基于虚拟仪器的电机转速测控系统

PAGEPAGE1本人励志为大家提供最优秀，最全面的论文设计参考资料，如有不足请给予指正，本人将不甚感激！可订做部分论文！！！具体事宜可联系QQ：844423381需要购买者请联系我，价格将给予优惠！！摘要转速是电机极为重要的一个状态参数，它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试以及故障检测与诊断的准确性；在速度闭环控制系统中，测试装置属于反馈环节，转速检测的宽素性和精度将直接影响系统的控制效果和动静态性能，因此转速的高精度测试具有重要的意义。本论文要设计一个用光电转换方式来测量电动机的转速系统，并做出相应的仿真分析，测速对象为一台额定电压为5V的直流电动机，基本要求是电机转速范围为600~6000r/min,测量的相对误差不大于1%，且用4位七段数码管显示相应的电动机转速。为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，方法是电机的轴上连接一个开孔圆盘，通过光电开关将转速换为电脉冲信号，通过计数等电路，测量出电机的实际转速。它涉及到光电转换，整形，倍频，计数，译码。显示。以及计数显示之间的时序关系的控制等多种电路。论文所设计的系统用到的器件都是本专业电路中常见的器件，价格便宜，且起结构简单，原理易于掌握，但却能较精确测得电机的转速。关键词：转速测量；光电转换；倍频；锁相环；施密特触发器；AbstractRotationalspeedisaveryimportantstateparameterofelectricmotors.Itsmeasurementprecisionwilldirectlyaffectthetestofotherrelevantparametersandcharacteristicsofelectricmotorsandthetestofdetectionanddiagnosisoffaults.Inspeedloopcontrolsustem,thevelocitymeasurementdevicesarefeedbacklink.Thespeedinessandprecisionoffthevelocitymeasurementwilldirectlyaffectofthesystemandstaticanddynamicstatefeatures.Thereforethehigh-precisiontestsofrotationalspeedaresignificance.Thisthesiswantstodesignasystemofphotovoltaicconversiontomeasuretherotationalspeedofelectricmotors,andmakethecorrespondingsimulationanalysis.Theobjecttomeasureisadirectcurrentgeneratorwhoseratedvoltageis5Vandspeedscopeis600~6000r/min.Therelativeerrorofmeasurementisnotmorethan1%andusefoursevensegmentnumericdisplaytoshowcorrespondingelectricmotorsrotationalspeed.Toknowtheactualelectricalrotationalspeed,weneedreal－timemonitoringtherotationalspeedofthemotor’saxis.Byconnectingtheaxisadishwithholes,rotationalspeedwillbechangedtoelectricitypulsesignalthroughPVswitches.Throughcountingandothercircuits,theactualrotationalspeedofmotorwillbeknown.Thedevicesusedbythedesignedsystemarefamiliarandcheapness.Thoughthesystem’sstructureissimpleandprincipleiseasytounderstand,Itcanaccuratelydetectthemotor’sspeed.Keywords:RotationalSpeedMeasuring;PhotovoltaicConversion;Frequencydoubling;PhaseLockedLoops;SchmittTrigger;目录中文摘要英文摘要第一章绪论 11.1电机转速测量发展现状及前景 11.2研发意义 11.3课题任务 1第二章转速测控系统总体结构 32.1硬件系统 32.1.1多功能转子实验台 32.1.2转速测控传感器 42.1.3直流电机转速控制器 52.2软件系统 6第三章转速测控原理 93.1转速测量方法 93.2转速控制方法 16第四章转子实验台虚拟仪器开发 164.1虚拟仪器概述 164.1.1虚拟仪器的概念 174.1.2虚拟仪器的基本结构和类型 174.1.3虚拟仪器的演变与发展 184.2转速测量和控制虚拟仪器的设计 19第五章 小结 22参考文献 23致谢 25第一章绪论1.1电机转速测量发展现状及前景目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表，用电机转钜或者电机电动势计算所有得），同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。