直流双闭环调速系统（共7篇）
直流双闭环调速系统 篇1
一、引言
随着社会的发展, 人们对电机控制的自动化程度要求越来越高。在早期的电机控制中, 普遍采用单片机微控制器, 该控制器运算处理速度较慢, 内部资源和接口容量有限, 已不能满足电机快速调速的要求, 而导致整个系统精度受到很大的影响。随着微处理器的技术的快速发展, 以高速微处理器为核心的控制系统已成为电机控制系统的发展趋势。
二、直流双闭环调速系统设计
(一) 控制系统的设计。
以可编程DSP控制器为核心构成的运动控制系统为了满足世界范围内运动控制系统的需要, TI公司推出了TMS320x24x系列DSP控制器。
基于DSP控制器构成的电机控制系统事实上是一个单片机, 因为整个电动机控制所需的各种功能都可以由DSP控制器来实现。因此, 可大幅度缩小目标系统的体积, 减少外部元件的个数, 增加系统的可靠性, 而且速度快、精度高。另外, 由于各种功能都通过软件编程来实现, 因此, 目标系统升级容易、扩展性、维护性都很好。相比之下, 本系统选用DSP控制器为核心控制器。
(二) 开环与闭环的比较。
1.在开环系统中, 对于每一个输入信号, 必有一个固定的工作状态和一个系统的输出量与之对应。因此, 系统的控制精度将取决于控制器及被控对象的参数稳定性。即要使开环系统具有要求的控制精度, 在工作过程中系统各部分的参数值都必须严格保持在事先校准的数值上。开环控制系统只是根据给定的输入量进行控制, 而输出量在整个控制过程中对系统不产生任何影响, 因此, 如果输出量较预期值出现偏差, 该系统没有自动修正的能力。由于开环系统的抗干扰能力差, 因此它的使用有一定的局限性。
2.在开环控制的基础上, 可通过人的参与消除扰动因素的影响, 而使输出量按预期要求变化。闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用, 又有反向作用的控制过程。从原理上说, 闭环控制系统具有抑制内部和外部各种干扰引起系统输出发生变化的能力。在闭环控制系统中, 由于引入了负反馈, 使输出量对外部和内部的干扰不甚敏感, 从而有可能采用不太精密或成本低廉的元件来构成控制质量较高的系统, 同时, 也正是由于存在反馈, 闭环控制也有其不足之处, 这就是输出量可能会出现震荡, 严重时会使系统无法工作。为了实现系统的稳定、可靠和高精度, 伺服控制必须实现系统的闭环控制。对于不同的运动控制系统, 闭环的模式也就不一样的。为了实现速度的控制, 可以采用电流环和速度环两环结构。
(三) 主控制器的设计。
TMS320LF2407A DSP属于TI公司TMS320C2000系列DSP中的C24xx产品系列。该系列产品还有TMS320LF2401A、2402A、2403A、2406A和TMS320LC2401A、2402A、2404A、2406A。C24xx系列DSP兼容早期的C24xx系列DSP。其中“LF”代表内Flash EPROM (93.3V) , “LC”代表低电压CM9S (3.3V) 。
TMS320LF2407A DSP有如下特点:
1.由于采用了高性比的静态CMOS制造技术, 因此DSP具有低功耗和高速度的特点。工作电压3.3V, 有4种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns (40MHz) , 最高运算速度可达40MIPS, 四级指令执行流水线。低功耗有利于电池的应用场合;而高速度非常实用于电动机的实时控制。
2.由于采用了TMS320C2xx DSP CPU内核, 因此保证了与TMS320C24x系列DSP的代码兼容性。
3.片内继承了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双口RAM。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分的维护知识产权。
4.扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64字I/O的能力。
5.两个专用于电动机控制的时间管理器 (EV) , 每一个都包含:2个16位通用定时器;8个16位脉宽调制 (PWM) 输出通道;1个能够快速封锁输出的外部引。
6.可编程看门狗定时器, 保证程序运行的安全性。
7.16通道10为A/D转换器, 具有可编程自动排序功能, 4个启动A/D转换的触发源, 最快A/D转换时间为375ns。
8.32位累加器和32位中央算术逻辑单元 (CALU) ;16位×16位并行乘法器, 可实现单指令周期的乘法运算;5个外部中断。
9.串行借口SPI和SCI模块。
10.很宽的工作温度范围, 普通级:-40℃～85℃;特殊级:-40℃～125℃。这些性能对于本次设计来说, 具有非常重要的意义。
TMS320LF2407A DSP的结构才用了改进的哈佛结构, 该结构支持分离的程序和数据总线。这样的结构使取指令、执行指令、数据传送和外设控制可以并行进行, 因此可以极大的提高工作速度。
2407A DSP可以分成三部分:DSP内核、存储器和外围设备。DSP内核是DSP的核心, 它担负着数据运算、信号处理的任务。它包括了累器、状态寄存器S0和S1、中央算术逻辑单元CALU、辅助寄存器、乘法器、移位器临时寄存器T和乘积寄存器P。存储器包括了32K字的Flash程序存储器、2K字的单口FAM和544字的双口RAM (DAAM) 。外围设备指的是DSP芯片中集成的除内核以外的功能模块, 习惯上称之为外设。它包括了事件管理器、ADC转换器、SPI和SCI串行接口、CAN接口等。
三、结语
本设计采用采用了DSP的TMS320FL240X系列中的2407A, 在此DSP控制的直流调速系统中, 速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机, 计算机按照已定的控制算法计算产生脉冲, 经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级, 以控制晶闸管输出整流电压的大小, 平稳的调节电动机的速度。
参考文献
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直流双闭环调速系统 篇2
