微流控離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)--本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、XXXXX畢業(yè)論文作者：空學(xué)號(hào)：XXXXXXX系：xxx專(zhuān)業(yè)：XXX題目：微流控芯片離心機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)者：（姓名）（專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)）評(píng)閱者：（姓名）（專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)）2017年5月28日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要微流控芯片離心機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是將制備樣品中所用到的分離、檢測(cè)等一些功能模塊集中在一塊芯片上，進(jìn)行自動(dòng)化分析的過(guò)程技術(shù)。本文主要是研究用于樣品分離的基于STM32的離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)控制直流無(wú)刷電機(jī)的速度產(chǎn)生離心驅(qū)動(dòng)力作用在微流控芯片平臺(tái)上。將數(shù)字PID控制器利用STM主控芯片應(yīng)用到離心機(jī)中，改變PWM永沖信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)

2、電壓，從而對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的多段控制。改變微流控平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)和控制流體的流速進(jìn)行分離檢測(cè)。研究結(jié)果表明，采用數(shù)字PID控制可以使離心機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速效果良好，能夠滿(mǎn)足使用要求。關(guān)鍵詞：微流控芯片技術(shù)STM32無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字PID多段控制xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要TitleDesignofMotionControlSystemforMicrofluidicChipCentrifugeAbstractMicrofluidicsisthebiological,chemical,medicalanalysisprocessofsamplepre

3、paration,reaction,separation,detectionandotherbasicoperatingunitintegratedintoamicro-scalechip,automaticallycompletethewholeprocessofanalysis.ThispapermainlystudiesthemotioncontrolofSTM32-basedcentrifuge.Thecentrifugalforcegeneratedbytherotationofthechipinthecentrifugalforcedriveandthemicro-motorisu

4、sedasthedrivingforceofthefluidinthechiplab.UsingthedigitalPIDalgorithmtochangethedutycycleofthePWMignaltothespeedfeedbackofthebrushlessDCmotormulti-stagecontrol,changetherotationspeedofthechiptoadjustandcontroltheflowrateofthefluid.TheresultsshowthattheuseofdigitalPIDcontrolcanmakethecentrifugestabl

5、eoperation,tomeettherequirements.Keywords：Microfluidics;STM32BrushlessDCmotor；DigitalPID；Multi-stagecontrolxxxxx201x屆本科畢業(yè)論文目錄1 弓I言，,，11.1 課題研究背景,11.2 課題研究意義及目的,11.3 離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制概述,21.4 論文主要研究?jī)?nèi)容，21.5 論文結(jié)構(gòu)與章節(jié)安排，32離心機(jī)原理及模型建立,32.1 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理,32.2 電機(jī)的選擇及相關(guān)技術(shù)參數(shù),42.3 離心機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立,52.4 本章小結(jié),73PID控制技術(shù)綜述,73.1 PID簡(jiǎn)介及

6、調(diào)速原理,73.2 PID控制算法概述及參數(shù)整定,93.3 本章小結(jié),114離心機(jī)控制器總體設(shè)計(jì)及其仿真,124.1 控制方案的選擇,124.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及其仿真,124.3 本章小結(jié),175離心機(jī)控制系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì),175.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),175.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),215.3 本章小結(jié),266運(yùn)行結(jié)果與分析，,，266.1 控制系統(tǒng)組成,276.2 結(jié)果分析,27結(jié)論,29參考文獻(xiàn)，,，30至攵曲32,4,xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文1引言1.1課題研究背景微流控芯片技術(shù)在科學(xué)上的定義是將制備樣品中所用到的分離、檢測(cè)等一些功能模塊集中在一塊芯片上，該芯片是把微米作為計(jì)量單

