直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)系部名稱：學(xué)生姓名：專業(yè)名稱：班級(jí)：時(shí)間：直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求：利用 PID 控制器、光電傳感器及F/V 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。要求：給定直流小電機(jī)，設(shè)計(jì)模擬PID 控制器，利用傳感器檢測(cè)速度（ST15、LM331 ），搭建成閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。（ 1）階躍響應(yīng)的超調(diào)量： %20%；（ 2）階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間： ts=1s± 0.02s。二、設(shè)計(jì)方案分析1、方案設(shè)計(jì)：器材：電路板、 PID 控制器、小型直流電機(jī)、LM331 、 ST151 各一片電阻、電容若干、導(dǎo)線、LM324 若干原理框圖：輸入輸出減PID 控制器直流電機(jī)F/V

2、 轉(zhuǎn)換器光電傳感器Lm331ST151注：1. 輸入電源信號(hào)與反映電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)的反饋調(diào)節(jié)電壓信號(hào)，作為共同輸入，通過(guò) PID控制器調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。2. 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪，葉輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)在光電傳感器處產(chǎn)生脈沖信號(hào)并輸入給F/V轉(zhuǎn)換器； F/V轉(zhuǎn)換器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將此作為反饋信號(hào)然后通過(guò)PID控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正。2、背景知識(shí)介紹：（ 1）選題背景及意義在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中起著十分的重要的作用。無(wú)論是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在日常的生活中的家用電器， 都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可分為簡(jiǎn)單控制

3、和復(fù)雜控制兩種，簡(jiǎn)單控制是只對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過(guò)繼電器、可編程控制器和開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制是只對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩，電壓、電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時(shí)往往需要非常精確的控制。 以前對(duì)直流的簡(jiǎn)單控制的應(yīng)用很多， 但是，隨著現(xiàn)代步伐的邁進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高， 使直流電機(jī)的 PID 控制控制逐漸成為主流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。（ 2）系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正，就是在系統(tǒng)中加入一些參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生改變， 從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在系統(tǒng)校正中， 當(dāng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)以單位階躍響應(yīng)的峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、阻尼比

4、、穩(wěn)態(tài)誤差等時(shí)域特征量給出時(shí)，一 般采用的 是根軌跡校正法， 實(shí)驗(yàn)所用軟件為MATLAB 、EWB 軟件，使用MATLAB 軟件繪制系統(tǒng)校正前后的根軌跡圖，系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)， 觀察系統(tǒng)校正前后的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足系統(tǒng)所需性能指標(biāo)，在 Simulink 界面下或使用 EWB 軟件對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，觀察系統(tǒng)輸出曲線的變化。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 常用的校正方法為串聯(lián)校正和反饋校正， 串聯(lián)校正比反饋校正設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單， 也比較容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種必要形式的轉(zhuǎn)換， 特別在直流控制系統(tǒng)中，由于傳遞直流電壓信號(hào)， 適合采用串聯(lián)校正。 在確定校正裝置的具體形式時(shí)，根據(jù)校正裝置所需提供的控制規(guī)律選擇相應(yīng)的

5、元件， 常常采用比例、微分、積分控制規(guī)律，或基本規(guī)律的組合，如比例微分、比例積分等。而本次課題選擇的正是 PID 即比例積分微分控制器。三、硬件設(shè)計(jì)：總體仿真電路：1、PID 比例積分微分控制器電路（ 1） PID 控制器的簡(jiǎn)單介紹PID 是比例 P (Proportional)、積分 (Integral)、微分 D (DifferentialorDerivative)控制的簡(jiǎn)稱。在PID 調(diào)節(jié)器作用下，我們可以對(duì)誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分控制，調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對(duì)象的輸入控制量。PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和電路連接如下圖所示，在式中， Kp 為比例增益， Ti為積分時(shí)間， Td 為微分

6、時(shí)間。PID 傳遞函數(shù)：PID 電路連接 ：（ 2） PID 控制器參數(shù)的確定PID控制是比例、積分、微分控制的總體，而各部分的參數(shù)KP、TI 、TD 大小不同則比例、 微分、積分所起作用強(qiáng)弱不同。 在工業(yè)過(guò)程控制中如何把三參數(shù)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)需要深入了解PID 控制中三參量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。以單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為例， 討論各參量單獨(dú)變化對(duì)系統(tǒng)控制作用的影響。在討論一個(gè)參量變化產(chǎn)生的影響時(shí)，設(shè)另外兩個(gè)參量為常數(shù)。PID 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響：通過(guò)仿真 PID 控制器參數(shù)確定如下KP=50T I =0.47 T D =0.022、直流電機(jī)放大電路通過(guò)電流放大電路使小電機(jī)可以正常運(yùn)行。其中 NPN三極管

7、 Q1采用 9013。具體電路如下圖：3、反饋電路（ 1）光電轉(zhuǎn)換器 ST151光電轉(zhuǎn)換器ST151 是單光束直射取樣式光電傳感器，采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和復(fù)合晶體管組成，性能可靠；體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 .，多應(yīng)用于多費(fèi)率電能表， IC 卡電度表等各種需測(cè)量計(jì)數(shù)的場(chǎng)合。ST151 實(shí)物圖ST151 內(nèi)部結(jié)果圖在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪時(shí)， 通過(guò)光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的脈沖信號(hào)，再將該脈沖信號(hào)傳送給F/V 轉(zhuǎn)換器 LM313 。（ 2）頻率電壓變換器LM331LM331是美國(guó) NS 公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比比較高的集成芯片。它是當(dāng)前最簡(jiǎn)單的一種高精度 V/F 轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)

