直流电机控制_毕业论文

引言电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。131绪论本章介绍了直流电机的特点及其发展概况，然后介绍了直流电机在工业控制等领域中的具体应用，同时阐述了直流电机控制中有待研究的问题。并在此基础之上介绍了本课题的选题背景和意义，最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构安排。11直流电动机控制的发展历史及研究现状111直流电动机控制的发展历史常用的控制直流电动机有以下几种第一，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。第二，三十年代末，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上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，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组放大倍数10高1000倍，比汞弧变流器放大倍数1000高10倍在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。14从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。17在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。112直流电动机控制的研究现状数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。18国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。19随着新型电力半导体器件的发展，IGBT绝缘栅双极型晶体管具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（PULSEWIDTHMODULATION,简称PWM）方向发展。16我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。1212本课题主要研究内容及意义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，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要地位。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稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动。稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化适应能力差。直流电机的数学模型很容易得到，这使得经典控制理论在己知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速控制器就是建立在此基础上的。然而，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数并不如模型那样一成不变，尤其对于中小型电机，在某些应用场合随工况而变化同时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数PID调节器顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规PID调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。在工程上，这种控制器就很有可能满足不了生产的需求，如轧钢工业同轴控制系统、回转窑传动装置、轧辊磨床拖板电控系统等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求，而生产负载参数却是随着工况变化的。7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，可将模糊控制与PID调节器结合，形成FUZZYPID复合控制方案，设计能在负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下均可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。52直流电机的运行原理21直流电机的结构图21直流电机的物理模型图其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。