7、位，從而完成自動(dòng)化的分析1c該技術(shù)通常應(yīng)用在醫(yī)療、生物檢測(cè)等領(lǐng)域。目前國(guó)際上的研究機(jī)構(gòu)在分離、檢測(cè)方面創(chuàng)新點(diǎn)還是比較多的。微流控技術(shù)它是上就是對(duì)某種液體進(jìn)行的一種相對(duì)精確的控制，使之成為科研人員進(jìn)一步研究分析的樣品。當(dāng)今國(guó)際上在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展以相對(duì)成熟，值得一提的是目前應(yīng)用最廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟的的系統(tǒng)就是以微機(jī)電加工為基礎(chǔ)的的分析技術(shù)，他可以簡(jiǎn)化很多目前我們所用到的分析儀器。微流控芯片技術(shù)為目前最熱門(mén)的一項(xiàng)，利用離心驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)要檢測(cè)的樣品進(jìn)行分離。據(jù)了解，作為微流控技術(shù)分離驅(qū)動(dòng)的方式有很多，其中比較常用的為需要多點(diǎn)高壓電源設(shè)備的電滲流驅(qū)動(dòng)與壓力驅(qū)動(dòng)方式。電滲流驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)非常復(fù)雜，一般很少用

8、。更多的應(yīng)用為壓力驅(qū)動(dòng)，壓力驅(qū)動(dòng)也分為兩種。一種采用外部宏觀泵或注射器與微流體管道耦合，雖然其方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、比較容易實(shí)施，但體積龐比較大。第二種即為壓力驅(qū)動(dòng)，它將微機(jī)械加工技術(shù)制作的微泵作為離心力，不過(guò)這種驅(qū)動(dòng)方式制作流程繁瑣、成本花費(fèi)也很大201.2課題研究意義及目的采用離心力作為驅(qū)動(dòng)的技術(shù)目前來(lái)看比較具有創(chuàng)新性的發(fā)展340它的驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)比較明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝制作簡(jiǎn)易、驅(qū)動(dòng)效果好。這種技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外講多領(lǐng)域有所應(yīng)用，但是我國(guó)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究還不是很深入。本文采用的離心機(jī)為直流無(wú)刷電機(jī)，傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)在實(shí)際生活中有著很多的應(yīng)用，如模具、機(jī)械制造業(yè)、工業(yè)控制以及化工行業(yè)等等。但傳統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)

9、控制系統(tǒng)存在設(shè)備老化現(xiàn)象，使系統(tǒng)可靠性降低制約著工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展。本文所采用的主控芯片STM32具有良好的控制功能與保護(hù)功能，性能穩(wěn)定，抗外界干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)控制主要是用連續(xù)PID模擬器控制，但是其可靠性差，抗干擾能力較弱，電機(jī)運(yùn)行效率較低。為克服以上缺點(diǎn)，本文以STM32為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，利用位置傳感器信號(hào)作為反饋和數(shù)字PID算法結(jié)合，通過(guò)改變PWM1號(hào)-1-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文的占空比對(duì)轉(zhuǎn)速反饋的直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行多段控制來(lái)控制速度，使其具有良好的調(diào)速效果。1. 3離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制概述離心機(jī)采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，而基于STM

10、32勺直流調(diào)速系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，調(diào)速精度高的特性。調(diào)速系統(tǒng)由電源、上位機(jī)、通信接口、STM32空制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流無(wú)刷電機(jī)與測(cè)速裝置等構(gòu)成。如圖1-1所示：圖1-1離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖離心機(jī)運(yùn)功控制系統(tǒng)工作過(guò)程為：當(dāng)啟動(dòng)離心機(jī)后，通過(guò)配套上位機(jī)設(shè)定各階段預(yù)達(dá)到的速度。經(jīng)過(guò)STM32B制器處理后，通過(guò)改變PWM空比，進(jìn)而控制發(fā)射脈沖信號(hào)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到信號(hào)后，根據(jù)脈沖信號(hào)改變直流無(wú)刷電機(jī)的電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速。同時(shí)，測(cè)量裝置對(duì)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，并將結(jié)果反饋到主控電路，控制器將反饋得到的直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值比較，并在控制器內(nèi)部使用PID調(diào)節(jié)算法來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)