双闭环调速系统是目前直流系统中的主流设备, 详细介绍直流双闭环各环调速系统中各环节参数的计算, 比较PI和PID调节器的作用, 解决超调量的问题, 在Simulink中搭建模型进行仿真, 再通过参数调节使系统到达稳定。
2 直流双闭环调速系统的组成及其静态特性
2.1 系统结构分析
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用, 可在系统中设计两个调节器, 分别调节转速和电流。即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入, 再用电流调节器的输出控制电力电子变换器UPE。为了获得良好的静动态性能, 转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
2.2 系统的静态特性
在稳态工作点上, 转速n是由给定电压Un*和反馈系数α决定的, 转速调节器ASR的输出量Ui*是电流调节器的参考输入, 其大小有β和负载系数Id决定。由于转速调节器处于不饱和状态;当转速调节器ASR饱和时, Un*=Ui*, 转速的变化不再对系统产生影响, 相当于转速反馈环开环, 双闭环系统变成为一个电流无静差的电流单闭环调速系统。这时稳态时, Id=Idm, 因此双闭环调速系统在负载电流Id
3 工程设计
某晶闸管一直流电机双闭环调速系统 (V-M系统) 的Simulink的动态结构图如图所示。图中直流电机的数据有:Pnom=10KW, Unom=220V, Inom=53.5A, nnom=1500r/min;电枢电阻Ra=0.31Ω;V-M系统主电路总电阻R=0.4Ω;电枢回路电磁时间常数Ta=0.00128s;三相桥平均失控时间Ts=0.00167s;触发整流装置的发达系数Ks=30;系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数Tm=0.042s;系统测速反馈系数Kt=0.0067v/min;系统电流反馈系数Ki=0.072 v/min;电流环滤波时间常数Toi=0.002s;转速环滤波时间常数Ton=0.01s。
设计要求:
稳态指标:无静差
动态指标:电流环节超调量σ%≤5%, 转速环节超调量σ%≤30%。
3.1 电流环设计
从稳态特性上看, 希望做到电流无静差以获得理性的堵转特性。从动态特性要求来看, 电流环跟随电流给定, 希望超调量小。由此出发, 希望把系统校正为典型I型系统。电流环节包含了电网电压的波动, 因此从系统的抗干扰能力出发, 希望把系统校正为典型II型系统。在通常情况下, 其中有两个惯性环节时间常数, 当T1/T∑i≤10的时候, 典型系统的恢复时间是可以接受的。在题中, T1=0.0128, T∑i=Ts+Tci=0.00167+0.002=0.00367, 因此, T1/T∑i≈10, 系统选用典型I型系统。
在按动态性能设计电流环时, 可暂时不考虑反电势的动态影响, 即△E≈0, 这是电流环如图2所示:
满足条件为这时才可忽略反电势的影响。一般, Ts和Tci都比
T1小得多, 所以可以看成一个惯性环节, 令T∑i=Ts+Tci
则电流环节被控对象为:
其中, 被控对象有两个惯性环节, 为了把系统校正为典型I型系统, 显然调节器选用PI调节器, 其传递函数为:
等效时间常数T∑i=0.00367, 采用零极点对消的原理, 取τi=T1=0.0128;
其中为电流环节的开环传递函数的放大系数, Ri
如果取σ%≤5%, 则Ki T∑i=0.5, Ki=136.24;KPI=0.323,
所以,
电流环节的等效开环传递函数为:
经MATLAB仿真检验, 电流环节的超调量σ%=4%≤5%, 符合设计要求。
3.2 转速调节器的设计
在电流环节, 其电流闭环传递函数为
整理得为
那么系统简化的动态结构图为
简化后的转速反馈系统所示, 转速开环对象包含了一个积分环节和一个惯性环节, 而且积分环节在负载扰动作用点之后。要实现转速无静差, 应在负载扰动作用点之前设置一个积分环节, 所以把转速环校正为典型II型系统。经查表, 选用PI调节器作为转速控制器, 则
则校正后的开环系统为:
其中, 令开开环放大倍数为
不考虑负载扰动, 则校正后的开环传递函数为:
根据最小闭环幅频特性峰值Mrmin准则h=5, 则
经查表, Mrmin最小时, h=5, 所以τn=0.0867, KN=399.10, Kpn=5.27
所以,
校正后闭环传递函数为:
4 Simulink平台建模仿真
经MATLAB仿真得出,
此时系统是无静差的, 但超调量为σ%=28%≥10%, 不满足设计要求, 所以系统还需进一步进行改善。
PI调节器使系统的相频特性存在滞后, 而PID增加为微分时间有利于加快系统响应, 使超调量减小, 克服振荡, 使系统趋于稳定。所以把转速调节器增加微分改为PID调节器, 其中PI调节器中参数不变Simulink建模如图5所示:
仿真结果如图6:
4 结论
对系统进行设计时, 首先要对系统的进行分析, 选择每个调节环节的典型系统, 其次根据系统所给出的各项参数和设计要求对电流环节和调速环节进行设计, 观察每个环节所设计出来的参数是否达到要求。
在对通过计算而得出的初步系统, 如果不满足设计要求, 可以通过增加不同的环节, 例如微分环节、惯性环节, 这是根据每个系统要求不同而定。
在MATLAB/Simulink中建立模型进行仿真, 发现其输出转速n波形图虽然无静差, 但超调量没有满足设计要求。通过比较PI和PID调节器, 发现PI调节器虽然能使很快趋于平稳达到无静差, 但同时使系统的相频特性存在滞后, 而PID增加为微分时间有利于加快系统响应, 使超调量减小, 克服振荡, 使系统趋于稳定, 达到设计要求, 因此可以在设计转速调节器采用PID调节器。
通过工程设计发现, 设计各调整环节时计算出的理论参数与实际值有所出入, 可以通过Simulink建模仿真时适当调整各参数, 使系统达到设计要求。
参考文献
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[2]涂植英, 陈今润.自动控制原理[M].重庆:重庆大学出版社, 2010, 45～46.