8、換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以及其它相關(guān)的器件。 LM331雙列直插式 8 引腳芯片，其引腳框圖如圖 1 所示。Lm331邏輯框圖Lm331各引腳功能說(shuō)明如下 :腳 1 為脈沖電流輸出端 , 內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源 , 脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同 ;腳 2 為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié) ,RS 越小 , 輸出電流越大 ;腳 3 為脈沖電壓輸出端 ,OC 門(mén)結(jié)構(gòu) , 輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài) , 不用時(shí)可懸空或接地 ;腳 4 為地;腳 5 為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)間常數(shù) RC ;腳 6 為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端 , 低于腳 7 電壓觸發(fā)有效 , 要求輸入負(fù)脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度 Tw ;腳

9、 7 為比較器基準(zhǔn)電壓 , 用于設(shè)置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低 ;腳 8 為電源 Vcc , 正常工作電壓范圍為 440V。線性度好 , 最大非線性失真小于 0. 01 % , 工作頻率低到 0. 1Hz 時(shí)尚有較好的線性 ; 變換精度高數(shù)字分辨率可達(dá) 12 位 ;外接電路簡(jiǎn)單 ,只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/ F 或 F/ V等變換電路 , 并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。由 LM331構(gòu)成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示，輸入脈沖fi經(jīng) R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3 分壓而加有約 2Vcc/3 的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻R1 加有

10、Vcc 的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，經(jīng)微分電路 R1、C1 產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc 上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/3 時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位， 此時(shí)電流開(kāi)關(guān)打向右邊， 電流源 IR 對(duì)電容 CL 充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc 通過(guò)電阻 Rt 對(duì)電容 Ct 充電。當(dāng)電容CL 兩端電壓達(dá)到2Vcc/3 時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開(kāi)關(guān)打向左邊，電容 CL 通過(guò)電阻 RL 放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容Ct 迅速放電，完成一次充放電過(guò)程。 此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過(guò)程。從前面的分析可知，電容CL 的

11、充電時(shí)間由定時(shí)電路Rt、Ct 決定，充電電流的大小由電流源IR 決定，輸入脈沖的頻率越高， 電容 CL上積累的電荷就越多輸出電壓 ( 電容 CL 兩端的電壓 ) 就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率電壓的變換。按照前面推導(dǎo)V/F 表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓VO與 fi的關(guān)系為：VO=2.09RlRtCtfi/Rs電容 C1 的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來(lái)觸發(fā)輸入比較器，但電容 C1 小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻 RL和電容 CL組成低通濾波器。電容 CL 大些，輸出電壓 VO的紋波會(huì)小些，電容 CL 小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮。

12、在本次實(shí)驗(yàn)中， F/V 轉(zhuǎn)換器 LM331 是將 ST151 傳送過(guò)來(lái)的具有一定頻率的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)電路，最后反饋給PID 控制器。實(shí)際仿真電路如下：4、LM324放大器本課題采用的運(yùn)算放大器均為 LM324 （四運(yùn)放集成電路），它采用了 14 腳雙列直插塑料進(jìn)行封裝。 它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器， 除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。 每一組運(yùn)算放大器可用如圖所示的符號(hào)來(lái)表示， 它有 5 個(gè)引出腳，其中 “+、”“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端， “V+”、“V-”為正、負(fù)電源端， “ Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi- （ -）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信

13、號(hào)與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端， 表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 引腳排列見(jiàn)圖。Lm324 管腳圖在電路設(shè)計(jì)時(shí)，將 F/V 轉(zhuǎn)換器 LM331輸出的電壓反饋信號(hào)經(jīng) Lm324放大反饋到電路中； 4 和 11 管腳分別接 +12V,-12V 電源。四、軟件設(shè)計(jì)：首先用 Simulink模塊搭建直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)改變PID 模塊中的KP、TI 、TD 參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間以滿足課題要求。其中由于Simulink其中的模塊種類限制，對(duì)于直流電機(jī)，在實(shí)際焊接以及Proteus 仿真之前，用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)模型代替。示波器（ sco

14、pe）輸出波形：在確定了 KP、TI 、TD 三個(gè)參數(shù)之后，再通過(guò)MATLAB建模編程來(lái)畫(huà)出具體圖形，對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)來(lái)比較不同參數(shù)下輸出信號(hào)圖形的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，最終確定具體的參數(shù)KP=50T I =0.47 T D =0.02編程如下：>> num=2*50*0.47*0.02 2*50*0.47 2*50;>> den=2*50*0.47*0.02+0.47 2*50*0.47+2*0.47 2*50;>> sys=tf(num,den)Transfer function:0.94 s2 + 47 s + 100-1.41 s2 + 47.94 s + 100>> step(sys)>>grid所得最終圖形：之后根據(jù)計(jì)算公式確定PID 控制器的具體電阻和電容的數(shù)值大小，運(yùn)用EWB 仿真軟件搭建硬件電路，進(jìn)行初步仿真，進(jìn)而根據(jù)輸出波形對(duì)電阻、電容再次進(jìn)行微調(diào)，等達(dá)到課題要求之后慢慢縮小誤差。EWB 仿真設(shè)計(jì)圖如下：接著根據(jù) EWB仿真電路運(yùn)用 Proteus 再次進(jìn)行仿真，這次可以加入直流電機(jī)來(lái)更加貼近實(shí)際情況觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在仿真正確后進(jìn)行實(shí)際的硬件焊接和調(diào)試了。五、測(cè)試數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)結(jié)果：當(dāng)輸入電壓時(shí)， 輸入電壓通過(guò) PID 放大控制器之后， 輸入電機(jī)，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，