计数粗俗法又可分为机械式定时计数罚和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有蚕蛹电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等），电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号，其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性，低噪声，高分辨率和高精度的优点。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下有具有非接触，高精度，高分辨率，高可靠性和反应快等优点，加之激光光源，光栅，光学码盘，CCD器件，光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高，采样速度快，测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。1.2研发意义转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，它是电动机极为重要的一个状态参数。它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试，以及故障检测与诊断的准确性；在速度闭环控制系统中，测速装置属于反馈环节，转速检测的快速性和精度将直接影响系统的控制效果和动静态性能，因此转速的高精度测试具有重要的意义。电机转速测量系统可以应用于测量各种机械的转速，如冰箱压缩机，空调压缩机等等，以及其他的发动机，电动机的转速测量，也可用于电机转速的反馈以控制电机平稳运行和调速。1.3课题任务本论文要设计一个用光电转换方式来测量电动机的转速系统，并做出相应的仿真分析，测速对象为一台额定电压为5V的直流电动机，基本要求是电机转速范围为600~6000r/min,测量的相对误差不大于1%，且用4位七段数码管显示相应的电动机转速。为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，方法是电机的轴上连接一个开孔圆盘，通过光电开关将转速换为电脉冲信号，通过计数等电路，测量出电机的实际转速。它涉及到光电转换，整形，倍频，计数，译码。显示。以及计数显示之间的时序关系的控制等多种电路。第二章转速测控系统总体结构本章讨论了转速测控系统的总体结构，整个系统分为两个部分，即硬件平台和软件系统。硬件平台包括多功能转子实验台、PWM电机转速控制器、数据采集控制系统；软件系统主要包括试验测控软件2.1硬件系统硬件系统主要由以下各部分组成：多功能转子实验台、电机转速控制器、数据采集系统、现场视频监控系统。四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析、试验台转速的控制和电源控制、现场工况的视频监控。2.1.1转子实验台转子试验台是本系统的测控对象。其结构如图2-1。图2-1转子试验台转子采用整体圆柱轴承支承，润滑油润滑。在轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的振动测量。另外还有传感器支架，用于安装电涡流传感器，对不同位置的轴心位移进行测量。本系统选用的ZHS系列多功能转子试验台，此试验台主要特点是结构紧凑、体积小、运转方便、演示项目多、测试手段先进。其结构组成主要有：1)直流电机（0至10000转/分）。2）底座。3)含油轴承支座4个。4)安装电涡流传感器的支座2个。5）两种类型的圆盘各1个，可调节转动不平衡。2.1.2转速测量传感器1）.光电转速传感器直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。本系统采用光电传感器来测量电机的转速。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。光电转速传感器的结构见图2-2。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即n=f/N，式中：n-转速f-脉冲频率N-圆盘开孔数。图2-2光电转速传感器2）.磁电感应式转速传感器原理：对一个匝数为N的线圈，当穿过它的磁通量发生变化时，线圈产生的感应电动势磁通的变化可通过多种方法来实现，如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、磁路中磁阻变化、恒定磁场中线圈面积变化等，因此可制造出不同类型的传感器，用于测量速度、扭矩等物理量。其工作原理：线圈与磁铁固定不动，通过运动着的被测物体改变磁路的磁阻，从而引起磁力线的增强或减弱，使线圈产生感应电动势。如图2-21：图2-21磁电感应式转速传感器感应电动势变化的频率f与齿轮转速n成正比。齿轮旋转时，齿的凹凸面使磁阻改变，磁能量随之变化。f=Zn/60n=605/Zn-被测轴的转速r/minf-感应电动势的频率HZZ-齿轮的齿数2.1.3直流电机转速控制器转子实验台配置的是直流电机，电机转速由电枢电压决定，用微机实现直流电机调速十分方便。本系统中的电机控制采用脉冲宽度调制（PWM）控制器。脉冲宽度调制驱动装置是利用大功率电力电子元件的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上电压的“占空比”来改变电压的大小，从而控制电动机的转速。