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[4]刘丹丹, 吉健娇.PID调节器及其控制规律分析[J].科技创新导报, 2009, NO.22.
直流双闭环调速系统 篇3
直流电机自动控制系统广泛应用于机械、钢铁、矿山、军工等行业。在工程实践中，运动控制系统中应用最广泛的是调速系统，有许多生产机械要求在一定范围内进行速度的平滑调节，并要求有良好的稳态和动态性能。尽管目前交流调速系统的迅速发展，交流电动机的经济性和易维护性，使得交流调速广泛受到用户的欢迎，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速系统也是研究交流调速系统的基础。对直流电机调速系统进行研究，对国民经济具有十分重要的现实意义。
1 直流调速系统概述
晶闸管—电动机调速系统，其原理图如图1所示。图中VT为晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能损坏原件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还有足够的裕量[2]。
2 转速电流双闭环直流调速系统设计
2.1 双闭环调速系统原理
转速电流双闭环直流调速系统的原理如图2所示。由于调整的主要参数是转速，故将转速调节作为外环，电流反馈作为内环，这样可以抑制电网电压对转速的影响[3]。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，在启动时，加入给定电压Un*，速度调节器和电流调节器以饱和限幅值输出，使得电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速，并在出现超调后，ASR和ACR退出饱和，最后稳定在给定的转速下运行。
在调速系统工作时，要先给电动机加励磁，ASR的输出作为ACR的输入，利用ASR的输出限幅达到限制启动电流大小的目地。ACR的输出作为“触发电路”的控制电压Uc，利用ACR的输出限幅可以限制整流桥的最大导通角α。
2.2 转速调节器设计
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小稳态误差，采用PI调节器则可实现无静差；对负载变化起扰抗作用；其输出幅值决定允许的最大电流。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型的Ι型系统，采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成（1）式。
(1）式中，Ki为电流调节器比例系数，τi为电流调节器的超前时间常数。
2.3 电流调节器设计
作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧密的跟随其给定电压Un*的变化。在电机启动时保证获得最大电流，从而加快动态过程，使系统具有较好的动态特性；当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用；故障消失后，系统能够恢复正常；对电网电压波动起到快速抑制作用。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型II型系统，其传递函数为：
(2）式中，Ki为转速调节器比例系数，τi为转速调节器的超前时间常数。
3 仿真结果及分析
Simulink是Matlab环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。在该软件可实现可视化建模，并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。Simulink由于功能强大、适用简单方便，以成为应用最广泛的动态系统仿真软件[4,5]。
仿真参数设置：直流电机：220V,136A,1750r/min，允许过载倍数λ=1.5，电机轴上总飞轮力矩10N·M2，低通滤波器的截止频率40Hz，转速调节器积分增益200，转速调节器比例增益80；电流调节器积分增益60，电流调节器比例增益1.5。为了校验系统的动态特性，给定转速5s时加冲击负载100NM。
图3为仿真输出波形。由图3(a)转速曲线知，在电流线性增加的时候，拖动系统也恒加速，转速呈线性增加。在3-4s之间速度出现了超调，略高于给定值800rad/s。超调之后在电流稳定的情况下进入线性调节，最终达到给定值并保持速度恒定不变。在5s时开始减小给定值直到400rad/s时，系统各环节变化过程与升速阶段相反。图3(b)触发角图形可知触发角的变化跟电枢电流保持一致，电流增大过程中触发角减小，反之亦反。图3(c)电枢电压变化与速度变化保持一致。图3(d)为电枢电流，从开始阶段突加电压，电枢电流迅速上升约100A，从电流上升到100A到3s左右，电流线性增加，7s时电枢电流基本稳定在100A附近。通过仿真结果，可以看出双闭环调速系统具有较好的动态特性。
4 结论
本文利用Matlab-Simulink工具箱分别双闭环系统进行了建模仿真，通过仿真结果可以直观的分析系统的稳定性和抗干扰性。在双闭环系统中，由于增加了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等到它影响转速以后才能反馈回来。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化要比单闭环系统小得多，抗扰动性能大有改善。
参考文献
[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009:53-61.