11、對(duì)離心機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度閉環(huán)控制。1.4論文主要研究?jī)?nèi)容本文研究了一款可對(duì)離心機(jī)的速度進(jìn)行多段控制的調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)需求，進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成控制系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)和元器件選型，并且依據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)相關(guān)參數(shù)建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)數(shù)字PID算法，并通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)基于VisualTFT的人機(jī)界面，使操作者能更方便地設(shè)置調(diào)速系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)，直接獲取調(diào)試結(jié)果。1.5論文結(jié)構(gòu)與章節(jié)安排論文根據(jù)研究?jī)?nèi)容，作出如下章節(jié)安排：第一章介紹了課題研究背景，研究的意義及目的，并對(duì)離心機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和-2-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文工作過(guò)程進(jìn)行了概述； 第二章闡述了直流無(wú)刷電機(jī)的工作原

12、理，選取了研究所用的電機(jī)型號(hào)，并計(jì)算出了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，通過(guò)電機(jī)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模； 第三章對(duì)PID控制技術(shù)進(jìn)行綜述，闡述PID控制原理，對(duì)PID控制算法進(jìn)行概述，從而選取有效的算控制設(shè)計(jì)控制器； 第四章進(jìn)行離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并用Simulink進(jìn)行仿真。 第五章設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬軟件，并利用VisualTFT軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，設(shè)定初始值并觀測(cè)結(jié)果；2離心機(jī)原理及模型建立離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要建立離心機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為控制的基礎(chǔ)。很明顯，直流無(wú)刷電機(jī)有著卓越的的運(yùn)行效率和好的調(diào)速性能，由于點(diǎn)電機(jī)本身體積小巧、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、成本低等優(yōu)勢(shì)，已逐漸被推廣到各個(gè)生產(chǎn)生活領(lǐng)域，有很廣的應(yīng)

13、用前景。下面就介紹一下直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程以及模型建立。直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理及選型是對(duì)于完成離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是很重要一步，下面各章的設(shè)計(jì)都會(huì)使用到本章的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。止匕外，在本章中還建立了離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型602.1直流無(wú)刷電機(jī)工作原理無(wú)刷直流電機(jī)是由機(jī)體和動(dòng)力裝置兩部分組成，是一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率比較高的產(chǎn)品。電機(jī)內(nèi)部有一組定子金屬線(xiàn)圈，一般由銅線(xiàn)纏繞，改變通過(guò)銅線(xiàn)圈的電流頻率就可以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而帶動(dòng)點(diǎn)擊上的轉(zhuǎn)子跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，直流無(wú)刷電機(jī)也就工作起來(lái)了。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要提供交流電，因此還需要三相橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。控制器發(fā)出脈沖信號(hào)對(duì)電流電壓進(jìn)行控制進(jìn)而改變離心機(jī)

14、的轉(zhuǎn)速。如圖2-1所示。-3-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文驅(qū)動(dòng)電踣控用電痛*喀圖2-1直流無(wú)刷電機(jī)工作原理2.2電機(jī)的選擇及相關(guān)技術(shù)參數(shù)本文根據(jù)STM32空制器及驅(qū)動(dòng)器型號(hào)參數(shù)綜合考慮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇57BL75S10-230TF鯽號(hào)的直流無(wú)刷電機(jī)。電機(jī)參數(shù)如表1所示。表157BL75S10-230TF9電機(jī)參數(shù)型號(hào)額定電壓額定轉(zhuǎn)矩NM額定轉(zhuǎn)速rpm額定功率W額定電流A空載電流A空載轉(zhuǎn)速57BL75S10-230TF9240.3230001005.90.84500根據(jù)表1中給出的電機(jī)技術(shù)參數(shù)，可通過(guò)計(jì)算得出其他參數(shù)指標(biāo)：電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)：Cm=0,32Nm=0.054Nm/A5.9A反電