122直流电机的基本工作原理图22直流电机的基本工作原理图对图21所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（A）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈ABCD，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体AB和CD收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（B）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是DCBA，从电刷B流出。此时载流导体AB和CD受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。4实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。23直流电机的调速原理众所周知，直流电机转速N的表达式为21KIRU式中U电枢端电压I电枢电流R电枢电路总电阻每极磁通量K与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速N的控制方法有三种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GM系统，国际上统称WARDLEONARD系统，这是最早的调压调速系统。GM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。220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VM系统，又称静止的WARDLEONARD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。VM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DCDC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。24直流电机的数学模型直流电动机的等效电路如下图所示。UARALAQTETLEANS负载图23直流电动机等效图电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为22ILRAAADT23KTDLEDTJ式中UA电源电压IA电枢电流RA电枢电阻包括电刷、换向器以及两者之间的电阻LA电枢电感EA电枢反电动势J转动惯量转动的角速度TE电磁转距TL负载转距KD转动部分的阻尼系数永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为EAKE24式中KE反电动势常数电磁转矩为TEKTIA25式中KT磁转矩常数。2动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式22、式23、式24和式25作拉氏变换，得到如下函数UASRAIASLASIASEASJSSTES一TLS一KDSSEASKESTESKTIAS上面的式子可以用下面的方框图表示。3KTKAEASIASTESTLS1LASRA1JSKD图24直流电动机数学模型3模糊控制的基本原理31模糊控制的起源“模糊”一词的英语名称是“FUZZY”，从文字上理解，包含了“含糊”、“不确定”、“不清楚”等概念，人们在生产中碰到的很多事情，包括人脑的思维，具有模糊性的特点，所谓“模糊性”，只要是指客观事物彼此之间的差异在中过渡的“不分明性”。例如冷和热，或很冷、冷、暖和、热和很热，大、中、小，长和短等等，都很难用精确的数学语言划分出一条截然分明的界限。而经典数学只能确切地描述事物，难以描述人们在日常生活中遇到的大量模糊现象和概念。随着科学技术的发展，迫切要求能描述和处理这些模糊现象和概念。人们在经典数学的基础上，对它进行改造和扩充，产生了模糊数学。模糊理论是在美国加里福尼亚大学LAZADEH教授于1965创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，是描述处理人类语言所特有的模糊信息理论。主要包括模糊集合及其隶属函数，模糊算子和模糊关系。ZADEH教授首次提出了表达事物模糊性的重要概念隶属函数，从而突破了19世纪末期德国数学家CANTOR创立的经典集合理论的局限性。借助于隶属函数可以表达一个模糊概念从“完全不属于”到“完全属于”的过渡，才能对有的模糊概念进行定量表示。隶属函数的提出奠定了模糊理论的数学基础。这样，像“冷”和“热”这些常规经典集合中无法解决的模糊概念就可以在模糊集合得到有效的表达，为计算机处理这种语言信息提供了一种可行的方法。301974年，英国的EHMMADNAI首次用模糊逻辑和模糊推理实现世界第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果。他的成功也标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始，从而宣告了模糊控制的问世。从将近半个世纪的发展来看，模糊逻辑应用最为广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各种领域出人意料地解决了传统控制理论无法解决或难以解决问题，并取得了一些令人信服的成效。对于模糊控制的评价是模糊控制不依赖于被控对象精确的数学模型。