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V-M双闭环直流调速系统的设计 篇4
设计一双闭环V-M直流调速系统, 采用三相桥式全控整流电路。已知他励直流电动机参数, 电动机电枢回路总电阻 (即电枢电阻, 此时忽略整流装置内阻, 平波电抗器电阻)
按工程设计方法设计, 满足包括稳态误差、超调量、动态过渡时间在内的所有要求的性能指标。
2 设计思路
根据总体结构要求设计各基本环节, 需设计的环节主要有:电流、转速反馈环节, 比较环节, 晶闸管及其触发电路, 电流、转速两个调节器等。触发电路的结构可不考虑。最后根据已确定的各环节选择部件及计算参数。
最终结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。在实际应用中双闭环直流调速系统是应用得比较广泛的, 而且也是比较典型的一种, 也是构成各种可逆调速系统的核心。
双闭环控制由转速反馈和电流反馈组成, 属于多环控制系统, 其动态结构如下图1所示。转速调节器的输出作为电流调节器的输入, 而电流调节器的输出则去控制晶闸管整流器的触发装置。从系统结构上看, 电流环在里面, 称为内环;转速环在外面, 称外环。为了使转速, 电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能。电流、转速两个调节器一般采用输出带限幅的PI调节器。
图中
—对应于给定转速的控制电压信号;
Un (s) —对应于实际转速的反馈电压信号;
ΔUn (s) —对应于转速偏差的电压信号;
Ui (s) —对应于控制电流的电压信号;
Uct (s) —对应于脉宽调制器的输入控制电压信号;
Ud0 (s) —PWM驱动电路输出的空载电压;
E (s) —电动机的反电动势;
Id (s) —电动机的电枢电流;
Idl (s) —对应于电动机负载转矩的负载电流;
n (s) —电动机转轴转速;
Ton—转速反馈环节滤波时间常数;
Toi—电流反馈环节滤波时间常数;
KPWM, TPWM—脉宽调制器和PWM变换器放大倍数与其近似惯性环节时间常数;
R—电动机电枢回路总电阻;
Tl—电动机电磁回路时间常数;
Tm—包括电动机在内的系统机电时间常数;
Ce—电动机在额定磁通下的电动势转速比;
ASR—系统的速度调节器;
ACR—系统的电流调节器;
—速度反馈系数;
—电流反馈系数。
设计此动态结构图时, 应先设计各模块的传递函数并求出各模块的参数和时间常数, 再根据“先内环后外环”的原则分别设计ACR和ASR.ACR和ASR的设计是动态结构图设计的重点。其设计方法一般为先确定调节器结构, 然后确定调节器的参数。
调节器结构的设计可根据所设计闭环的控制 (输出) 量的要求及校正成哪一种典型系统的需要, 在P, PI, PD, PID等类调节器中选一种。而调节器参数的设计则主要根据该闭环的输人、输出、各环节的参数及校正的目标系统的需要, 通过计算而取得。
另外也要考虑两个调节器限幅等非线性作用。数学模型建立过程中, 主要有两项工作:一是要确定传递函数的结构;二是要计算各环节的时间常数和放大系数 (比例系数) 。
3 设计方框图
4 各系统设计及其性能指标计算
系统的开环才传递函数为:
由上式的结构可以看出典型Ⅰ型系统由一个积分环节和一个惯性环节相乘得来, 其方框图如下:
由图2可以看出来系统是一个由积分环节和一个惯性环节串联组成的闭环反馈系统。
由控制理论误差分析可知, 系统对阶跃给定信号的稳态误差为零;对单位斜坡输入信号的稳态误差不为零, 即有跟踪误差。
由上式可知, 当开环增益K增大时, 跟踪误差将减少。
在对系统进行工程设计时, 通常选用K=1/ (2T) 或为典型函数, 称为“工程最佳参数”。
当取这两个参数时, 其性能指标为:
实践表明, 上述典型参数对应的性能指标适合于响应快而又不允许过大超调量的系统, 一般情况下都能满足工程设计要求。
系统的开环对数频率特性如图3所示。当cw (27) 1/T时, 对数幅频特性以—20d B/dec的斜率通过零分贝线, 其截止频率cw=K, 其相角裕量为
从上述分析可知, 与系统快速性相关的截止频率cw取决于开环增益K, 增益K值可提高系统的快速性, 但另一方面又会使相角裕量减少, 超调量增大, 所以cw不能随意增大。如果既要提高快速性, 又要保持相角裕量不变, 就应在增加cw的同时减少时间参数T, 保持他们之间的比值不变。但时间常数T往往是系统的固有参数, 较难改变, 故在确定K值时, 要兼顾快速性和超调量两项指标。
5 电流调节器ACR的设计
最常用的电流调节器是PI。由于电流反馈滤波环节 (惯性环节) 折算到前向通道上表现为微分环节, 电流超调将会增大, 为此, 在给定通道上也加一滤波环节 (给定滤波器) , 以抵消电流反馈环节的影响。具有给定和反馈滤波器的电流调节器如图4所示。
对PI调节器, 其输出表达式为:
6 转速调节器ASR
与ACR相同, 含有给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图5所示。
用电流环的等效传递函数代替图8-1中的电流闭环后, 整个转速调节系统的动态结构图变成图6所示。
基于稳态无静差和系统应具有良好的抗扰性能的要求。
7 小结
直流双闭环调速系统 篇5
微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：(1) A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。(2) D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。