15、動(dòng)勢(shì)系數(shù)：Ce=Cm=0.054V/(rad/s)電樞回路總電阻：R=0.42-電樞電感：L=1.12mH電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：T=L=0.0027sR2機(jī)電時(shí)間常數(shù)：TmjGDR=0.075s375CeCm1.1.1 3離心機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立1.1.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型概述-4-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)輸入、輸出以及內(nèi)部變量間關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型之分，靜態(tài)模型反映了系統(tǒng)各變量間的靜態(tài)關(guān)系式，一般是代數(shù)方程的形式；動(dòng)態(tài)模型反應(yīng)了系統(tǒng)各變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系式，一般用微分方程表示。反應(yīng)系統(tǒng)輸入、輸出變量之間關(guān)系的稱(chēng)之為系統(tǒng)的輸入輸出描述

16、或外部描述，如微分方程、傳遞函數(shù)等；反應(yīng)系統(tǒng)輸入、輸出變量和狀態(tài)變量間關(guān)系的稱(chēng)為系統(tǒng)的內(nèi)部描述，如狀態(tài)空間描述、方框圖等。一般，我們建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的目的是實(shí)現(xiàn)有效的控制。建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法，一是解析建模法，即根據(jù)對(duì)象或者過(guò)程遵循的物理化學(xué)定理進(jìn)行建模的方法；二是實(shí)驗(yàn)建模法，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得系統(tǒng)輸入、輸出變量的關(guān)系。在經(jīng)典控制理論方面，一般采取傳遞函數(shù)的建模方法，它適用于單輸入單輸出的系統(tǒng)；而在現(xiàn)代控制理論中，一般用狀態(tài)空間表達(dá)式進(jìn)行建模，它適用于多輸入多輸出的系統(tǒng)。根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，我們考慮采用傳遞函數(shù)的方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。利用傳遞函數(shù)進(jìn)行建模，此方法理論經(jīng)過(guò)多年大

17、發(fā)展完善，目前以比較成熟。可以更加直觀，清楚的表達(dá)出變量之間的關(guān)系，以便更好的進(jìn)行控制。1.1.3 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立為確保建立的數(shù)學(xué)模型更具實(shí)用性，以及減少附加條件的約束，因此假設(shè)下面的條件是成立的7:1）不計(jì)直流無(wú)刷電機(jī)的的飽和效應(yīng)以及換相過(guò)程中產(chǎn)生的齒槽效應(yīng)；2）直流無(wú)刷電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是方波，其繞組、電流A、定子磁場(chǎng)都是相互對(duì)稱(chēng)；3）直流無(wú)刷電機(jī)的定子繞組分布均勻；4）忽略磁滯損耗、禍流和電樞反應(yīng)產(chǎn)生的影響；通過(guò)以上假設(shè)條件可得：La=Lb=Lc=L（2）R=R=R（2.2）Lab=Lac=Lbc=Lba=Lca=L2=M（2.3）根據(jù)上述假設(shè)和（1.1）-（1.3）得到：直流無(wú)刷電機(jī)的

18、電壓方程：-5-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文MMiaeaLMib+ebMLjcJqj(2.4)Vai:R00Illa1,一LdVb=|0R0卜+于MVcj00RjlN其中：Va、Vb、Vc為三相繞組相電壓;ia、ib、ic為三相繞組相電流;ea、a、e。是各相反電動(dòng)勢(shì)；L為每相繞組的自感；M為每相繞組間的互感；R為直流無(wú)刷電機(jī)的繞組內(nèi)阻由于本文BLDC曝用的是兩兩導(dǎo)通星形連接方式，星形連接的S相繞組沒(méi)有中線(xiàn)于是有：iaibic=0(2.5)上式兩邊同乘以L(fǎng)可得：Lia+Lib+Lic=0(2.6)同理兩邊同乘以M可得：Mia+Mib+Mic=0(2.7)通過(guò)(1.5)至(1.7)式可將(1

