基于LabVIEW的直流電機(jī)PID速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈峰，鐘勝奎,仲兆準(zhǔn) ，張運(yùn)詩(shī) 謝光偉，

(蘇州大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.沙鋼鋼鐵學(xué)院 江蘇 蘇州215021)

0 引言

直流電機(jī)是機(jī)械能和直流電能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置，直流電機(jī)具有較好的調(diào)速性能和較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此，對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械(例如龍門刨床、鏜床、軋鋼機(jī)等)或者需要較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械(例如起重機(jī)械、電力牽引設(shè)備等)往往采用直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，出現(xiàn)了一種全新的儀器概念——虛擬儀器(Virtual Instrument)；LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，又稱為G語(yǔ)言，它把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能，使用線條把各種功能連接起來(lái)的簡(jiǎn)單編程方式。

本文就是要運(yùn)用LabVIEW來(lái)編寫軟件，通過(guò)友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的測(cè)量，以及用PID控制算法對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使之達(dá)到理想的控制效果。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一臺(tái)裝有LabVIEW的計(jì)算機(jī)；NI ELVIS II+實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；額定電壓12V、額定轉(zhuǎn)速3500r/min的直流電機(jī)；以及一個(gè)集成光敏晶體管組成。ELVIS II+是基于LabVIEW編程環(huán)境，以及原型搭建的環(huán)境，實(shí)驗(yàn)硬件電路是在該平臺(tái)上搭建的，該平臺(tái)集成了-15V～+15V的可變電壓源，+5V的直流電壓源，以及多通道的數(shù)據(jù)采集(AI)，兩通道示波器，信號(hào)發(fā)生器等。集成光敏晶體管是用來(lái)測(cè)量電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的，接線如圖1所示。

圖1 光電器件電路原理圖

將直流電機(jī)的一個(gè)引腳接可變電壓源，另一個(gè)引腳接地，由于直流電機(jī)空載轉(zhuǎn)速與控制電壓近似成線性正比關(guān)系，故通過(guò)計(jì)算機(jī)控制直流電機(jī)引腳的電壓的大小即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸頂端添加一個(gè)帶一缺口的隔光圓片，將圓片放置在晶體管模塊中間，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，每轉(zhuǎn)過(guò)一圈，光敏晶體管就可以接收到一次信號(hào)，AI通道就可以采集到一個(gè)脈沖，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰脈沖的間隔時(shí)間，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換就可得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)編程采用美國(guó)NI公司的LabVIEW2010軟件，該程序通常由前面板和程序框圖組成。前面板是VI的人機(jī)界面，它通過(guò)各種控制器件和顯示器件實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的輸入和顯示，模擬了真實(shí)儀器的面板，如圖3所示；程序框圖是程序員編寫LabVIEW程序的窗口界面，如圖4所示。

圖3 前面板

圖4 程序框圖

此程序主要分為三個(gè)模塊，分別是：轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，PID算法模塊以及轉(zhuǎn)速控制模塊。下面分別對(duì)三個(gè)模塊進(jìn)行介紹。

2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊

該模塊是要采集AI通道兩端的脈沖信號(hào)，并將之轉(zhuǎn)化成電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)濾波顯示出來(lái)。首先配置一個(gè)模擬電壓輸入通道，選擇相應(yīng)的物理通道，設(shè)置采樣率，使用脈沖測(cè)量.vi計(jì)算脈沖周期，取周期的倒數(shù)，可得到每秒的轉(zhuǎn)速，乘以60，可得每分鐘的轉(zhuǎn)速，最后用位移寄存器累加5次再除以5進(jìn)行平均值濾波把最終結(jié)果顯示在前面板上。

2.2 PID算法模塊

程序采用增量式PID算式,如式(1)：

Δv=Kp(ek-ek-1)+Kiek=Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(1)

式中：Kp是比例系數(shù)；Ki是積分系數(shù)；Kd是微分系數(shù)；ek，ek-1，ek-2分別是第k次、第k-1次、第k-2次采樣時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值；Δv是輸出的速度增量。

程序用一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)，以Kp，Ki，Kd，ek，ek-1，ek-2為輸入量，Δv是經(jīng)過(guò)PID算法計(jì)算得出的速度增量作為輸出量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)在前面板上輸入適當(dāng)?shù)腒p，Ki，Kd值，使程序達(dá)到理想控制效果。

2.3 轉(zhuǎn)速控制模塊

該模塊是將通過(guò)PID算法得出的速度增量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，得到控制電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。首先配置一個(gè)模擬電壓輸出通道，設(shè)定電壓最大值為12V，最小值為0V，然后由于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓近似成線性正比關(guān)系，所以將Δv速度增量加上設(shè)定轉(zhuǎn)速，除以額定轉(zhuǎn)速3500r/min，再乘以額定電壓12V，就可以得到控制電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)試結(jié)果

3.1 PID參數(shù)的整定

PID控制器參數(shù)的整定方法有很多，目前廣泛運(yùn)用的有三種：試湊法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法以及擴(kuò)充臨界比例度法。這里采用擴(kuò)充臨界比例度法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。首先選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T，調(diào)整Kp的值使之做純比例控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩時(shí)記下此時(shí)的Kp為臨界振蕩增益Ks，以及臨界振蕩周期Ts；然后選擇合適的控制度，所謂控制度，就是數(shù)字控制器和模擬調(diào)節(jié)器所對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的誤差平方比；根據(jù)控制度查表1，即可求出Kp，Ti，Td的值；由式(2)、(3)可得到Kp，Ki，Kd的值。

Ki=KpT/Ti

(2)

Kd=KpTd/T

(3)

表1 擴(kuò)充臨界比例度法參數(shù)整定表

最后在前面板上輸入正確的物理通道，PID參數(shù)，運(yùn)行程序，調(diào)節(jié)儀表盤設(shè)定轉(zhuǎn)速，觀察實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化曲線，發(fā)現(xiàn)達(dá)到了速度控制的理想效果，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖5、6所示，參數(shù)設(shè)定如圖7所示。

圖5運(yùn)行結(jié)果1

圖6 運(yùn)行結(jié)果2

圖7 參數(shù)設(shè)定

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)踐證明，用PID算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，魯棒性強(qiáng)，具有良好的控制效果；利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，其人機(jī)界面友好形象，參數(shù)修改、系統(tǒng)調(diào)試方便，編程直觀易用，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間與項(xiàng)目籌建成本，提高了工作效率，因此具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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