随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。
2. 微机数字控制系统硬件组成
2.1 数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种。
2.1.1 数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器;电流调节器采用数字调节器;脉冲触发装置则采用模拟电路。
2.1.2 数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。
2.1.3 计算机控制系统在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制;全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测;采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构。
系统由以下部分组成：主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路。
2.2.1 主回路———微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：直流PWM功率变换器;晶闸管可控整流器。
2.2.2 检测回路———检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机;转速检测用数字测速。
2.2.2. 1 电流和电压检测———电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。
2.2.2. 2 转速检测有模拟和数字两种检测方法。
(1)模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，并且包含了转速的方向，在调速系统中(尤其在可逆系统中)，转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。
(2)对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。
利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。
2.2.3 控制电路———数字控制器，数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器(DSP)比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计的微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。
2.2.4 系统给定———系统给定有两种方式。
2.2.4. 1 模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算。
2.2.4. 2 数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。
2.2.5 键盘与显示电路。
微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经D/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。
3. 微机数字控制系统软件组成
微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。
3.1 主程序———完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。
3.2 初始化子程序———完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。
3.3 中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断。
直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习，但大量计算太过繁琐。微机数字控制系统应用相应软件来实现算法非常方便。
4. 结语
传统直流调速控制方法主要体现在硬件电路和所用的器件上，因线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。微机数字控制系统直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、智能化和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。
摘要：以微处理器为核心的数字控制系统 (简称微机数字控制系统) 。其硬件电路的标准化程度高, 制作成本低, 不受器件温度漂移的影响, 其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算, 可以实现不同于一般线性调节的最优化、非线性、智能化等控制规律, 而且更改起来灵活方便。
关键词：微机数字控制,直流调速,PWM调速系统
参考文献
[1]宋家成.直流调速系统应用与维修.中国电力出版社, 2008.
[2]夏德黔.自动控制理论.北京机械工业出版社, 1990.
[3]章兼源.微机控制技术.北京电子工业出版社, 2003.
直流双闭环调速系统 篇6