19、.4)變換為BLDC晰的電壓方程：d乂=Ria+(L-M)而ia+ea(2.8)dVb=Rib+(L-M)由eb(2.9)M=Ric+(LM*ec(2.10)由式(1.8)至式(1.10)經(jīng)過(guò)綜合變換后得到的BLDCW效電路圖如圖2-2所示。圖2-2無(wú)刷直流電機(jī)等效電路圖直流無(wú)刷電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程:-6-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文(2.11)1=(叫*ecic)/wjdwGTBw(2.12)dte1其中：W為BLDCW角速度(rad/s),B為BLDCM勺阻尼系數(shù)(N.ms/rad);J為BLDCW轉(zhuǎn)動(dòng)，卜M量（kgm2）,TL為BLDCMfi負(fù)載華矩（Nm）0離心機(jī)采用的是直流無(wú)

20、刷電機(jī)。由于直流無(wú)刷電機(jī)具自身?yè)碛械臋C(jī)械慣性，即使是在空載條件下，電機(jī)對(duì)電樞兩端加入的控制電壓（Uc）的反應(yīng)也需要一定的時(shí)間，即有一定過(guò)渡過(guò)程，這一過(guò)程的長(zhǎng)短主要由電機(jī)本身特性，即機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電磁時(shí)問(wèn)常數(shù)來(lái)決定。根據(jù)參考文獻(xiàn)，直流無(wú)刷電機(jī)的傳遞函數(shù)可以表示為：Gp(s)=(S)1/CeU(S)一(Tms1)(TiS1)(2.13)將2.2中所求出的相關(guān)技術(shù)參數(shù)代入到上式中得到傳遞函數(shù)如下:Gp(s)=18.52(0.075s1)(0.0027sT)(2.14)2. 4本章小結(jié)在本章中，詳細(xì)闡述了直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理，從電機(jī)內(nèi)部原理中分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。而后，根據(jù)本文所用到的STM326制器及

21、驅(qū)動(dòng)器型號(hào)參數(shù)綜合考慮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇了57BL75S10-230TF9型號(hào)的直流無(wú)刷電機(jī)。通過(guò)查找文獻(xiàn)資料和電機(jī)的規(guī)格書(shū)，計(jì)算出了該型號(hào)的直流無(wú)刷電機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。最后，得出了該直流無(wú)刷電機(jī)的傳遞函數(shù)，為下邊的研究工作打下了良好的基礎(chǔ)。3PID控制技術(shù)綜述3. 1PID簡(jiǎn)介及調(diào)速原理在工程實(shí)踐方面，使用最多的調(diào)節(jié)器控制算法就是比例、積分、微分控制，即為PID控制技術(shù)，也可稱(chēng)之為PID調(diào)節(jié)13。PID控制器的出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因此成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。-7-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文PID控制電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

22、圖3-1所示圖3-1PID原理圖由上圖3所示，本文PID控制系統(tǒng)是由PID控制器和直流無(wú)刷電機(jī)組成的，PID控制的原理是開(kāi)始先用初始設(shè)置的r(t)與真實(shí)的輸出值y(t)做差，從而獲得偏差值errot(t)。而后，通過(guò)比例(P)、積分(I)、微分(D)及其三個(gè)量之間的組合對(duì)errot(t)進(jìn)行線(xiàn)性化調(diào)制處理，進(jìn)而對(duì)被控對(duì)象(直流無(wú)刷電機(jī))的速度控制。傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)可用下面的公式來(lái)表示：u(t)=Kpe(t)+1e(t)dt+Td蟲(chóng)9(3.1)1TI0出J其中：Kp為比例放大系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)；下面分別來(lái)說(shuō)明下比例(P)、積分(I)、微分(D)及其三個(gè)量之間的組合的主

23、要作用：(1)比例系數(shù)比例系數(shù)作為PID控制器的一個(gè)最為基本的參數(shù)。它對(duì)于系統(tǒng)的影響不可謂不大，隨著比例系數(shù)的越來(lái)越大，雖然說(shuō)控制的效果精確也越高，但是超過(guò)一定值得時(shí)候控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也會(huì)下降，甚至?xí)浅{(diào)過(guò)大。如果太小也不會(huì)起到穩(wěn)定的效果。(2)積分系數(shù)積分系數(shù)的數(shù)值變化反應(yīng)積分作用的能力大小，積分作用可以減少系統(tǒng)誤差，但卻不能完全消除誤差。積分系數(shù)越大，其積分作用反而越小。-8-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文圖3-2積分運(yùn)算示意圖(3)微分作用微分作用主要是提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分系數(shù)也是有合理控制范圍的超過(guò)或者小于這一范圍不但起不到作用，反而會(huì)是系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖3-3階躍響應(yīng)曲

