基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐園園，洪雪梅

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門362011；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐園園1,2，洪雪梅1

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門362011；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

介紹了一種基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)。充分發(fā)揮Labwindows/CVI和Matlab的優(yōu)勢(shì)，利用LabWindows/CVI和Matlab的軟接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LabWindows/CVI人機(jī)界面設(shè)計(jì)，Matlab進(jìn)行PID運(yùn)算的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)編程簡(jiǎn)單，具有良好的軟件交互界面，控制效果良好，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

LabWindows/CVI；Matlab；數(shù)字PID控制；直流電機(jī)

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以電動(dòng)機(jī)速度控制為中心的電機(jī)控制系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用。目前，直流電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于企業(yè)的機(jī)電設(shè)備中。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)具有在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速性能，如：調(diào)速范圍廣，穩(wěn)定性好，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等良好的起動(dòng)性能。因此，直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上得到廣泛的應(yīng)用[1]。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的算法有PID算法、自適應(yīng)模糊控制法等。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過仿真軟件來建立控制對(duì)象的模型，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)所需要的條件和環(huán)境來進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。LabWindows/CVI是美國(guó)NI公司推出的著名虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)之一，以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、運(yùn)用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)的結(jié)合起來，提供了理想的界面開發(fā)環(huán)境[2]。Matlab是Mathworks公司開發(fā)的科學(xué)計(jì)算環(huán)境，擁有豐富的函數(shù)庫(kù)，幾乎涵蓋了所有的工程計(jì)算領(lǐng)域，是國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。但其界面開發(fā)能力較差，且數(shù)據(jù)輸入、網(wǎng)絡(luò)通信和硬件控制等方面比較繁瑣[3]。

鑒于LabWindows/CVI和Matlab的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將兩者有機(jī)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出一種基于引擎的LabWindows/CVI和Matlab軟接口技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速PID算法(Proportion Integral Differential Coefficient Arithmetic)控制。

1 LabWindows/CVI和Matlab的引擎調(diào)用技術(shù)

本文的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)LabWindows/CVI和Matlab的混合編程，完成其數(shù)據(jù)和命令的交換，即軟接口技術(shù)[4]。常用的技術(shù)有ActiveX技術(shù)和Matlab Compiler技術(shù)，使用時(shí)需要較強(qiáng)的軟件專業(yè)知識(shí)和編程能力。本文提出了一種LabWindows/CVI和Matlab引擎調(diào)用技術(shù)，方法簡(jiǎn)單實(shí)用。

1.1 引擎程序的環(huán)境建立

LabWindows/CVI對(duì)Matlab引擎調(diào)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將Matlab當(dāng)作計(jì)算引擎，通過LabWindows/CVI編寫引擎程序向Matlab傳送數(shù)據(jù)并調(diào)用Matlab命令，使之在Matlab的后臺(tái)完成運(yùn)算并返回計(jì)算結(jié)果。其環(huán)境建立即創(chuàng)建引擎函數(shù)的使用條件，具體包括建立3個(gè)靜態(tài)鏈接庫(kù)文件，分別為L(zhǎng)ibeng.lib，Libmx.lib，Libmat.lib。引擎程序中會(huì)使用到的engine函數(shù)和mx-函數(shù)都包括在靜態(tài)庫(kù)中。此外是對(duì)engine.h頭文件的包含，因?yàn)閑ngine.h中不但含有對(duì)引擎函數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)類型的定義，還對(duì)matrix.h進(jìn)行了包含，缺其將無法使用Matlab引擎。

1.2 引擎程序的主體部分

以下列代碼為例，此例程可涵蓋大多數(shù)引擎程序的主要步驟，其關(guān)鍵代碼如下：

該引擎調(diào)用技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，充分發(fā)揮兩種軟件的優(yōu)點(diǎn)，可成為開發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但在混合編程過程中，由于在LabWindows/CVI運(yùn)行的同時(shí)，又啟動(dòng)了Matlab進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)處理，需要有較高的計(jì)算機(jī)硬件配置。

2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速PID算法及其整定

直流電機(jī)是一種經(jīng)常被用作控制元件的器件，它可以直接提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)的傳遞函數(shù)是一個(gè)二階無滯后傳遞函數(shù)。二階無滯后傳遞函數(shù)模型為：

PID控制方法是工控界最常用的電機(jī)控制方法。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，在計(jì)算機(jī)PID控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，本系統(tǒng)采用位置式PID控制算法。

2.1 位置式PID算法

圖1 位置式PID控制系統(tǒng)框圖

2.2 數(shù)字PID的工程整定法

數(shù)字PID的三個(gè)參數(shù)影響著控制系統(tǒng)的控制效果。增大比例參數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差，但過大的比例參數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；增大積分參數(shù)將減小積分作用，有利于減小超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的作用將變小；增大微分參數(shù)有利于加快系統(tǒng)的預(yù)知性，減小超調(diào)，但過大的話反而起到相反的作用[5]。

對(duì)PID參數(shù)的整定一般采用試湊法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法或者工程整定法。本文采取的方法是應(yīng)用程序試湊的方法，對(duì)參數(shù)的調(diào)試實(shí)行先比例，后積分，最后微分的整定步驟。通過模擬或者閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響反復(fù)試湊參數(shù)，以達(dá)到滿意的控制效果，從而確定數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于LabWindows/CVI和Matlab的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真系統(tǒng)由界面和Matlab后臺(tái)程序兩部分組成。在界面，可由菜單項(xiàng)設(shè)置直流電機(jī)模型二階傳遞函數(shù)參數(shù)輸入設(shè)置用數(shù)值滑動(dòng)條控件來實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行結(jié)果由Graph控件來顯示。超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間和增益由文本框顯示。參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，Matlab后臺(tái)程序啟動(dòng)，并將運(yùn)算結(jié)果返回給Lab-Windows/CVI，由Graph控件來顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)給出了LabWindows/CVI和Matlab的軟接口方法，并將其應(yīng)用在直流電機(jī)控制仿真中，通過實(shí)測(cè)分析和應(yīng)用，取得了較好效果。實(shí)踐證明，引擎調(diào)用技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，可以更好發(fā)揮兩套軟件的優(yōu)點(diǎn)，成為開發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

[1]陳忠華，康立乾，王洋.直流調(diào)速系統(tǒng)中常規(guī)PI與模糊PI控制器的比較[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21(8):80-84.

[2]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]張賢達(dá).現(xiàn)代信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]徐園園.LabWindows/CVI對(duì)Matlab的引擎調(diào)用技術(shù)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(4)：365-367.

Design and implement of speed control system for DC motor based on LabWindows/CVI and Matlab

This paper introduces a speed control system for DC motor based on LabWindows/CVI and Matlab. Combined Labwindows/CVI and Matlab,using soft interface technology of LabWindows/CVI and Matlab,it can implement the Human Machine Interaction with LabWindows/CVI and PID algorithm with Matlab.This system has the advantages of simple program,fine software interface and effective control so it has a certain practical application value.

LabWindows/CVI;Matlab;PID control;DC motor

TM 33

A

1002-087 X(2016)04-0892-03

2015-09-20

福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015Z124)

徐園園(1980—)，女，山東省人，講師，博士生，主要研究方向?yàn)樘摂M儀器及智能測(cè)控技術(shù)。