模糊控制在特定的条件下可以达到经典控制论难以达到的“满意控制”，而不是最佳控制。其二模糊理论确实有很多不完替之处，比如模糊规则的获取和确定，隶属函数的选择以及比较敏感的稳定性问题至今未得到完善的解决，但这些却不能否认模糊控制的科学性和有效性，事实上它是智能控制的一个重要分支。同时模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大模、非线性复杂系统扩展。模糊控制在控制领域中的地位和作用越来越重要，这点在图31中可以看出。图31模糊控制在控制领域中的地位与作用32模糊控制的发展和现状模糊控制FUZZYCONTROL是一种对系统控制的宏观方法，其核心是用语言描述控制规则，通常用“如果，则（IFTHEN）”的方式来表达在实际中的专家知识和经验。FI语句部分，即条件部分，是由被控条件构成的命题THEN部分，即结论部分，是描述控制量的命题。模糊控制最大的特点是将专家的控制经验、知识变成语言控制规则，然后去控制系统。因而模糊控制特别适用于对数学模型未知的、复杂的、非线形的控制。在模糊理论提出的年代，由于科学技术尤其是计算机技术发展有限及科技界对于“模糊”含义的误解，使得模糊理论没有得到应有的发展。最早应用模糊控制的是马莉皇后学院的MAMDANI教授，1974年，英国的EHMAMDANI和ASSILIAN首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机压力和速度控制，揭开了模糊理论在控制领域的新篇章。1980年丹麦工科大学的OSTERGAARD等人对水泥窖的模糊控制进行了研究，FLSMITH公司随后制造了专用的模糊控制器，采用该模糊控制器控制水泥窖并且正式投入运行。水泥窖是时变的非线性动态系统，一直难于控制。很多的研究工作者，曾经用辨识方法建立模型，但都没有获得实用的过程模型。因而水泥窖的控制一直依赖于有经验的操作人员来进行。自从FLSMITH公司采用模糊控制取得成功之后，欧美的一些水泥制造公司也相继采用模糊控制。模糊理论的发展和计算机技术的发展是紧密相关的。没有计算机技术的发展就没有模糊理论的发展，而模糊理论又促进了计算机技术的革命。由于应用模糊理论描述模糊信息，让计算机控制技术在控制领域得到了广泛的应用，各个国家都在积极地研究模糊控制技术，我国开展模糊理论研究己有20多年的历史，并取得了很大的成果。29目前，以中国、日本、欧美为代表的各国科技人员正就以下各个方面开展深入的研究模糊理论基础研究、模糊计算机方面的研究、机器智能化研究、人工工程的研究、人类系统和社会系统的研究及自然系统的研究。现在模糊控制已得到广泛的应用，特别是在日本，控制应用的实例有列车自动运行控制系统、净水处理系统、机器人控制、汽车速度控制、电梯群管理控制等。33模糊控制的重要概念331模糊集合及隶属函数在经典集合论中，任何一个元素与任何一个集合的关系，只有“属于”和“不属于”两种情况，两者必居其一，而且只居其一，绝对不允许有模棱两可。比如“不大于6的自然数”是个清晰的概念，该概念的内涵和外延是明确的。可是，我们常遇到没有明确外延的概念，它实质上和模糊概念。比如“比6大的多的自然数”就是一个模糊概念，它不能划分一个明确的界限，使得在这个界限内所有的自然数比6大的多，而界限之外的所有自然数不比6大的多。只能说某个数属于“比6大的多”的程度高，而另一个数属于“比6大的多”的程度低。如60属于“比6大的多”的程度比16属于“比6大的多”的程度高。也就是说模糊集合的边界是不明确的，它是以不同强度隶属度具备某种特性的元素的整体。LAZADEH在1965年把普通集合中的元素对集合的隶属度只能取0和1这两个值，推广到可以取区间0,1的任何一个值。即用隶属度定量去描述论域U中的元素符号概念的程度，实现对普通集合中绝对隶属关系的扩充和模糊的定量化表示，从而用隶属函数表示模糊集合，用模糊集合表示模糊概念。模糊集合的数学描述如下AX,AX,XXAX为元素X属于模糊集合A的隶属度，X是元素X的论域。模糊数学把集合的特征函数的取值范围扩大为0,1闭区间任意值的连续逻辑，并称之为模糊集合的隶属函数，它是模糊集合的重要组成部分，在理论上隶属函数描述了一个论域中所有元素属于模糊集合的强度。模糊系统中常用的隶属函数有高斯型、双侧高斯型、钟型、SIGMOID函数型、Z型、S型、三角型隶属函数，隶属函数可以是任意形状的曲线，取什么形状取决于它的使用是否简单、快速、有效，唯一的约束条件是隶属函数的值域为0,1。332模糊关系及模糊推理描述元素之间是否相关的数学模型称为关系，描述元素之间相关程度的数模型称为模糊关系。显然模糊关系是普遍关系的拓宽和发展，而普通关系可认是模糊关系的特例。模糊关系是模糊数学的重要组成部分。当论域有限时，可模糊矩阵表示模糊关系，模糊矩阵为模糊关系的运算带来了极大的方便，成为模糊关系的主要运算工具。模糊关系是描述元素之间相关的程度的数学模型，其定义为两个非空集合U和V之间的直积UV（U,VUU,VV中的一个模糊子集R被称为U到V的模糊关系，又称为二元模糊关系。其特性可以用下面的隶属函来描述RUV0,1，隶属函数R（U,V）表示序偶U,V的隶属函数。当论域为N个集合UII1，2，3，N的直积U1U2U3UN时，它们对应的模糊关系R则称为N元模糊关系。