直流电机调速器由以下几基本部分组成：PWM波产生电路、驱动电路、功率放大电路等，如图2-3所示；直流电路功率放大电路驱动电路PWM调节器直流电路功率放大电路驱动电路PWM调节器调节器PWM调节器速度指令图2-3PWM电机转速调节原理2.2软件系统2.2.1开发软件现场测控系统软件开发主要使用美国国家仪器公司推出的基于图形开发的优秀集成环境LabView，Labview作为适时推出的一个优秀的测控软件开发平台和虚拟仪器构建环境，得到了广泛的应用。Labview作为优秀G语言的代表，提供了仪器化的编程环境和良好的网络接口，使编程工作大大简便，并可方便的由单机版程序升级为网络程序。试验台测控系统软件主要包括以下几个功能模块：数据采集模块、信号分析和处理模块、转速测量和控制模块、电源控制模块，数据采集模块主要是对轴心位移、振动信号进行采集；信号分析模块负责对采集的振动信号进行相关分析、频谱分析等；转速测控模块实现对直流电机实时转速的测控和转速的精确控制；电源控制控制各种电源设备的启闭。现场测控软件运行于试验服务器端，远程用户通过网络来控制本地测控系统的运行。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的简称，是一种集数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示功能于一体的图形化开发环境，为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式。它提供了一种全新的程序编写方法，即对称之为“虚拟仪器”（VirtualInstruments,VIs）的软件对象进行图形化的组合操作，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，这样开发人员就不再需要使用复杂的传统开发环境即可享用强大的编程语言带来的灵活性，在同一环境下就可以使用广泛的采集、分析和显示功能。LabVIEW广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，这是一个功能强大且灵活的测控软件，利用它可以方便的建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。所有LabVIEW应用程序，即虚拟仪器，它包括前面板、流程图以及图标/连接器三部分程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），输出量被称为显示（Indicators）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。在LabVIEW中，可以利用旋钮、开关、转盘、图表等控制件和显示件建立用户界面，即前面板，用以代替传统仪器的控制面板。控制件包括旋钮、按钮等输入控件，显示件包括图表、LED等显示器件。在完成用户界面的创建后，通过VI和结构添加代码来控制前面板上的对象。这些程序代码就构成了程序框图。利用LabVIEW，可以和诸如数据采集设备、图像设备、运动控制设备等硬件进行通信，也可以和GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-485仪器通信。所以说，作为一种图形化的开发环境，LabVIEW具有以下特点：图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步执行，同时提供有读到的高亮度执行工具，使程序动画式执行，利于观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。从底层VXI仪器、数据采集板到总线接口硬件和GPIB的驱动程序，囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器。提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。支持动态数据交换(DDE)和TCP/IP等强大的网络功能，支持常用网络协议，方便联络、远程测控仪器的开发。2.22转速测控软件如图2-4所示：转速测控软件转速测控软件转速控制软件转速测量软件转速控制软件转速测量软件图2-4转速测控软件结构第三章转速测控原理3.1转速测量方法在工程实践中，我们经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如，在发动机、电动机等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。而另一些问题除了要求能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测量瞬时转速。因此转速测量方法的研究是很有必要的。转速的测量方法可分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅等作为检测元件[20]，得到脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构，电机的数字式测量方法应用越来越广泛。其方法共有三种计数法、计时法和计数计时法。这几种方法均有各自的特点和使用范围。1）计数法：计数法是在设定的定时时间t内读取盘脉冲数m。由m/t计算出转速，对于相同的t，盘脉冲的多少，反映了转速的高低，其原理图如图3-1：图3-1计数法对计算机而言，定时时间t是非常精确的，但由于t采样的起始点和终点与盘信号位置有一定的随机性，不一定正好对应整数个盘脉冲，因而会造成不足一个盘脉冲的多计或少计，如图3-8阴影线部分，转速测量的误差主要来自于±个盘脉冲，当t较小，尤其是作瞬时转速测量时，这个±1个盘脉冲会带来较大的误差。因此计数法适合高速场合。2）计时法计时法是通过对时钟脉冲计数测出相邻两个盘信号间的时间间隔，有1/T=1/m来计算转速值，其测速原理图如图3-2:图3-2计时法这种方法的测量误差的产生和计数法相同，不同的是误差来自于±1个时钟脉冲，是非常小的。