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时间:2019-03-03
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1、《电力传动与控制》直流调速系统的PID控制与仿真学院:电子与控制工程学院专业:控制理论与控制工程姓名:魏文学号:指导教师:王飚完成时间:2012年6月20日0前言随着电子技术的高度发展,直流电机控制逐步从模拟化向数字化转变。完全由硬件电路实现的直流电机调速系统,电路复杂,调整困难且可靠性不高,缺乏控制的灵活性。在工业控制中,按偏差的比例P、积分I,和微分D进行控制的PID调节器现在得到广泛的应用。在小型微型计算机用于生产过程以前,连续过程系统中采用的气动、液动和电动的PID调节器几乎占垄断地位。由最优控制理论可以证明,它能适应不少工业对象的控制要求。单片机控制技术不断发展
2、,特别是软件PID算法控制器的使用,代替了原来很多的硬件PID调节器,在工业控制系统和嵌入式系统中得到了更加广泛的应用。基于软件PID算法控制器和硬件PWM技术的直流电机调速控制技术正向数字化、智能化、高可靠性发展。文中讲述了采用LabVIEW和Proteus设计直流电机仿真调速系统的设计方法。电机的驱动和速度的采集由单片机完成,并将单片机的硬件电路在Proteus中仿真实现,再通过虚拟串口实现单片机与上位机的通信。LabVIEW对接收单片机的信息进行PID控制,并最终通过调节AT89C52单片机输出的PWM波占空比调整直流电机转速,达到对直流电机进行调速的目的。1直流电
3、机数字控制思想微机控制的调速系统是一个数字采样系统。其系统结构图1如图所示,其中S1是给定值的采样开关,S2是反馈值的采样开关,S3是输出的采样开关。若所有的采样开关是等周期地一起开和闭,则称为同步采样。微型计算机是无法连续输入给定信号和反馈信号,微型计算机只有在采样开关闭合时才能输入和输出信号。当控制系统的控制量和反馈量是连续信号时,为了把他们输入计算机,只能在采样时刻对模拟的连续信号进行采样,把连续信号变成脉冲信号,即离散的模拟信号。信号的离散化是微机数字控制系统的第一个特点。图1微机控制系统框图采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号,不能直接送入计算机,还须经过
4、数字量化。用一组数码(如二进制数)来逼近离散模拟信号的幅值,将它转换成数字信号。信号的数字化是微机数字控制系统的第二个特点。为了使离散的数字信号可以不失真的复现连续的模拟信号,对系统的采样频率有一定的要求。根据香农(Shannon)采样定理:如果模拟信号的最高频率为fmax,只要按照f>2fmax采样频率进行采样,取出的样品序列就可以代表(或恢复)模拟信号。在电动机调速系统中,控制对象是电动机的转速和电流,是快速变化的物理量,必须具有较高的采样频率。微型计算机控制的直流调速系统是一种快速数字采样系统,要求微型计6算机在较短的采样周期之内,完成信号的转换、采集,完成按某种控
5、制规律实施的控制运算,完成控制信号的输出。光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件,旋转编码器与电动机相连,当电动机转动时,带动编码器旋转,产生转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器常用于检测转角。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅,在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列,从而可以计算转速。2数字PI调节器PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器。当采样频率足够高时,可以按模拟系统的设计方法设计调节器,然后离散化,得到数字控制器的算法,这就是模拟调节器的数字化。PI调节器的传递函数:输出函数和输入误差函数关系的
6、时域表达式为式中Kp为比例系数,KI为积分系数。数字PI调节器有位置式和增量式两种算法,比例部分只与当前的偏差有关,积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式PI调节器的结构清晰,P和I两部分作用明显,参数调整简单明了。增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算出输出值,增量式PI调节器算法:在控制系统中,常需对调节器的输出实施限幅。在数字控制算法中,要对u限幅,只需在程序内设置限幅值±Um。当Uk的绝对值大于Um时,便以限幅Um作为输出。位置式和增量式两种算法完全等同,考虑限幅时两者略有差异。增量式PID调节器算法只需考虑输出限幅,而位置式算法必须同时考虑积分限幅和输
7、出限幅。3直流调速仿真系统的设计为了直观地了解直流电机实时运行状况,并对其进行实时监控,设计出一个直流电机调速仿真系统。系统总体由上位机和下位机两部分组成。上位机采用LabVIEW编程,设计系统的控界面,下位机采用AT89C52单片机,整体结构框图如图2所示。单片机通过编码器采集转速信息,经过虚拟串口传送到上位机。在上位机中,将实时速度值与给定速度值进行比较和PID控制,调节AT89C52输出的PWM波占空比,达到直流电机调速的目的。6图2直流调速仿真系统3.1直流电机控制电路设计下位机AT89C52单片机系统由Proteus
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