在直流调速系统中,整数阶PID控制在工业生产中应用最为广泛。因为整数阶PID控制器具有结构简单、容易实现、参数调整方便、鲁棒性强等特点。 但是当被控对象参数发生变化时由于PID参数不能实时修改对控制性能有很大的影响,并且在工业生产现场中不可预测的干扰很多,要满足不同负荷变化或受到干扰时的控制性能要求是很困难的。以分数阶微积分理论为基础的分数阶PID控制器继承并发扬了整数阶PID的优点,并弥补了不足。
近几年,分数阶控制器在不同的领域取得了一定的成果[1—3]。在运动控制领域,分数阶控器大部分对永磁同步电动机、直流电动机的速度调节,在对直流电动机调节中直接的对速度调节[4,5]。双闭环调速系统在工程实际应用已非常广发,速度调节器一般都用整数PID。在传统整数阶PID基础上用分数阶PID来改进和提高双闭环直流调速系统的性能,具有一定的工程应用意义。
以他励直流电动机为控制对象实现直流电机的双闭环控制,其中电流环采用整数阶PI控制,而速度调节器采用分数阶PIλ控制器,并和整数阶PI控制器的控制性能进行了比较。对于速度控制器PI和PIλ的参数整定都采用了粒子群优化算法,并采用相同的目标函数。通过Matlab /Simulink仿真实验验证分数阶控制系统的稳定性、跟随性和鲁棒性优于整数阶PI控制系统。
1分数阶控制器简介
PID类型的分数阶控制器,即PIλDμ,其控制器算法如式( 1) 所示
式( 1) 中Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数,λ、μ 为分数阶微积分的阶次,( λ,μ) ∈ [0,1]。当( λ, μ) = { ( 1,1) ,( 1,0) ,( 0,1) ,( 0,0 ) } 时可以分别得到经典的{ PID,PI,PD,P} 控制器,可以看出整数阶PID是分数阶PIλDμ的特例。而分数阶PIλDμ控制器对控制系统的性能的调节自由度更大,为系统获得更优性能提供了新的可能性[6]。
时域内分数阶控制器算法为
式( 2) 中,D( a)代表了微积分,a = ( - λ,μ) 。分数阶微积分定义形式很多,比较常用的有以下二种: Grünwald-Letnikov ( GL ) 定义和Riemann-Liouville ( RL) 定义是两 种最常用 的分数阶 微积分的 定义[1,7]。
RL定义如式( 3) 所示。
式( 3) 中,n是正数,Γ( x) 是x的Gamma函数,即
GL定义如式( 4) 所示。
式( 4) 中h是步长,[. ]是取整符号。
从控制和信号处理的角度GL定义更实用而且直观,尤其是在离散化的时候[8,9]。用式( 4) 离散化处理时可直接取t ≈ T ( T为采样周期) ,式( 2) 可离散为式( 5) 。
式( 5) 中
因此,离散的PIλDμ控制算法式( 6) 可表示为
式( 7) 表示当前控制量u( k) 与过去的所有偏差值有关,即随着时间的推移计算量、存储量大,这在实际应用中不实用。但是式( 7) 可以看出分数阶微积分的特征,例如不仅分数阶积分有记忆性而且分数阶微分也具有记忆性。分数阶微积分具有渐变特性,能更精确的描述系统的动态过程。在实际应用中,可以利用短记忆原理表示如式( 8)[1]。
式( 8) 中当k < L /T时v = 0,当k > L /T时v = k L / T 。L是记忆时间长度,cj( a)= ( - 1)j(aj)是二项式系数,可以用递归方式计算,即
可以看出式( 8) 是FIR滤波器。同样也可以用IIR滤波器近似离散形式的分数阶PID控制器[10]。
2分数阶数字控制器的数字实现
根据文献[12]可以用不同的方法和技术用IIR和FIR滤波器来近似分数阶控制器。近几年的研究表明,用有限带宽的高阶滤波器来近似逼近分数阶控制器可达到满意效果。Oustaloup’s在频域范围内的近似滤波器可以在一定的频段内近似表示分数阶控制器。假设需要逼近的频段为( ωb,ωh) ,则可以构造出连续滤波器的传递函数为[11]:
式( 10) 中 α 为分数阶的阶次,N为滤波器的阶次, 一般取2 ~ 5; ωb、ωh为用户选定的拟合频率的上限和下限,一般在该区域内能较好的拟合分数阶微分算子。根据当前的很多文献,递推滤波器Oustaloup一般在频段( 10- 3,10- 3) 范围内,滤波器的阶次取5阶。
3双闭环直流调速系统的数学模型
以双闭环直流调速系统为控制对象,采用他励直流电动机,电动机参数如表1所示。双闭环中电流调节器采用普通PI,速度控制器用分数阶PIλ代替普通PI,主要研究系统的速度控制性能。双闭环直流调速系统的数学模型如图1所示。为了正确评价分数阶PIλ的控制性能,与普通PI作为速度控制器的控制效果进行比较。
4速度控制器PI/PIλ设计
PI / PIλ控制器设计的关键是对参数的确定。整数阶PI参数只要确定Kp、Ki参数,而分数阶PIλ控制器不仅要确定Kp、Ki参数,而且要确定分数阶次 λ,比普通PI多了一个自由度,为系统获得更优性能提供了新的可能性。采用粒子群优化算法对PI和PIλ控制器参数确定,为了公平的评价两个控制器, 在参数优化过程中采用相同的目标函数。
4. 1粒子群优化算法
粒子群优化算法是基于群体智能理论的一种新兴进化计算技术。粒子群算法通过群体微粒间的合作与竞争而产生群体智能来指导优化搜索,具有较强的收敛性、全局优化的特性,同时计算效率也比较高[13]。利用Matlab /Simulink仿真平台对PI/PIλ控制器参数用粒子群算法优化确定。双闭环的数学用Simulink搭建,粒子群算法和双闭环数学模型之间连接的桥梁是粒子和粒子对应的适应度,而粒子就是要优化的PI/PIλ控制器参数,适应度就是评价控制系统的性能指标。选择合适的评价性能指标很关键,对应实际应用的双闭环系统,即要考虑控制精度、跟随性能,又要考虑鲁棒性,同时还要考虑控制量不能超过执行机构的运行范围。为得到满意的过渡过程动态特性,采用误差绝对时间积分性能指标为参数选择的最小目标函数。为了防止控制能量过大,在目标函数中加入控制输入的平方项,因此选用式( 11) 作为参数优化的评价指标[14]。