但测量的转速的量程有一定的限制，转速愈高，测量的计数值m愈小，因此计时法比较适合用于在低速场合。同步计时计数法这种方法的特点是不固定定时时间t，主要是设法使m和t同步，从整数个盘脉冲开始计时，同样与整数个盘脉冲结束，记录的是整数个盘脉冲。其原理如图3-3;图3-3同步计时计数法PA控制各计时器的关闭，在t时间内，实际计数时间t1开始于t上升后第一个盘脉冲的上升沿，终止于t下降第一个盘脉冲的上升沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了±1个脉冲引入的误差，在t1的下降沿分别读取盘脉冲数和时钟脉冲数，即可求得转速。由于本系统电机转速最高能达到10000转/分钟，速度很高，所以本系统采用了计数法测速。3.2转速控制方法实现试验台的异地远程调用必须首先使试验平台的控制完全由计算机来实现，这是实现远程试验的必备条件。这种控制主要包括两个方面:试验台电机转速的控制1）脉宽调制技术用微机来实现直流电机的调速十分方便，目前常用的方法是利用PWM（脉冲宽度调制技术），PWM广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换等许多领域。简而言之，PWM是一种脉宽可以控制的固定频率的脉冲，通过改变脉宽就可以改变电压的平均输出幅度，非常适合直流电机的调速。下图3-4所示电压幅度为5V的脉冲，当脉冲占空比是50﹪时，其平均电压就是2.5V.当脉冲的占空比是10﹪时，其平均输出电压就是0.5V。图3-4脉宽调制在一个开关周期T内，设定ton，在0＜t≤ton时刻导通，有电流通过电机，在ton＜t≤T时刻断开，无电流通过电机，这样占空比ρ：ρ＝ton/T有Ud=ρUsUd：电机两端平均电压，Us：外接驱动电压由以上公式得出，改变ρ即改变占空比就可以改变控制电压的脉冲宽度，从而控制电动机两端平均电压Ud的大小，达到调速的目的，这种调速方法就叫做脉宽调速(PWM)。2）直流电机控制过程直流电机控制系统一般由五大部分组成，原理图如下所示3-5：脉冲宽度发生起起器隔离及电平转换速度设定脉冲宽度发生起起器隔离及电平转换速度设定驱动器电动机驱动器电动机图3－5直流电机控制原理a)速度设定速度设定一般通过键盘上的功能键和数字键输入。也可以通过从电位器上取出一定的电压经A/D转换，获得相应得数字量，操作是通过调节电位器来实现调速。b)脉冲宽度发生器计算占空比，产生PWM脉冲c)隔离及电平转换PWM信号不能直接输入驱动电路，必须通过相应得隔离电路和电平转换电路。d)驱动器为了驱动电机转动，必须将PWM信号放大，以便控制电机的转速。e)电动机作为被控对象，用来带动执行机构。3）直流电机控制为了提高直流电机控速的精度，通常采用闭环控制系统，也就是在开环的基础上增加电机运行速度检测回路，将检测到的速度与设定值进行比较，并由数字PID调节器进行调节。控制流程图如3-6：计算机（转速计算，PID算法）D/A转速控制器直流电机计算机（转速计算，PID算法）D/A转速控制器直流电机转速传感器计数器转速传感器计数器图3-6直流电机转速控制框图本系统直流电机的控制接口选择的是包含专用接口芯片的转速控制器，计算机输出的0-10V转速控制电压经隔离后输入到直流电机转速控制器，转速控制器就可以调节加到直流电机上的平均电压，从而控制直流电机的转速。2）PID控制在电气传动系统中常用的控制器有：PID控制器、双模控制器等。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，同时由于计算机具有快速、灵活多样的逻辑判断以及高效的信息加工能力的特点，在实现PID控制时，可以对PID控制器进行多种改进，形成多种多样的数字PID控制器，因而在电气控制领域PID控制器的使用最为广泛。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。

因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。但仍不可否认PID也有其固有的缺点：PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。PID控制系统如图3-7所示。图3-7PID控制图中，D（s）为控制器。在PID控制系统中，D（s）完成PID控制规律，称为PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，用输出量y（t）和给定量r（t）之间的误差的时间函数。e(t)=r(t)-y(t)，

比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u（t），称为比例（Proportional）积分（Integrating）微分（Differentiation）控制，简称PID控制。PID控制算法的模拟表达式如（3.1）式：]（3.1）式中：：PID控制器的输出量：PID控制器的输入偏差量：PID控制器的比例系数：PID控制器的积分时间常数：PID控制器的微分时间常数应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。PID参数整定方法有许多种，本试验采用适凑法，通过实际的闭环运行，观察系统的相应曲线，然后调节参数，反复试凑，以达到满意的响应，从而确定PID的参数。通过反复试验，发现kP、TI、TD对控制系统由如下影响：比例系数kP若比例系数kP太小，将使系统动作缓慢。增加kP，可提高系统的灵敏度，加快调节速度。但是，若kP取值偏大，则容易引起振荡，反而使调节时间加长，且当kP太大时，系统趋于不稳定状态。