24、線(xiàn)3. 2PID控制算法概述及參數(shù)整定PID的控制算法的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，很容易上手，控制效果和魯棒性都比較好。隨著社會(huì)不斷發(fā)展，技術(shù)的成熟，各個(gè)行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域也越來(lái)越希望得到更加精確度更高的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)一般利用離散的數(shù)字信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)采樣。因此，數(shù)字化得PID算法逐漸走進(jìn)人們的視野。一般我們把數(shù)字PID控制算法分有位置式PID與增量式PID兩種3。3.1.1 位置式PID控制算法基本PID控制器的理想算式為-9-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文(3.2)u(t)=Kpe(t)T10te(t)dtTd甯式中：u(t)為控制器(也稱(chēng)調(diào)節(jié)器)的輸出；e(t)為系統(tǒng)的輸入即e(t)=r(t)-c(t)

25、;Kp為控制器的比例放大系數(shù)；I為控制器的積分時(shí)間；Td為控制器的微分時(shí)間。設(shè)u(k)為第k次采樣值，由此寫(xiě)出離散式PID:ku(k)=Kpe(k)+(工e(j)+(b(k)e(k1)(3.3)jz0式中：L=KT工為積分系數(shù)Kd為微分系數(shù)位置式PID控制的不足之處：(1)實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)與之前的所有狀態(tài)都有聯(lián)系，因此處理數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)e(k)進(jìn)行全部的加和處理，計(jì)算量很大；(2)控制器的u(k)與執(zhí)行器的實(shí)際相對(duì)應(yīng)，若是計(jì)算機(jī)出錯(cuò)，u(k)的大幅度病變會(huì)直接造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的改變。3.1.2 增量式PID控制算法增量式PID控制算法是利用控制量的增量Au(k)來(lái)進(jìn)行處理。與位置式不同的是微機(jī)輸出

26、值A(chǔ)u(k)對(duì)應(yīng)的是電機(jī)運(yùn)動(dòng)的增量，這就要求執(zhí)行器應(yīng)具有對(duì)相應(yīng)的累加能力,才可以進(jìn)行操作。其累積功能可采用算式u(k)=u(k-1)+iu(k)的程序化來(lái)搞定由式(3.3)可得增量式PID控制Au(k)=u(k)-u(k-1)=KpA&k)+(e(k)+Kd&(k)-Ae(k1)(3.4)-10-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文式中Ae(k)=e(k)_e(k-1)進(jìn)一步可以改寫(xiě)成：Au(k)=Ae(k)_Be(k_1)+Ce(k-2)(3.5)式中：A=Kp(1+/Td)、B=Kp(1+。、CrKTTd這在里要說(shuō)明的是一旦確定了Kp、TTd,只需利用前后3次測(cè)得的偏差值就能夠由式(3.4)或

27、式(3.5)求出控制增量。增量式優(yōu)勢(shì)：整個(gè)過(guò)程無(wú)需做累加，因此簡(jiǎn)易了控制程序。因?yàn)橛?jì)算機(jī)無(wú)需做累加處理，所以當(dāng)電機(jī)某處故障時(shí)，產(chǎn)生的影響相對(duì)較小；控制方式切換時(shí)影響小。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，本文所研究的離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使用的是直流無(wú)刷電機(jī)對(duì)其進(jìn)行多段的速度控制。因此根據(jù)要求，我們選擇PID增量式算法。3.1.3 PID參數(shù)整定PID控制器參數(shù)整定是核心內(nèi)容，也是成功與否的關(guān)鍵所在。PID控制進(jìn)行參數(shù)整定有很多的方式，根據(jù)文獻(xiàn)所述，主要有以下兩種：(1)理論計(jì)算法。這種方法，主要是利用建立系統(tǒng)的模型，通過(guò)計(jì)算得出。但是如果真的使用此方法得來(lái)的數(shù)據(jù)還必須經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)，進(jìn)行完善。(2)工程整定法。這種方

