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    基于LabVIEW的直流电机控制系统的设计与实现

    发布日期:2017-11-22   来源:《智能机器人》5期   作者:张建平   浏览次数:4214
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    【摘   要】:直流电机控制系统的主要采用NI ELVIS虚拟仪器教学实验套件完成了硬件电路设计,并设计出了电机转速控制VI,实现了其速度的在线实时控制。以PID经典控制方法为理论指导,采用4:1衰减法对直流电机PID控制参数进行整定,然后利用整定结果进行速度在线实时控制,最后对控制效果进行分析,达到了实验预期目的。

     关键字:PID;电机转速;实时控制 1 引言 直流电机由于具有速度控制容易,启、制动性能良好[1],且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、 轻工等工业部门中得到广泛应用。因此,对直流电机的速度控制方法进行研究仍然有必要[2]。采用虚拟仪器技术构建测试仪器,不仅测试精度、稳定性和可靠性高,而且开发效率高,可维护性强,有很高的性价比,节省投资,利于设备更新和功能的转换与补充[3]。因此,虚拟仪器在生产过程控制中和产品性能测试,设备故障诊断都得到广泛的应用,其研究的意义非常重大。 2 硬件系统的设计 本论文研究的直流电机速度控制系统的硬件系统如图1所示,包括PC机,NI ELVIS 平台工作站和原型实验板。其中实验板上的器件包括1k 电阻、10k 电阻、红外线发光二极管(IR LED)、直流(DC)小电机。其中两个电阻是为了分压的作用,10k 电阻更是作为考察的对象,红外线发光二极管是一对发射红外线和接受红外线的器件,万用表等测量工具。硬件系统实现了功能:通过计算机运行程序,启动数据采集卡,从ELVIS工作平台上采集到模拟数据,然后进行采样,量化,输送到计算机程序界面上,之后程序根据实际情况与需要达到的目的进行比较,发出控制信号,传输到ELVIS 工作平台上,从而实现了速度控制。


    工作原理:当光线被挡住时,沙龙365接收边接收不到光信号,使右边形成短路,电阻上电压为低电平,当光线不被挡住时,沙龙365接收边接收到光信号,使右边形成通路,电阻上输出高电平。右边是电机,转轴上安装一个突出薄板,薄板随电机转轴仪器旋转,没转一圈就挡住光电沙龙365的光线,使沙龙365输出一个脉冲。这样电机每转一圈,就会产生一个脉冲信号给PC机上的数据采集卡,通过数据采集,利用LabVIEW强大的子VI库中的Pulse Measurements vi,测试脉冲持续时间或波形的周期。 3 控制系统的软件设计 直流电机速度控制系统的软件系统设计包括LabVIEW的前面板设计和框图设计,前面板提供了可视化的控制界面,框图提供了详细的程序控制过程,下面是程序设计的结果。 3.1 控制系统前面板程序设计 2为直流电动机速度控制系统前面板的设计。实现的功能:通过在前面板设置PID控制系数以及电压,启动运行,然后通过框图的各部分功能的实现,从而得到了实时的速度图形,以及过程速度变化情况。


    3.2 控制系统控制程序框图     3为直流电机速度控制系统后置板的流程框图。实现的功能:通过接受控制电压和PID 系数后,采集电机的转速,与预期值进行比较,从而超前性的输出控制电压,控制电机的转速。


    4 PID控制器的设计 由于直流电机速度控制中,很难调到等幅振荡状态,因此,针对本次控制系统设计,采用41衰减法进行整定实验。 4.1 4:1衰减法     4:1衰减法的基本原理是先把积分时间放到最大,微分时间放到零。待调节系统稳定后,逐步增大比例增益,观察输出电压(电流)和调节过程的波动情况, 直到出现4:1衰减过程为止[4]。记录4:1 比例增益和操作周期,根据表1所列的经验公式,求得调节器各个参数的具体数值,然后把三个参数加到控制器上进行控制。观察调节过程, 如发现记录曲线不理想,可进行少量调整。 1)按纯比例系统整定:比例增益,调节器,待系统稳定后,逐步增大比例增益,直到出现4:1的衰减曲线,假设此时的调节器比例增益为,振荡周期为 2)按表1经验公式, 计算 数值.  3)整定参数,观察调节过程曲线,曲线不理想时,可适当进行调整。 1 4:1衰减法经验公式[5]
    衰减率 调节规律
    4:1 P    
    PI 0.5  
    PID 0.3 0.1
    4.2 4:1衰减法在线实时控制过程 按照上面所讨论的整定步骤进行整定:

    5 结束语 通过研究直流电机的结构,建立控制模型,然后设计出PID控制器,最后较好的对直流电机速度进行控制。本文所研究的控制方法对于其他类似控制,乃至工业锅炉控制等也有着积极地意义。   参考文献 [1] 蒋达,梁庆辉,蒋清丰.无刷直流电机PWM调速控制系统的建模与仿真[J].数字技术与应用,2012 (2):144-148 [2]岳学磊,白鹏,杨瑞坤,华伟民,三相8极无刷直流电机控制系统设计[J].电子技术应用,2016(4):114-118 [3]李亚康,谢志远,聂盛阳.毕亭亭.基于虚拟仪器的分布式直流电机PID控制系统设计[J].河北大学学报(自然科学版),2015(4):58-62  [4]杨世勇,徐国林.模糊控制与PID控制的对比及其复合控制[J].自动化技术与应用,201111):102-106 [5]刘慧博,王静.吴彦合.无刷直流电机模糊自适应PID控制研究与仿真[J].控制工程,2014(4)31-33 作者简介 张建平(1983--   副教授 研究方向:信息处理及通信技术  
     
     
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