积分时间TI积分控制可以消除系统的静态误差，提高控制精度。动态时，积分控制常使系统稳定性下降。TI值太小，系统不稳定，容易引起振荡；TI值太大，对系统的影响将消弱。只有选择合适的TI才可以使系统的过渡过程趋于理想状态。微分时间TD微分时间TD的主要作用是减少超调量，缩短调节时间，允许加强比例控制，从而减少稳态误差，提高控制精度和改善动态特性。但TD值偏大或偏小会适得其反，所以必须选取合适的TD值。电机转速控制流程如图3-8所示图3-8电机转速控制流程PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。第四章转子实验台虚拟仪器开发仪器仪表作为测控的重要工具在科研和生产过程中起着重要作用，在对大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求愈发迫切的形式下，计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑虚拟仪器技术，它结合了计算机和传统仪器仪表的特点，具有更高的灵活性和可定义性。本远程测控系统就是根据这一特点，采用虚拟仪器开发工具Labview开发了本地测控系统，方便地实现了仪器的网络化。4.1虚拟仪器概述虚拟仪器（VirtualInstrument）是计算机技术和仪器系统结合的产物。它把计算机、传感器、仪器仪表等硬件与计算机软件结合起来。除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中可以根据需要定制仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，大大突破传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。犹豫虚拟仪器系统是基于模块化软件标准的开放系统，当用户测试要求变化时可方便地由用户自己来增减硬件、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。总之，使用虚拟仪器系统不仅提高了开发效率而且降低了开发成本，在系统测控方案的选择中处于优势地位。4.1.1虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器，就是在计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作和使用计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利于计算机强大的图形显示和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与模块化硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面操作这台仪器，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测信号的采集、处理、分析、显示、存储等功能。虚拟仪器与传统仪器一样可划分为数据采集、数据分析、数据表达三个模块，如图4.1所示。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件结合在一起，通过应用程序提供的仪器硬件接口和图形化用户界面，用户可以方便的操作仪器硬件，而不必深入了解GPIB(通用接口总线、VIX（工业标准VEM总线在仪器领域的扩展）、DAQ（数据采集）等方面的细节。图4－1虚拟仪器的内部功能划分由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，用户可以大大提高系统的复用率，加快开发周期降低开发成本，通过表4.2可清楚的看出VI与传统仪器的区别。表4-2VI与传统仪器的区别VI传统仪器开发费用软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高更换周期技术更新周期短技术更新周期长关键部件软件是关键硬件是关键价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵功能用户定义仪器功能厂商定义仪器功能开放性开放、灵活，可与计算机技术保持同步封闭、固定互联性与网络及其他周边设备方便互联并构成面向应用的系统功能单一、互联有限的独立设备4.1.2虚拟仪器的基本结结构和类型从构成要来讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；根据仪器硬件的不同，则分为以DAQ板和信号调理为仪器硬件组成的PC-DAQ测试系统，和以GPIB、VXI、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串行总线系统、现场总线系统等。目前常用的虚拟仪器是数据采集系统、GPIB控制系统、VXI仪器系统。因此，VI的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出VI的灵活性与强大的生命力。虚拟仪器系统构成如图4-3所示。图4-3虚拟仪器系统的构成4.1.3虚拟仪器的演变与发展1）.虚拟仪器发展历程电子仪器的发展经历了由模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器几个发展阶段。第一代的模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电磁机械式的，用指针来显示结果。第二代的数字化仪器如数字电压表、数字频率计等。这种仪器将模拟信号转换为数字信号测量，并以数字方式输出显示。