直流电动机双闭环系统软件设计本科毕业论文(编辑修改稿)

直流电动机双闭环系统软件设计本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，沈阳化工大学学士学位论文 第二章 直流调速系统理论研究和方案确定 9 这样就能够获得良好的静、动态性能。 与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。 得到过电流的自动保护。 显然静特性优于单闭环系统。 在动态 性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。 其硬件结构如图 21 所示 速度给定触发脉冲 驱动电路晶闸管门极显示电路输入口高速输出口串行口外部中断引脚转换高速输入口倍频电路电流变送器电压过零比较 放大光电编码器系统的总体框图 图 21 系统的总体框图 沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 10 第三章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 单片机控制的操作功能包括从控制对象中获取各种信息，执行反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定的形式传送到行机构或显示报警装置，实现操作人员 控制台 单片机系统之间的联系等。 其中，最主要的任务是执行控制算法。 系统构成 后，控制规律是反映单片机控制系统性能的核心。 随着控制理论和单片机水平的不断发展，单片机控制系统的功能日益增强，适用的控制规律也越来越多，如 PID 调节、史密斯 (Smith)预估控制、最优控制、基于状态空间模型的设计方法和基于输入输出模型的设计方法等。 PID 控制式工业控制过程中应用最为广泛的一种控制方式。 在本系统中，采用了 PID 控制算法。 PID 控制器具有简单而固定的控制形式，可以在很管得范围内保持较好的鲁棒性，三种不同形式的控制作用组合起来跟随被控对象的变化，可以减小动态误差。 它是一种基于负反馈的控制方法，不 仅在模拟调节器得到了广泛应用，而且更适合于单片机控制系统。 PID 具有结构简单，参数的物理意义明确，动态特性和静态特性较好的优点。 在控制理论不断发展的今天，常规 PID控制器仍然是过程控制中应用最广泛、最基本的一种控制器， PID 调节器的基本原 控制器最常用的控制规律是 PID控制。 常规 PID控制系统原理框图如图 31 所示。 系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。 比例积分微分控制对象比例 如图 31 常规 PID 控制系统原理框图 沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 11 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给 定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 将偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。 简单说来， PID 控制器各校正环节的作用如下： ⑴ 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 e（ t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 ⑵ 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用度强弱取决于积分 时间常数 IT ， IT 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ⑶ 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 PID 调节器的数字化设计 在连续控制系统中，模拟调节器的 PID 控制规律为： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t   （ 32） 或写成传递函数形式 ( ) 1( ) (1 )() pDIUsG s K T SE s T S    （ 33） 式中 pK 比例系数； IT 积分时间系数； DT 微分时间常数。 将上式离散化为数字 PID，只要将式中各项分别离散化就可以了，即为： )()( kTutu  沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 12 （ 34） )()( kTete  （ 35）     kjt kj jeTjTeTte 00 0 )()()( （ 36） T kekeT TkTekTedt tde )1()()()()(  （ 37） 其中， T 为采样周期。 在上面离散化的过程中，采样周期 T 必须足够短，才能保证有足够的精度。 为了书写方便，将 e（ kT）简化表示为 e（ k），将上式（ 34）、（ 35）、（ 36）、 (37)代入式（ 32）中，可得离散的 PID 表达式为  kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0   kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k 是采样序号 k=0、 2...。 )(ku 是 k 次采样时刻的输出值； )(ke 是第 k 次采样时刻输入的偏差值； )1( ke 是 k1 次采样时刻输入的偏差值： jk 是积分系数， jpj TTkk /。 dk 是微分系数， TTkk dpd / . 位置式 PID 算法 在单片机控制系统中，使用的是数字 PID 控制器 ，数字 PID 控制算法通常又分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 由于本文的 PID 控制算法的输出量要控制晶闸管的输出电压，此类对象适合用位置式 PID 控制算法，所以下面主要介绍沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 13 位置式 PID 控制算法。 由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式 (32)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。 按照模拟 PID 算法的算式 (32)，现以一系列的采样时刻点 kT 代表连续时间 t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下近似变换； ( 0,1, 2 )t kT k 000 ( ) ( ) ( )t tkjje t d t T e jT T e j (34) ( ) ( ) [ ( 1 ) ] ( ) ( 1 )d e t e k t e k e k e kd t T T    式中 T采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期 T 必须足够短，才能保证有足够的精度。 为书写方便，将 e(kT)简化表示成 e(k)，即省去 T。 将式 (34)代入 (32)，可得离散的 PID表达式为  0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT     （ 35） 或 0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]kp I Dju k K e k K e j K e k e k     （ 36） 式中 k采样序号， k = 0， 1， 2 u(k)第 k 次采样时刻的单片机输出值； e(k)第 k 次采样时刻输入的偏差值； e(k 1)第 k1 次采样时刻输入的偏差值； IK 积分系数， IK = PK T/ IT ； DK 微分系数， DK = PK DT /T； 由 z 变换的性质 1[ ( 1)] ( )z e k z E z 10 ()[ ( )] (1 )kjEzz e j z   沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 14 式（ 36）的 z 变换式为 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz     （ 37） 由式（ 37）便可得到数字 PID 控制器的 z 传递函数为 11()( ) ( 1 )( ) 1 IPDKUzG z K K zE z z      （ 38） 或者 1 1 211( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]1 P I DG z K z K K zz      （ 39） 由于单片机输出的 u(k)直接去控制执行机构：晶闸管 u(k)的值和晶闸管的输出 电压值是一一对应的，所以通常称式 (35)或 (36)为位置式 PID 控制算法。 图 32 给出了位置式 PID 控制系统示意图。 位置算法执行机构被控对象 图 32 位置式 PID控制系统原理图 调速单元 PI 参数的整定 本系统选用的控制对象 322Z 为直流电动机，基本参数为： 额定功率为 NP =，额定电压为 NU =110V，额定电流 NI =46A，额定转速为N =1500rpm，电枢内阻为 R=  ，电磁时间常数为 Td=，电势常数 eC = 5 / minVWb r ，机电时间常数 MT = ，三相桥式晶闸管整流器的滞后时间为z =，放大倍数为 SK =20，速度反馈系数  = min/Vr ，速度反馈滤波时间常数 ONT 为 ，电流反馈系数，  =沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 15 直流电动机的数学模型 在电力拖动自动控制系统中， 直流电动机通常以电枢电压作为输入量，以电动机转速作为输出量。 假设电机补偿良好，不计电枢反应、祸流效应和磁滞等因素带来的影响，并设励磁电流恒定，得直流电机数学模型为： dd d d d edIU L I R C ndt   （ 310） 式中 dU 电枢电压； dL 电枢回路电感； dI 电枢电流； dR 电枢回路总电阻； eC 由电机结构决定的电势系数，单位为 min/VWb r n电动机转速。 根据刚体的转动定律，电动机轴上的运动方程式为 fdnJ M Mdt  （ 311） 式中 J电动机轴上 (包括负 载折算过来的 ) n电动机转速； M电动机轴的电磁力矩： fM 电动机轴的负载力矩。 当磁通不变时，有 mdM CI （ 312） 式中 mC 电机的转矩常数，单位为 /N mA 整理得到直流电机 的微分方程 沈阳化工大学学士学位论文 第 三 章 数字直流电机调速系统的数字 PID 控制 16 22 1d m m ded n d nT T T n Ud t d t C  。