基于先進PID控制的電動機調速系統研究

劉峰

摘 要：文章簡要介紹了先進PID控制算法的原理及實現過程，闡述了常規PID控制算法的局限性，并分析了該先進PID控制算法與常規的PID控制算法的不同。實驗驗證主要采用半硬件仿真的方式，使用STM32系列單片機做微控制器，用16個MOS管構成H橋作為直流電動機的驅動板，用100線的編碼器作為速度傳感器反饋電機的實時轉速。系統運行時，微控制器通過串口向PC機發送系統的狀態信息，用以顯示系統的各種性能指標，比較控制算法的優劣。

關鍵詞：先進PID控制；STM32；半硬件仿真

引言

在工業生產過程中，直流電動機被廣泛地應用于各種工業拖動領域。對直流電動機轉速的有效控制也一直都是工程技術及科研人員研究的熱門課題之一。目前雖然各種現代控制直流電動機調速系統的控制算法以PID控制為主。PID控制具有原理簡單，使用方便等優點。但在環境快速變化，實時性及控制精度要求高的場合，PID控制器的參數整定往往十分繁瑣復雜，需要反復調整。為了能夠更好地適應各種工業控制領域，需要對PID控制算法做一些改進。而對常規PID控制算法的改進就稱之為先進PID控制。

1 常規PID控制器的原理

常規PID控制器的控制規則：設誤差信號為e（t），作為輸入變量，則PID控制的輸出量u（t）為：

（1）

在式（1）中，KP為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數。在實際設計PID控制器時，通常是在微控制器中實現的，因此需要對式（1）做離散化處理。離散后得：

（2）

為了簡化參數，調試方便，可以將式（2）改寫為：

（3）

在式（3）中，KP、Ki和Kd分別是比例系數、積分系數和微分系數。

PID控制器的本質就是一個在頻域上的濾波器。在確定使系統穩定的參數時，這一思想很有用，如果參數選用不當，很可能導致系統反復震蕩，無法達到最終的設定值。PID控制器傳遞函數的一般形式是：

H（s）=■ （4）

2 常規PID控制器效果分析

當直流電動機空載運行時，將目標轉速設定為300r/min，系統調節時間很短，能夠很快的到達并穩定在目標轉速。在運行的過程中，也沒有明顯的超調。此時，系統的控制效果較佳。在其他條件都相同的情況下，將目標轉速1000r/min，系統的調節時間有所增加，超調量較大，但基本在可接受的范圍內。當給直流電動機加額定負載時，保持該調速系統PID參數不變，將目標轉速設定為300r/min，在運行過程中，系統的調節時間大幅增加且系統出現了較大的穩態誤差。將目標轉速設定在1000r/min時，系統控制指標出現明顯的惡化。由此可以看出，當控制器參數固定時，PID控制算法的調速范圍并不寬，且直流電動機的負載一旦變化，就會對整個系統的控制效果產生不利的影響。因此常規的PID控制算法并不是適用于這種直流電動機調速系統。

3 先進PID控制器的設計

在電動機調速系統中，常規的PID控制算法暴露出一些問題。第一個是當直流電動機負載運行時，穩定狀態下的系統出現了較大的穩態誤差。為了減小穩態誤差，必須加大積分系數，以提高控制精度。但在直流電動機啟動、停止和大幅度改變目標速度時，短時間內系統出現了較大的誤差，造成積分累積，引起系統出現較大的超調，這在實際的生產中是不允許的。為了解決這一問題，文章采用了一種新的PID控制算法——積分分離PID控制算法。當電動機啟動、停止或者買標書速度大幅改變，電動當前的轉速與目標轉速之間的偏差變大時，取消積分作用，以免使系統的超調量增大，穩定性降低。當電動機當前轉速與目標轉速較為接近時，再引入積分作用，用以消除系統的穩態誤差，提高控制精度。根據電動機的實際情況，通常將目標速度的30%作為閾值。具體實現過程如下：

●設定閾值？茁>0；

●當誤差？駐>？茁時，采用PD控制；

●當誤差？駐？燮？茁時，采用PID控制。

采用這種控制算法后，可以解決上述常規PID控制算法控制精度不高或者超調量較大的問題。

經過改進后，還有另一個問題是調速的范圍不能很寬，否則系統的控制動態指標將出現明顯的惡化。造成這個問題的根本原因是PID控制器的一組固定參數并不能適用于對各種目標速度的控制。針對這一缺陷，可以采用動態參數的PID控制算法。具體實現方法是，將可能需要調速的范圍劃分為若干個區間，對每個區間采用不同的控制參數，這樣可以降低PID控制器參數調節的難度，較好的適應各種不同的目標速度，以達到最佳的控制效果。

4 先進PID控制器效果分析

為了與常規PID控制算法做對比，測試時均與常規PID控制算法的測試做參照。首先在電動機空載時，將電動機目標轉速設置為300r/min，加入分離積分和動態參數的PID控制算法與常規PID控制算法沒有什么差別。將電動機的目標轉速設置為1000r/min后，調節時間略有增加，但并沒有很明顯的超調。電機額定負載運行時，當目標速度為300r/min時，該調速系統的調節時間和超調量有所增加，但系統幾乎不存在穩態誤差；當目標速度為1000r/min時，與常規PID控制算法相比，調節時間、超調量和穩態誤差均較小。

5 結束語

通過上述分析驗證可以發現，常規的PID控制器在直流電動機調速系統中暴露出很多問題，諸如魯棒性不夠好，適應性較差，參數調節困難等。而在常規PID控制算法的基礎上做一些改進可以明顯地提高系統的靜態及動態性能，系統的魯棒性也大幅提高。

綜上所述，基于動態參數和分離積分方式的PID控制器可以用于直流電動機的調速系統中，且實際的控制效果較好。

參考文獻

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