为了尽可能减小超调,采用了惩罚功能,即一旦产生超调,将超调量作为最优指标的一项,此时最优指标为:
式( 12 ) 中w1、w2、w3、w4分别为权 重值。通过在MATLAB / SIMULINK仿真平台用PSO算法对PI和PIλ控制器的参数优化,并都利用式( 11) 和式( 12) 作为评价指标。
PSO确定PI / PIλ控制器参数流程如下[15]:
( 1) 初始化粒子群,随机产生所有粒子( 即PI/ PIλ控制器参数) 的位置和速度,并确定粒子的最优位置。位置和速度公式如式( 13) 所示。
式( 13) 中,x表示粒子的位置; v表示粒子的速度,w为惯性因子,w = 0. 6; c1、c2为加速常数,r1、r2为[0, 1]区间的随机数; Pt为粒子搜索到的最优位置,Gt是整个粒子群搜索到的最优位置;
( 2) 对于每个粒子,将其适应值( 即控制系统的性能指标) 与整个粒子所经历过的最优位置Pt的适应值进行比较,如较好则作为当前的最优位置;
( 3) 对每个粒子,将其适应值与整个粒子群所经历过的最优位置Gt的适应值比较,如较好则作为当前的最优位置;
( 4) 按速度和 位置公式 更新粒子 的速度和 位置;
( 5) 若没有满足终止条件,则返回步骤( 2) ,否则退出得到最优解。
经确定PI和PIλ控制器为式( 14) 所示。
5仿真验证分析
为了分析比较整数阶PI速度控制器和分数阶PIλ控制器的控制系统的控制性能,在Matlab /Simulink环境下,按照实际的直流电机模型建模与仿真, 采用相同的电流内环,速度控制器分别采用了分数阶PIλ控制器和整数阶PI控制器。为了验证两种控制器的跟随性和稳定性,首先以阶跃信号作为给定输入信号,其输出响应曲线如图2所示。由图2可知,分数阶PIλ速度控制系统比普通PI的速度响应更快速的跟随上了给定输入,而且控制过程很平滑。 为了更加直观的比较两种控制器的性能,表2列出了主要性能指标。对于双闭环直流调速系统说,速度控制器就是电流控制器的给定输入,而直流电动机的电枢电流与电磁转矩成正比,因此电枢电流的变化决定了电动机运行的动态性能。PIλ控制器和PI控制器中电动机电枢电流的动态变化如图3所示。由图3可以看出PI控制系统中的电枢电流在启动过程有一定的波动,而PIλ控制系统的电枢电流比较平滑。
为了进一步的验证系统的跟随性能,在两种控制系统中分别输入方波信号。方波输入表示系统启动到额定转速,在2 s时突然停机,在2. 5 s时又启动,启动后又分别运行在高速、低速段,最后额定转速运行。图4、图5分别是PIλ控制系统和PI控制系统速度输出响应,可以看出在每次速度变化时PI控制系统总会有比较大的波动和振荡,而PIλ控制系统能比较平稳的跟随上给定输入的变化。图6是两种控制系统的电枢电流,由图6可明显看出PIλ控制系统的电枢电流波形平滑动态性能较好。
为了比较两种控制系统的鲁棒性,在上述方波输入时,4 s时给系统的电枢电压加一扰动,图7和图8分别是突加扰动后系统速度输出响应。由图7和图8可以看出,PIλ控制系统受到扰动后速度输出虽然有一定的超调,但是和PI控制系统相比没有振荡,而且恢复时间短。可以看出分数阶PIλ控制器的抗扰动性比普通PI控制器好。
综上所述,使用分数阶PIλ控制器双闭环直流调速系统的速度控制与使用普通PI控制器的系统相比,在跟随性以及抗扰动性方面均有很大提高; 采用粒子群优化算法对于分数阶PIλ控制器的各参数的整定是非常有效的。
6结论
直流双闭环调速系统 篇7
20世纪中期,随着电子技术的发展,自动信息处理、数据处理,以及电子计算机的出现,给自动化技术带来了新的概念。用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制,推动了机床自动化的发展。机床加工过程中需要高性能可控电力拖动和经常正反转运行,为了尽量缩短起、制动过程的时间,提高生产率至关重要。采用单片机模糊PID控制双闭环直流调速系统控制直流电动机运转,可使加工过程具有良好的起、制动性能。本文以双闭环直流调速系统为研究对象,提出了一套新的单片机模糊PID控制双闭环直流调速系统设计方案。
1 双闭环直流调速系统
双闭环控制是在单回路控制的基础上发展起来的一种控制技术。双闭环控制是在原控制回路中,增加一个控制内回路,即电流环用以控制可能引起被控量的变化,从而有效地抑制了被控对象的时滞特性,提高了系统动态响应的快速性,结构如图一所示。
(1)电流内环要获取电流反馈信号。采用交流电流互感器作为电流检测元件,检测的电流信号经整流分压滤波后,变成与负载电流成比例的0-5V直流电压,再经A/D转换输入计算机。
(2)速度环要获取转速反馈信号。采用主轴脉冲发生器作为速度反馈的检测元件,它将角度位移信号转换成脉冲序列,通过计数器即可得到转速反馈的数字信号。当然也可以采用测速发电机经分压、整流、滤波、A/D转换送入计算机。
(3)数字触发器。数字触发器采用相对触发方式,单片机对电流控制器的输出控制电压Uk进行采样,以同步基点作为参考点,计算出控制角α的大小,再通过定时器按控制角α的大小及顺序,准确地给各晶闸管发出触发脉冲。晶闸管数字触发器原理如图二所示。
(4)单片机89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中[1]。图三为系统电路原理图。
2 基于模糊的PID参数自整定控制器设计