推理就是根据己知的一些命题，按照一定的法则，去推断一个新的命题的思维过程和思维方式。简言之就是从已知条件求未知结果的思维过程就是推理。使用传统的二值逻辑进行演绎推理和归纳推理时，只要大前提和推理规则是正确的，小前提是肯定的，那么就一定会得到正确的结论。然而，在显示生活中，我们获取的信息往往是不精确的、不完善的，或者是事实本身就是模糊而不完全正确的，但有必须利用且只能利用这些信息进行判断和决策。模糊逻辑推理是一种新的推理方法，其基础是模糊逻辑，它是在二值逻辑三段论的基础上发展起来的。由于它缺少现代形式逻辑中的性质及理论上的不完善，这种推理方法还未得到一致的公认。但是，这种推理方法所得到的结论与人的思维一致或相近，在实践中证明是有用的。模糊推理是一种以模糊判断为前提，运用模糊语言规则，推出一个新的近似的模糊判断结论的方法。常用的推理方法有ZADEH推理法和MAMDANI推理法。284直流电机模糊控制器的设计41参数模糊自整定PID控制系统结构模糊自整定PID参数控制系统是以模糊控制规则推理实时调节PID参数的一种控制系统。模糊控制规则给出的是在不同实时状态下对PID参数的推理结果。模糊自整定PID参数控制系统的结构如图41所示。ERRORDE/DTPID调节器模糊控制对象给定输出图41模糊自整定PID参数控制系统结构图模糊自整定PID参数控制就是在一般的PID控制系统的基础上，采用模糊推理思想，加上一个模糊推理环节模糊推理环节是为了根据系统实时状态调节PID的参数而设置的。6在传统PID控制器中，EK、EK1、EK2是输入量，故它们都是己知量，而未知量KP、KI、KD，它们是需要确定的。在一般系统中，KP、KI和KD，是扩充临界比例度法或者扩充响应曲线法等实用工程方法整定。这些工程方法都要对被控对象进行现场实际测定之后，才能确定KP、KI、KD参数。10比例系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但过大容易产生超调，甚至导致不稳定如果KP值取得过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而拖长调节时间，使系统动静态特性变坏。积分作用系数KI的作用在于消除系统的稳态误差。KI越大，系统的静态误差消除越快，但KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，若KI过小，将使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分作用系数KD的作用在于改善系统的动态特性。因为PID控制器的微分环节是响应系统偏差的变化率EC的，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前制动，但KD过大，则会使响应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗干扰性较差。42被控过程对参数KP、KI、KD的自整定要求根据KP、KI、KD对系统输出特性的影响情况，归纳出在一般情况下，在不同的E和EC时，被控过程对参数KP、KI、KD的自整定要求为图42输出响应曲线1当E较大，即系统响应处于图42输出响应曲线的第一阶段时，为了加快系统的响应速度，并避免因为开始时偏差E的瞬间变大所可能引起饱和，而使控制作用超出许可范围，因此应取较大的KP和较小的KD，同时为了防止积分过饱和，避免系统出现较大的超调，此时去掉积分作用，取KI0。2当E和EC为中等大小，即系统响应处于图42输出响应曲线的第二阶段时，为使系统响应的超调减少，KP、KI、KD都不能取太大，应取较小的KI值，KP、KD值的大小要适中。以保持系统的响应速度。3当E较小，即系统响应处于图42输出响应曲线的第三阶段时，为使系统具有良好的稳态性能，应适当的增大KP和KI的值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当的选取KP值，其原则为当EC较小时，KP值取中等大小；当EC较大时，KP应取小些。43直流调速模糊自整定PID参数控制器设计过程431确定控制器的输入、输出语言变量由模糊自整定PID参数控制系统结构图可知，参数修正部分实质上是一个模糊控制器，其输入语言变量为直流电机转速偏差绝对值E和直流电机转速偏差变化率绝对值EC，输出语言变量为KP、KI、KD。432确定各语言变量的论域，在其论域上定义模糊量设模糊控制器各语言变量论域如下EX0；1；2ECY0；1；2其中在输入语言变量E和EC的论域中取语言值“大”B，“中”M，“小”S三种。其语言值隶属函数曲线如图43，44所示。31小中大E1E2E3隶属度图43语言变量误差E隶属度函数小中大EC1EC2EC3隶属度图44语言变量误差变化率EC隶属度函数433确定KP、KI、KD的调节规则有上述设计可知，用于在线自整定PID参数的模糊控制器是以误差和误差变化率为输入语言变量，以比例系数、积分系数和微分系数为输出语言变量的双输入三输出模糊控制器，其控制规则其控制规则就是对参数KP、KI、KD的调节规则。