60 V Kr min 额定电流为 0 08A 直流电阻为 110 线性误差 0 5 输出电压不对称度 0 5 纹波系数 min e e k min ec ec k max ec ec k ec ec k ec e k ec k 模糊量化处理查模糊控 制表 比例因子加权 NN NN Y Y 图 4 4 模糊控制流程图 本章小结 本章主要介绍了模糊控制相关内容 PID 相关内容 模糊与 PID 相结合的详细 算法 画表格来说明隶属函数相关内容 常州工学院学士学位论文 37 第 5 章 仿真分析 5 1 仿真工具简介 5 1 1 关于 MATLAB MATLAB 这个名字是由 MATrix 和 LABoratory 这两个词的前两个字母组 合而成 顾名思义 就是矩阵实验室 mstrix laboratoty 它是由 MathWorks 公 司于 1984 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件 被译为 巨人肩 膀上的工具 最为重要的是 由于使用 MATLAB 进行编程运算与人进行科 学计算的表达方式完全一致 所以不像其他高级语言 如 Basic Fortran 和 C 等 那样难于掌握 用 MATLAB 编写程序如同在演算纸上排列出公式与求解 问题 因此它又被称为演算纸式科学算法语言 正如其名 MATLAB 主要用于方便矩阵的存取 其基本元素是无需定义维 数的矩阵 MATLAB 自问世以来 就以数值计算称雄 MATLAB 进行数值计 算的基本单位是复数数组 或称阵列 这使得 MATLAB 高度 向量化 经过近 20 年的扩充和完善 MATLAB 现已发展成为线性代数课程的标准工具 由于它不需要定义数组维数 并且它提供了矩阵函数 特殊矩阵专门的库函数 使之在求解诸如信号处理 建模 系统识别 控制 优化等领域的问题时 显 得大为简捷 高效 方便 这是其他高级语言所不能比拟的 MATLAB 的典型的应用包括以下几个方面 1 数学和计算算术发展模型 2 模拟仿真和原型 3 数据分析 开发和可视化 4 科学和工程图学 5 应用发展包括图形用户界面设计 MATLAB 系统主要由以下几个部分构成 1 MATLAB 编程语言 主要矩阵描述 函数等 主要特点是面向目标 的编程传统的双闭环分析 2 MATLAB 工作环境 这个集成化的平台为用户进行各种各样的操作提 供了便利 3 MATLA 绘图系统 用户通过 MATLAB 可以绘制二维 三维等图形 常州工学院学士学位论文 38 还可以进行图像处理 动画片制作等 另外 MATLAB 允许用户自己建造完整 图形用户界面 GUIS 4 MATLAB 的库函数 数学和分析的功能在 MATLAB 工具箱中被组 织成 8 个文件夹 5 应用程序接口 API MATLAB 允许用户通过应用程序接口 编写 C Fortran 语言与 MATLAB 交互的交互程序 在世界各国大学里 诸如应用代数 数理统计 自动控制 数字信号处理 模拟与数字通信 时间序列分析 动态系统仿真等课程的教科书都把 MATLAB 作为其内容 目前 MATLAB 已经成为国际上最流行的科学和工程计算软件 现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个 矩阵实验室 它已经成为一种具有广泛应用前景 的全新的计算机高级编程语言 有人称它为 第四代 计算机语言 它在各种 数学运算中正扮演着重要的角色 MATLAB 语言的功能也越来越强大 不断适