旋转轮盘转速控制系统研究

1、旋转轮盘转速控制系统研究杨治中，侯贵仓，湛希北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 （100083）E-mail ：摘 要：采用数字PID 控制策略，实现了旋转轮盘转速闭环控制。用VB 对数字采集卡USB7333B 编程，辅以整形/放大电路、磁电传感器等硬件构成计算机控制系统。针对算法的积分饱和现象，采用连续变速积分改进积分环节；基于系统稳态性能考虑，提出变速微分法改进微分环节。测试证明，该控制方案在恒定转速和在线变转速情况下均可达到较好控制效果。关键词：转速控制；数字PID ；变速积分；变速微分；VB 中图分类号：TP206+.1 文献标识码：B 作者简介：杨治中，(1980 - ，男，山

2、西省应县人，北京航空航天大学能源与动力工程学院硕士。1 引言旋转轮盘应力实验系统用来测定不同转速下旋转轮盘的应力分布，为航空发动机上高速旋转件的结构分析提供了一个研究模型。为保证实测数据的可靠性，要求系统转速稳定，且转速改变时响应快速。现有系统采用手动调节不仅难于调节，且精度不高，所以需要开发一套转速闭环控制系统。PID 控制因其原理简单、技术成熟、鲁棒性好而在工程上应用广泛，随着计算机进入控制领域，数字PID 控制显出更大的灵活性1。然而数字PID 应用于轮盘转速控制存在积分饱和现象，文献1中的积分分离法和文献2中的分段变速积分法均可抑制积分饱和，但前者作用强度不能随系统偏差的变化而动态变化

3、，后者在控制过程中输出响应在控制结构转换的切换点处会出现跳跃3。本文采用连续变速积分法抑制积分饱和，并提出变速微分法对微分环节改进以改善稳态性能。在第4部分进行了测试，考察经对算法积分环节、微分环节改进后的系统控制效果。 2 旋转轮盘系统主要构成现有的转速测控系统为手动控制，主要由轮缘带40缝的铝质旋转轮盘、11.5级增速器、直流电机、可控硅整流设备、传感器和转速数字显示仪CFC-8131H 构成，图1为设备执行部分实体图，由左至右分别为直流电机、增速器和旋转轮盘。图1 设备实体图3 系统控制方案及原理3.1 闭环控制方案轮盘旋转后，磁电式传感器在轮盘每个缝隙经过时产生一个电脉冲信号。这样轮盘

4、每旋转一周便由传感器产生40个电脉冲信号，此信号有一定的高频干扰，直接送入8254进行计数无法保证测得真实转速，需要将其滤波整形为标准方波信号，图2所示为用以信号整形的施密特整形电路。 图2 施密特整形电路整形后的方波信号送往数据采集卡USB7333B 的定时/计数器8254，在方波的每个上升沿触发并计数一次4。通过对8254编程获得累积数字量，数字量经USB 口送计算机即可测得当前转速。当前转速与设定转速比较后，由数字PID 控制程序来计算下一步的数字控制量，数字控制量经由D/A模块转换为电压模拟信号，通过功率放大电路驱动整流设备来控制直流电机转速升降，经增速器带动轮盘，实现闭环控制。系统控

5、制框图如图3所示。 图3 系统控制框图3.2 控制算法由于直流电机不带积分部件，其转速和计算机输出的数字量对应，所以采用位置式数字PID 算法。数字PID 控制算法位置式：100(iD i P i ji i j IT Tu K e e e e u T T =+ （1）改写成：10( ii P i I j D i i j u K e K e K e e =+（2）等式右边三部分依次为比例环节、积分环节、微分环节。 3.2.1 积分环节改进旋转轮盘控制系统对积分项的具体要求是：在偏差较大的转速启动或转速突变阶段，要求积分作用减弱，以避免产生过大超调导致积分饱和；在偏差较小的稳态阶段，要求积分作用加

6、强, 以消除稳态误差。文献2提到的变速积分法参数A 、B 的确定困难，因此本文采取连续变速积分法对积分环节改进。设置系数( i f e 与|i e 的函数关系3：|( i e Fi f e e= ，( i i i e f e e =（3）( i f e 、|i e 及F 的关系如图4所示，( i f e 1i |e |图4 连续变速积分当|i e 在0变化时，( i f e 在01之间变化。且当|4i e F 时，积分作用就近似为零；当|0i e =时，( 1i f e =，积分作用恢复为通常的PID 。此时积分项由改进前的：I i I i u K e =（4）变为：10( i I i I j

7、 i i j u K e f e e =+（5）函数( i f e 按指数函数规律变化，大偏差时积分作用减弱，提高响应速度，小偏差时积分作用加强，改善其稳态性能。 3.2.2 微分环节改进通过对系统测试，发现偏差较小时在稳态值附近有较大的振荡。因此对微分环节改进，希望偏差大时利用微分作用快速缩小偏差，偏差小时削弱微分环节以改善稳态性能。变速微分正是基于这种思想而提出的。设置系数( i g e 对微分环节改进，( i g e 与|i e 的函数关系为：( arctan |i i g e C e =，( i i i e g e e = （6）( i g e 与|i e 及C 的关系如图5 所示。如