具体调节规则表如下9表41KP调节规则表ECEBMSBMSMMBMBSBMB表42KI调节规则表ECEBMSBZSMMZSBSZZB表43KD调节规则表ECEBMSBSMZMMMSSBBS434模糊推理和模糊运算模糊控制器的控制规则可以写成条件语句的形式，例如，对于表41给出的参数KP的调节规则，就可以写成如下形式的模糊条件语句1IFEBANDECBTHENKPM2IFEBANDECMTHENKPB那么对于其规则的隶属度计算为1UKP1UBEXUBECX2UKP2UBEXUMECX在本设计系统中，对于一个特定的输入量，它最多只能模糊化为两个模糊量，即它对应只有两个模糊量的隶属度不为0，其余都为0。对于速度偏差E和速度偏差变化率EC叫模糊化后的论域值分别为17和12，由图43，图44图中横坐标的EL、E2、E3和ECL、EC2、EC3分别取L、2、3可知，此时的输入偏差可模糊化为“中”和“小”两个模糊量，隶属度为UME1707USE1703同理可知偏差的变化率也只能模糊化为“中”和“小”两个模糊量，其隶属度为UMEC1702USEC1708因此对于当前输入的E和EC，表41中，只有以下四条是有效的1IFEMANDECSTHENKPM2IFEMANDECMTHENKPM3IFESANDECSTHENKPB4IFESANDECMTHENKPB那么，对应的隶属度计算为1UKP1UME17USC112UKP2UME17UMC113UKP3USE17USC114UKP4USE17UMC11将隶属度代入式中计算可得1UKP10708072UKP20702023UKP30308034UKP4030202将UKP进行合成，得KP的模糊输出量为UMKP070207UBKP030203然后由反模糊化得出参数KP的精确整定值为18307251KP式中的15，25表示KP在常规条件下“中”、“大”的整定值。同理可推得KI，KD参数的精确值。由此在线求得的参数KP、KI、KD的值，即可直接输出作为常规PID的整定值，从而实现模糊自整定PID参数的功能。85硬件设计生产实际中要求生产机械在不同情况下以不同速度工作，这就需要对电机的速度进行快速精确的调节。目前，PWM控制方式作为可调电源取代笨重的电动机一发电机组以及饱和电抗器的控制方式具有许多优点。其原理是通过改变脉冲宽度来调节电动机电枢电压实现平滑调速。由单片机控制的直流调速系统一般由电动机、触发器、调节器、转速/电流检测与反馈环节组成，对系统实现数字触发、数字测速、数字调节，即所谓全数字控制。本系统可控制额定电压为1255V，额定功率为18300W的有刷直流电机。针对本系统所用的是直流电机，可使得调速范围为8300转/分钟，速度精度在1以内，位置精度在01以内。本设计所针对实际对象为额定电压为24V，额定功率36W，额定转速为300转/分钟。51控制系统硬件组成如图51所示为整个调速系统的硬件组成，其中包括电机控制模块、隔离保护电路、电机驱动模块、过流保护电路、串口通信电路。在以下几节中将分别介绍各个模块的功能以及电路构成。通信单元主控单元隔离单元驱动单元速度反馈单元过流保护单元图51系统硬件组成图52主控单元模块以AT89S52实现模糊控制以及与LM629的数据传送。单片机通过LM629获得电机转速数据，并通过中值滤波得到实际转速V，之后经模糊运算得到的KP、KI、KD参数，再发送至LM629。521运动处理芯片LM629性能特点及简介一、LM629特点LM629集成芯片是美国国家半导体公司生产的产品。它是可编程全数字式控制的专用运动控制处理器。NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装，使用6MHZ或8MHZ时钟频率和5V电源工作。具体特点如下L内部有32位的位置、速度和加速度寄存器216位可编程数字控制器3可编程分项采样时间间隔48位分辨率的PWM输出5内部梯形速度图发生器6可以进行位置和速度控制7速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变8实时可编程中断9可对增量式光电码盘的输出进行4倍频处理和信号处理。二、管脚及系统结构L管脚介绍LM629N的芯片管脚如图52所示。管脚13与增量码盘的输出信号相连IN，A，B管脚411数据端口D0D7管脚1215分别是CS、RD、GND、WR管脚16是PS，PS1时读写数据，PS0时读状态和指令管脚17是HL，H11时申请中断管脚18，19分别是转向PWMS和输出PWMM管脚2628分别是CKL、RTS、VDD其他管脚在本系统中不用。图52LM629N芯片管脚图2系统结构由LM629构成的直流伺服系统框图如图53所示。它通过I/0口与单片机通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态和信息。其内部有1个16位数字控制器，输出PWM和方向控制信号SIGN，用来控制闭环系统。数字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD数据由单片机提供。驱动器多采用专用的直流电动机驱动芯片双极性或单极性。位置传感器选用增量式光电编码盘。11图53LM629构成的直流伺服系统框图三、工作原理用一个增量式光电编码盘来反馈电动机的实际位置。