模糊PID参数自整定控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析,采用模糊推理的方法实现PID参数的在线自整定。不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特点,而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性[2]。模糊PID参数自整定控制系统的结构如图四所示。
其原理是利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化,以达到较为理想的控制效果。具体实现过程是:先找出PID三个参数:KP、KI、KD与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系,在运行中通过不间断的检测e和ec的大小,输入控制器,然后根据模糊规则进行模糊推理和解模糊,最后通过模糊参数来对参数KP、KI和KD进行在线修改,输出到控制器,进而满足在不同e和ec情况下对控制参数的不同要求,使被控对象具有良好的动、静态性能[3]。解模糊后的实际变量通过对变频器进行控制,从而使转速或电流发生变化。
按照不同e和ec情况下被控过程对参数KP、KI和KD的自整定要求,可简单地总结出以下规律[4]:
(1)当偏差e较大时,应取较大KP和较小KD,且使KI=0;
(2)当偏差e中等大小时,应取较小KP,适当的KI和KD;
(3)当偏差e较小时,应取较大KP和KI,而且KD的取值要恰当。
本设计采取增量式控制算法进行参数调整,采用单变量模糊控制器[3]。以速度环控制器为例,具体设计步骤如下:
(1)输入量模糊化
速度环控制器首先要对输入量进行模糊化处理。输入变量的误差e、误差变化率ec、输出变量u的模糊集均为:
{NB(负大),NM(负中),NS(负小),ZO(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}
e和ec的论域均为:
e,ec-{-3,-2,-1,0,1,2,3},u论域为u={-4.5,-3,-1.5,0,1.5,3,4.5},同时将Kp、Ki、Kd定义为上述模糊集上的论域:
(2)采用三角隶属函数,形式如下:
利用所选取的三角形隶属函数求取各个变量的隶属度。
(3)模糊规则建立
建立方法常采用经验归纳法和推理合成法。如:
上述模糊条件语句之间的模糊关系为:
若有49条模糊规则,即m=49,从而有:u=u1+u2+…+u49。各个模糊语句之间是或的关系,计算出针对KP、KI、KD整定的模糊控制表如表一~表三所示。
△KP、△KI、△KD的模糊控制规则表建立完成之后,下一步进行模糊推理。
(4)模糊推理
模糊推理采用的是Mamdani方法,它采用极小运算规则定义模糊蕴含的表达关系。例如对规则R:if X为A and Y为B Them Z为C所表达的三元模糊关系可根据Mamdani推理方法求得:Rc=A×B×C。当x为A',y为B'求输出C',根据Mamdani模糊推理可得:C'=(A'×B')×Rc。根据此原理,求出KP、KI、KD的修正值:△KP、△KI、△KD,并在线整定参数:KP、KI、KD。第k个采样时间的整定为:
(5)解模糊
本文采用工业控制中广泛采用的加权平均法。该方法针对论域中的每个元素xi(i=1,2,…n),以它作为待判决输出模糊集合的隶属度μ(i)的加权系数,即使取乘积xiμ(i),再计算该乘积和对于隶属度的平均值,即:,平均值便是应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果。最后用输出量化因子乘以xi以适应控制要求,从而得到控制量的实际值。
修正后的参数是在模糊论域上的,把模糊论域上的参数转化为真实论域上的参数,即输出实际量。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的,所以此控制器能够很容易实现在线调整PID控制参数,然后再用实际量驱动执行机构。
3 仿真分析研究
为了验证模糊PID参数自整定控制器的控制方案合理性,在理想条件下进行了Matlab仿真试验。由于电动机具有惯性,且存在一定延时,可以用二阶模型来描述[5],其传递函数如下:,T1=10,T2=20,τ=0.08。分别用PID控制和模糊PID参数自整定控制器对电流、速度信号进行控制,以电流信号为例,得到仿真实验结果如图五所示。
上述两个仿真曲线虽然是转速信号随时间变化的曲线,但根据转速信号随时间变化的情况也能看出电动机工作情况。据此,我们可以得出如下结论:基于模糊PID参数自整定控制器控制效果比基于PID控制方法的控制效果好,模糊PID参数自整定控制器在控制速度环时具有自适应性,而且在整个调节过程中的超调量较小,上升时间较快,调节时间较短,很快就达到了给定值,系统无静差,系统的动态特性和稳态特性都能满足工程要求。
与此同时,模糊理论对参数的调节作用,致使该控制器具有很强的鲁棒性,可以克服非线性因素的影响,使整个转速过程随时间的变化比较平稳、均衡,这样电动机的影响较小。同时,内环中,电流环控制器的设计方法与速度环相同。总之,采用模糊控制与经典PID控制相结合的控制策略,设计出的模糊PID控制器可以扬长避短,既保持了PID控制器的结构简单、适用性强、精度高和整定方便等优点,又有模糊控制的灵活性,可以智能地在线调整PID控制器的参数,比较容易适应给定值的变化,大大提高了控制精度和系统稳定性。
摘要：本文针对机床加工过程中需要高性能可控电力拖动和经常正反转运行的问题,设计了基于单片机的双闭环直流调速系统,采用模糊PID控制的方法,研究分析了模糊PID参数自整定的性能,通过仿真证明了该系统的有效性。
关键词：PID,单片机,双闭环直流调速系统,模糊算法
参考文献
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