第三代的智能仪器内置微处理器，具有一定的数据处理功能。但它的功能全部都以硬件的形式存在。缺乏灵活性。第四代的虚拟仪器是计算机、通信技术和测量技术相结合的产物。近年来，计算机的处理能力一直按指数速率提高，发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。计算机具有仪器所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与存储能力。高分辨的图形显示器与大容量的存贮器也已成为标准配置。随着计算机技术和多媒体技术的飞速发展结合虚拟仪器技术，其内容将更加的丰富，网络化虚拟仪器将成为仪器技术的发展主流。2）.虚拟仪器的软件是关键配置好计算机和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器（VI）的关键在于软件。这是因为应用软件为用户构造或使用VI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。软件在VI技术中起着重要作用，相同的硬件，编制不同的应用程序虚拟仪器的功能就会不同。NI提出的“软件就是仪器”（TheSoftwareistheInstrument）形象地概括了软件在VI中的重要作用，因此虚拟仪器的软件是关键。3）.虚拟仪器的发展趋势随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展(1)外挂式虚拟仪器插卡式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但由于插卡式仪器使用时要打开机箱，不是很方便，而且主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。(2)PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。(3)网络化虚拟仪器利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。4.2转速测量和控制虚拟仪器的设计试验台各参数的正确控制和测量是远程试验成功的关键。采用Labview构造本地的虚拟仪器测控系统，仅可以方便灵活的采集、分析、测量各信号量，而且还能提供良好的仪器操作界面以便监控和干预远程用户的试验过程。软件框图所示：转速测控模块的功能是对电机转速进行测量和控制。转速测量的原理如下图4-4所示：图4－4转速测量原理转速传感器获得的盘脉冲信号接入计数器的SOURCE端，GATE端输入已知幅宽的脉冲信号，测出已知幅宽脉冲信号的持续时间内盘脉冲信号的脉冲数count,则盘脉冲的频率为f=count/T,转速n=60count/TM转/分钟(M为圆盘上齿的个数，本系统N=4).转速测量程序开发时，首先使用使用计数器0产生已知周期的脉冲序列,并将数据采集卡的GPCTR0-OUT与GPCTR1-GATE连接起来，这就为计数器1进行计数提供了已知脉宽的脉冲进行计时。产生连续脉冲序列所用的函数GeneratePulseTrain,其周期可以设置，这个周期也就是计数的时间，可以根据转速的高低调整。然后用计数器1进行计数，采用CountBufferrdedges函数，此VI的功能是对输入GPCTR1-SOURSE的脉冲进行计数，并把计数值送入缓冲区，GPCTR1-GATE端口每输入一个脉冲，程序就从缓冲区读一次计数值。两次计数值得差就是在已知时间内的计数值，进而可计算出电机转速。本系统的转速控制是采用的软件算法闭环PID控制来实现，LabVIEW提供了PID控制工具包。调用函数PID.vi。把实际测量到的转速送入processvariable参数，通过参数setpoint进行转速设定，采用试凑法调整PID参数到合适的值，控制算法通过比较实际转速和设定转速之间的差别，计算出一个新的转速控制值，通过模拟输出通道将这个控制信号输出，经隔离后接入直流电机控制器，这样就可以精确的控制电机的转速。转速测控模块的前面板和程序框图如图4-5和4-6所示：图4-5转速测控前面板图4-6转速测控程序框图第五章总结电机转速的测量方法很多，其中利用光电式转速传感器测速分辨力高惯性小，反应时间快，抗干扰能力强，使用于瞬态转速的测试，而且其测量电机转速简便，使得光电十转速传感应用广泛。在电机的转速测量中，影响测量精度的主要因素有两个：一是采样点的多少，采样点越多，速度测量结果越精确，尤其是对于低转速的测量。二是采样频率，采样频率越高，采样的数据就越准确。论文中采用改进的M法，倍频电路的作用降低了采样点少的影响，较成功地解决了其在低转速时精度差的问题。本文以转子试验台为研究对象，开发完成了一个测控系统。本文主要完成了一下几个方面的工作：1系统配置了基于PCI总线的数据采集数据采集卡、测量各参数的传感器（位移、振动、转速等）、信号调理设备，构建了虚拟仪器的硬件平台。2基于专业测控软件Labview平台，开发了界面友好、功能强大的转子试验台虚拟仪器软件。通过这个软件，可以完成转子实验台以下实验项目：轴心位移的测量、轴心轨迹的测量、振动信号分析、3采用Labview的远程面板功能，实现了远程异地测量。参考文献[1]朱小矛.网络环境下远程测控技术研究：[硕士学位论文].西安：西安交通大学，2002[2]曹军义，刘曙光.基于Internet的远程测控技术.国外电子测量技术，2001，6;17-21[6]王玉茹，冯志全，李聪，等.一种直流电机驱动及转速测量系统的设计.山东建材学院学报，2001，15（1）：85-87[7]牛仁朝.虚拟仪器技术的研究及应用.电脑与信息技术，1998，3：45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