来自增量式光电编码盘的位置信号A，B经LM629四倍频，提高分辨率。A，B逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器加减1。编码盘的A，B，C信号同为低电平时，就产生一个INDEX信号送入INDEX寄存器，记录电动机的绝对位置。21LM629指令位置接口AT89S52位置反馈PID控制器驱动直流电动机增量式光电编码盘LM629的梯形速度图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。能实现两种控制方式1在位置控制方式时，单片机送来加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数据计算运行轨迹如图54A所示。在电动机运行时，上述参数允许更改，产生如图54B所示的轨迹。2在速度控制方式时，电动机用规定的加速度加速到规定的速度，并一直保持这个速度，直到新的速度指令执行。如果速度存在扰动，LM629可使其平均速度恒定不变。时间转速规定的，加减速度最高速度A时间转速B图54两种典型的速度轨迹LM629内部有一个数字PID控制器，用来控制闭环系统。数字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD数据由单片机提供。522单片机AT89S52对LM629控制该系统中采用的是美国ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为微处理器。AT89S52是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。在该系统中，89S52实现用户的接口，同时完成控制器PID所需的KP、KI、KD数据、控制参数、控制指令的设定。在本系统中LM629的I/O口D0D7与单片机的P0口相连，用来从单片机传送数据和控制指令，从LM629传送电机的状态和运动信息。AT89S52的P20引脚与LM629的片选信号端相连，作为选中LM629的地址线。引脚P21与LM629的PS相连，作为另一条地址线，如图55所示。该系统的关键就是用到了LM629所集成的PID控制器，PID控制器指令有2条，用于输入PID参数，而这三个参数便是单片机经模糊运算所得到的KP、KI、KD。其指令操作码为IEH210个字节写数据，数据的前两个字节中，低字节的内容如表51所示高字节存放微分采样时间间隔数据，其数据格式如表52所示。随后是参数数据，每个数据占2个字节，顺序为KP、KI、KD和积分极限。表51低字节内容76543210不用KPKIKD积分极限表52高字节数据格式15141312111098时间间隔/US0000000025600000001512000000107680000001110241111111165536LM629能向单片机提供电机实际位置，读实际位置指令RDRP，操作码为0AH，4个字节读数据，数据范围C0000000H3FFFFFFFH，所读取的实际数据顺序是高位在前。同时LM629也能向单片机提供实际转速信息，读实际速度指令RDRV，指令码为OBH，但起缺点是只能提供速度采样值的65535倍的整数部分，数据范围C000H3FFFH，可知，其所记录速度数据的真实程度并不准确。AT89S52的主要工作就是向LM629传送运动数据和PID数据，并通过LM629对电动机的运行进行监控。LM629则根据AT89S52发来的数据生成速度图，进行位置跟踪，PID控制和生成PWM信号输出。图55主控电路图53隔离单元模块为了防止电机驱动单元对数字控制单元的干扰，必须在两者之间加隔离电路来防止干扰的产生。避免LMD18200的驱动电路对控制信号的干扰，对于LMD18200的引脚3转向输入、引脚5PWM输入与LM629的PWMS、PWMM引脚之间通过光电耦合器6N137连接。L光电耦合器的选型LM629的PWMM脚输出的调制信号如图56所示，如果LM629接6MHZ晶振，其最小输出占空比（1/128）时的接通时间为4/FCLK4/6106S067US因此应选择高速光耦。而N6137的工作频率可达到10MHZ，即它可用在开关周期为L/L07S01US因此光耦可选6N137。图56LM629PWM调制信号图2光电耦合器的电路接入LM629的输出电流及灌电流不能超过16MA，6N137的驱动电流范围在68MA之间，LM629不能直接驱动6N137，因此在他们之间必须增加驱动，在这里选用74LS04做为光耦驱动。对于74LS04，它的翻转时TPLHTPHL15NS，可知完全满足LM629的PWMM脚输出最小输出占空比时的接通时间场合。且最大输出电流IOL8MA，能完全驱动6N137。其电路图如图57所示。20图57隔离模块电路图LM629的PWMM脚输出信号经74LS04反向，加上6N137是OC门输出，图58是其内部电路图，因此在光耦的输出端必须接上拉电阻使信号还原。如图57R1，R1取值为10K。对于LM629的PWMS脚的电路接法和PWMM脚一样。图586N137内部电路图54电机驱动模块采用LMD18200实现受限单极性驱动方式，LMD18200是美国国家半导体公司NS推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。