基于LabVIEW的直流電機PID速度控制系統(tǒng)設(shè)計

沈峰，鐘勝奎,仲兆準(zhǔn) ，張運詩 謝光偉，

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

0 引言

直流電機是機械能和直流電能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)機械裝置，直流電機具有較好的調(diào)速性能和較大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械(例如龍門刨床、鏜床、軋鋼機等)或者需要較大啟動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械(例如起重機械、電力牽引設(shè)備等)往往采用直流電機來驅(qū)動。

隨著計算機技術(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是美國國家儀器公司(簡稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，又稱為G語言，它把復(fù)雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能，使用線條把各種功能連接起來的簡單編程方式。

本文就是要運用LabVIEW來編寫軟件，通過友好的人機界面，實現(xiàn)對直流電機實際轉(zhuǎn)速的測量，以及用PID控制算法對其轉(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

實驗系統(tǒng)由一臺裝有LabVIEW的計算機；NI ELVIS II+實驗平臺；額定電壓12V、額定轉(zhuǎn)速3500r/min的直流電機；以及一個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，實驗硬件電路是在該平臺上搭建的，該平臺集成了-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，信號發(fā)生器等。集成光敏晶體管是用來測量電機實際轉(zhuǎn)速的，接線如圖1所示。

圖1 光電器件電路原理圖

將直流電機的一個引腳接可變電壓源，另一個引腳接地，由于直流電機空載轉(zhuǎn)速與控制電壓近似成線性正比關(guān)系，故通過計算機控制直流電機引腳的電壓的大小即可改變電機的轉(zhuǎn)速，在電機的轉(zhuǎn)軸頂端添加一個帶一缺口的隔光圓片，將圓片放置在晶體管模塊中間，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動的時候，每轉(zhuǎn)過一圈，光敏晶體管就可以接收到一次信號，AI通道就可以采集到一個脈沖，通過測量兩個相鄰脈沖的間隔時間，經(jīng)過轉(zhuǎn)換就可得到電機的實際轉(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

系統(tǒng)編程采用美國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的人機界面，它通過各種控制器件和顯示器件實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的輸入和顯示，模擬了真實儀器的面板，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模塊，分別是：轉(zhuǎn)速測量模塊，PID算法模塊以及轉(zhuǎn)速控制模塊。下面分別對三個模塊進(jìn)行介紹。

2.1 轉(zhuǎn)速測量模塊

該模塊是要采集AI通道兩端的脈沖信號，并將之轉(zhuǎn)化成電機的實際轉(zhuǎn)速，經(jīng)過濾波顯示出來。首先配置一個模擬電壓輸入通道，選擇相應(yīng)的物理通道，設(shè)置采樣率，使用脈沖測量.vi計算脈沖周期，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次采樣時設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值；Δv是輸出的速度增量。

程序用一個公式節(jié)點，以Kp，Ki，Kd，ek，ek-1，ek-2為輸入量，Δv是經(jīng)過PID算法計算得出的速度增量作為輸出量控制電機轉(zhuǎn)速，通過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PID算法得出的速度增量經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到控制電壓，控制電機轉(zhuǎn)速。首先配置一個模擬電壓輸出通道，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，控制電機轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)運行及調(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，目前廣泛運用的有三種：試湊法、經(jīng)驗數(shù)據(jù)法以及擴充臨界比例度法。這里采用擴充臨界比例度法對PID參數(shù)進(jìn)行整定。首先選擇一個足夠短的采樣周期T，調(diào)整Kp的值使之做純比例控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩時記下此時的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)器所對應(yīng)的過渡過程的誤差平方比；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)，運行程序，調(diào)節(jié)儀表盤設(shè)定轉(zhuǎn)速，觀察實際轉(zhuǎn)速的變化曲線，發(fā)現(xiàn)達(dá)到了速度控制的理想效果，實際運行結(jié)果如圖5、6所示，參數(shù)設(shè)定如圖7所示。

圖5運行結(jié)果1

圖6 運行結(jié)果2

圖7 參數(shù)設(shè)定

4 結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計利用圖形化編程語言LabVIEW實現(xiàn)了對直流電機的轉(zhuǎn)速控制，實踐證明，用PID算法控制電機轉(zhuǎn)速，其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，魯棒性強，具有良好的控制效果；利用LabVIEW開發(fā)的控制系統(tǒng)，其人機界面友好形象，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)開發(fā)時間與項目籌建成本，提高了工作效率，因此具有一定的應(yīng)用價值。

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