8、取C 为2，( i g e 则在01之间变化。当|0i e =时，( 0i g e =；当|i e 时，( 1i g e ，微分作用恢复为通常的PID 。(i g e 2Ci 图5 变速微分此时微分项的表达式由原来的： 1( D i D i i u K e e = （7） 变为：1( Di D i i u K e e = （8）函数( i g e 按反正切规律变化，使大偏差时微分作用加强，使动态调节品质变好，小偏差时微分作用减弱，使系统的稳态性能得到改善。通过对积分环节和微分环节的改进后的算法为：10( i i P i I j i i j u K e K e f e e =+1( D i i

9、K e e + （9）3.2.3 采样周期T 与PID 参数整定由于系统要求精确控制，要求采样周期T 不能太大。本文采用试验的方法确定T 为0.2 s。PID 控制参数采用归一化整定法2。所谓归一化整定就是为了减少在线整定参数的数量，人为假设约束条件， 令：I P K a K =，D P K b K = （10）a ，b 的值可在系统测试中通过试验进行确定，本文经试验确定0.25a =, 1.25b =，这样在控制参数需要改变时只需调整P K 。3.3 控制程序编制系统采用可视化语言VB 编制转速测控软件，功能包括界面编程和测控功能实现两部分。界面如图 6所示。图6 控制界面软件界面显示当前系

10、统的各参量，包括输出电压、当前轮盘转速、电机转速、当前频率、偏差、控制状态及工作状态等。另外可以设定PID 算法各环节参数。测控功能通过对USB7333B 编程实现，每次采样后由PID 算法处理，经改进后算法流程图如图7。 图7 PID算法流程图4 系统测试 下面对算法改进前后的控制效果进行测试。 首先，在设定转速为800 rpm的情况下对算法改进前后的控制效果进行对比。经测试纯比例控制时当P K =0.0030控制效果最佳，但振荡明显，如图7(a。加入积分环节后形成PI 调节器，虽静差较小，但响应速度比较慢，如图7（b ）。引入微分环节后形成PID 调节器，加快了动作速度，减小了上升时间t

11、r ，但有一定的超调，如图7（c ）。采用上文提到的连续变速积分法和变速微分法对算法进行改进后，系统的动态性能和响应速度都有相应的改善和提高，基本达到无超调，如图7（d ）。 (a 纯比例(b PI控制(c PID控制(d 算法改进后的PID 控制 图8 转速为800rpm 时控制效果其次，将设定转速提高到1500rpm 观测其控制效果如图9。图9 设定转速为1500rpm 时的控制效果表1比较了算法改进前后的控制效果，可以发现：（1）算法改进后的动态性能和稳态性能均得到改善；（2）F 的数量级改变对控制效果影响不大；（3）转速不同时要达到较好的控制效果需要调整PID 参数P K 。 表1 算

12、法改进前后的控制效果比较控制参数 控制效果序号设定转速/rpmK PK IK D F %t s /(se ss /(rpm备注1 800 0.0030 0 0 11% 图8a 2 800 0.00220 0.000330 4% 31 21 图8b 3 800 0.00208 0.000520.0026 8.5% 20 26 图8c 改进前 4 15000.00332 0.000830.00415 10.7%27 355 800 0.00208 0.000520.0026 0.5 2% 11 7 6 800 0.00208 0.000520.0026 1 1% 11 9 图8d7 800 0.0

13、0208 0.000520.0026 15 1.4% 19 9改进后8 15000.00317 0.000790.003961 2% 11 14 图 9最后在各环节系数不变的情况下在线改变转速，并测试其控制效果，如图10。由于在不同的设定转速下，调节器的参数“最佳”值不同，因此控制效果与恒定转速时的控制效果比较尚显不足，但动态性能和稳态性能可通过参数的调整来改善。 图10在线变转速的控制效果测试证明，经过对数字PID 控制算法积分环节、微分环节的改进后，系统动态性能和稳态性能都得到很大程度的提高，在线变转速下的控制效果也较为满意，参数若能进一步优化，可达到更好的控制效果。5 结论本文采用改进的

14、数字PID 控制算法，完成了旋转轮盘的转速闭环控制，测试证明达到了较好的控制效果。 （1）用连续变速积分对算法积分环节进行改进，克服了位置式PID 控制算法中出现的积分饱和现象。（2）提出了一种数字PID 算法的微分环节改进方法变速微分法，改善了系统的动态性能，提高了响应速度。 （3）改进后的算法参数整定容易，鲁棒性好，应用范围广，可适用于多种过程控制。（4）由于PID 参数仍没有达到自整定，因而参数的自整定与自寻优是系统下一步要完善的部分。参考文献1 杨树兴，李擎等. 计算机控制系统理论、技术及应用M. 北京：机械工业出版社， 2006.5 2 潘新民，王燕芳. 微型计算机控制技术实用教程M

15、. 北京：电子工业出版社 2006.1 3 丁懿, 郝娟等. 变速积分PID 控制在磁悬浮轴承控制中的应用和改进J. 实验室研究与探索 2006. 25(3: 287- 2914 范逸之，廖锦棋. Visual Basic与数字输入输出适配卡控制M. 北京: 清华大学出版社，2003.7 Research on Speed Control System of the Rotating Disc Yang Zhizhong，Hou Guicang，Zhan Xi （Beihang University，Beijing 100083，China） Abstract Speed closed-loo

16、p control of the rotating disc is reached through Digital PID algorithm. Visual Basic is used to data acquisition card program. Computer control system consists of USB7333B, sensor and shaping and amplification circuit designed .The variable-integrator is adopted to depress saturated of integrator. Based on system stability, the variable-diffe