LMD18200外形结构如图59所示，部电路框图如图510所示。15图59LMD18200外形结构图图510LMD18200内部电路框图引脚2、10接直流电机电枢，电流流向由引脚3控制，实现电机的正反转。电流检测输出引脚8提供电流取样信号，典型值为377UA/A。可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阀值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300KHZ的振荡器控制，使充电泵电容可以充至14V左右。本系统在引脚L、11外接10UF的电容形成第二个充电泵电路。图511为单极性驱动方式下理想波形图。图511LMD18200单极性驱动方式下理想波形LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。本采用单极性可逆驱动方式。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压。本系统直流电机的额定电压为24V。因此LMD18200的6脚接24V直流电源。电路图如图512所示。图中的DB2是输出，为电机提供电枢电压。图512驱动模块电路图55过流保护模块在任何情况下，不论正常工作或发生故障时，必须保证驱动或是电机的工作条件不超出它的允许范围。由于长时间过电流都会损坏驱动或电机，所以除了在选用器件时留有充分合理的裕量，还必须采取采用有效过电流保护措施。本系统电机的额定电流为015A，为了防止电机因过流而烧坏，必须有过流保护装置，在这里用比较器LM339构成。由于LMD18200电流检测输出引脚8提供电流取样信号，典型值为377UA/A。取LM339基准电压为UR5V，可得LMD18200电流检测输出引脚8下拉电阻值R100KLM339的输出UO接AT89552的INT1脚连接，IT0L以负跳变方式触发。当电机过流时向AT89S52发出中断，从而单片机就会调用中断服务程序通过P22关断LMD18200，从而达到过流保护的作用。电路接法如图513所示。图513过流保护电路图56速度反馈模块在直流电动机的输出轴上安装增量式光电编码盘作为转速传感器，它的输出直接联到LM629的A、B、C输入端，形成反馈环节。本系统选用国产GMC1200型光电脉冲发生器，工作电压为5V土5。其输出信号波形如图514所示图514输出信号波形561位置检测来自增量光电编码盘的位置信号A、B经LM629四倍分频提高分辨率，A、B逻辑每变化一次LM629内的位置寄存器加减1。A、B、Z信号同为低电平，就产生一个INDEX送入寄存器，记录电机的绝对位置。其中位置信号可直接从LM629内的位置寄存器中读出。562速度检测单片机对测速脉冲频率应用M/T法处理可得转速值，M/T法能在较宽的转速范围内，以较短的检测时间实现高精度的转速测量。在测速时间TA内同时对光电脉冲发生器输出的脉冲数M1计数的同时对高频脉冲的个数M2也进行计数，M1与M2分别反映对应的转角和测速时间。由于不能从LM629读出电机的精确速度，可采用AT89S52的T2口通过中断对当前速度采样。电路接法如图55所示LM629的A脚与AT89S52的P11T2相连。此系统速度的采样周期为60MS，对于设定转速为N转每分钟的速度控制，脉冲光电发生器的精度为1200，则60MS期间所采集的脉冲数X为XN0061200/60如对每分钟120转的速度设定值，每60MS内的脉冲数为144，将此过程反推则可得出转速的实际值。57通讯模块系统采用RS232串口与PC机通信，图515为其电平转换电路图515电平转换电路6软件设计在本系统中上位机程序用VB编写，单片机控制程序用KEILC51编写。61PC系统界面设计及串口通信上位机主要完成相关参数设定，速度曲线的显示。611系统界面及功能系统界面即人机界面，它的成功与否直接关系到系统的使用。图61为系统界面，包括功能有1控制方式设定，其中有模糊控制参数模糊自整定PID控制。在模糊控制方式下“PID参数设定”栏不可以选中，即不能手动输入PID参数手动控制依靠人工手动输入PID参数。2PID参数设定PID参数设定输入，只能在“控制方式设定”栏的手动控制方式下可用。3速度设定及显示设定电机的转速。4运动曲线图显示横坐标表示位置，纵坐标表示速度，可通过两个粉红色的文本输入框设定显示范围。图61系统界面612PC串口通信VB下的串行端口通信是通过其提供的控件MICROSOFTCOMMCONTROL简称MSCOMM实现的，该控件屏蔽了通信过程中的底层操作，程序员只需设置并监视MSCOMM控件的属性和事件，结合其它VB提供的控件就可完成对串口的初始化和数据的发送接收。L通信处理方式MSCOMM,控件提供了如下两种处理通信的方式，第一是查询方式，在用户程序中设计定时或不定时查询MSCOMM控件的某些属性是否发生变化，从而确定相应处理。在程序空闲时间较多时可以采用该方式第二是采用事件驱动法，这是处理串口通信的一种有效方法。当串口接收或发送指定数量的数据，或当串口通信状态发生改变时，MSCOMM控件触发ONCO