28、法是工程中廣泛應(yīng)用的。因?yàn)樗梢越Y(jié)合實(shí)際情況獲得非常準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)。因此，這里我們也考慮用工程整定的方式進(jìn)行處理。此種方式對(duì)于PID參數(shù)的正定主要有臨界比例度法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法三種。但是不論用什么方法都需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行完善。這里我們采用臨界比例度法。如下：(1)一開(kāi)始先確定一個(gè)可以讓系統(tǒng)運(yùn)行的相對(duì)比較小的采樣周期T;(2)只填增比例參數(shù)，當(dāng)觀察到系統(tǒng)出現(xiàn)了臨界震蕩的現(xiàn)象停止，并記錄下此時(shí)的周期T和增益系數(shù)；(3)在一定控制度下，通過(guò)公式計(jì)算PID控制器參數(shù)。3. 3本章小結(jié)-11-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文本章主要是對(duì)PID控制技術(shù)進(jìn)行了綜述。詳細(xì)介紹了PID控制的發(fā)展以及各組成部分

29、的作用，闡明了相關(guān)工作原理，尤其是對(duì)PID調(diào)速原理進(jìn)行了充分的說(shuō)明。說(shuō)明了數(shù)字PID控制較傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)闡述了位置式PID和增量式PID兩種控制算法原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇了增量式PID控制算法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，概述了PID參數(shù)整定相關(guān)知識(shí)，采用臨界比例度方法設(shè)計(jì)了數(shù)字PID控制器。4離心機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及其仿真4. 1控制方案選擇直流無(wú)刷電機(jī)有著卓越調(diào)速性能。因此，在各個(gè)領(lǐng)域都受到很多研究學(xué)者的青睞。如何去控制這樣一種非線(xiàn)性的系統(tǒng)，也逐漸成為相關(guān)人士研究的熱點(diǎn)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，一般來(lái)說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)的控制方式通常有開(kāi)環(huán)控制、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)速電流

30、雙閉環(huán)控制三種11140開(kāi)環(huán)控制能夠直接通過(guò)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的PW嘛沖信號(hào)，進(jìn)而控制直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)環(huán)控制的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單而且容易控制，但是由于沒(méi)有實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋的信號(hào)，導(dǎo)致電機(jī)控制系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性和控制精度；在這一點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，它通過(guò)測(cè)速裝置得到的實(shí)際速度后進(jìn)行反饋，參與實(shí)時(shí)控制。因此，綜合以上闡述，我們采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制。它比開(kāi)環(huán)控制的響應(yīng)更迅速，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度也更好。根據(jù)系統(tǒng)給定的初始電壓U：(s)和利用測(cè)速裝置檢測(cè)到的的實(shí)際轉(zhuǎn)速d得到電壓Un(s),二者作差即可得到轉(zhuǎn)速的誤差A(yù)Un(s)o而后，再通過(guò)數(shù)字PID的調(diào)節(jié)后輸出理想轉(zhuǎn)速。離心機(jī)速度控制如圖4-1

31、所示設(shè)定使圖4-1無(wú)刷直流電機(jī)速度控制方案圖-12-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文4.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真4.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)綜合以上分析，本文選擇增量式PID控制算法進(jìn)行數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)，并利用擴(kuò)充臨界比例帶法進(jìn)行數(shù)字PID參數(shù)整定，選取合適的控制系數(shù)。根據(jù)第二章得出的直流無(wú)刷電機(jī)的傳遞函數(shù)：Gp(s)=18.52(0.075s1)(0.0027s1)設(shè)計(jì)數(shù)字PID控制器，其原理結(jié)構(gòu)如圖4-2所示:圖4-2控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖采用增量式PID控制算法，根據(jù)式（3.4）、（3.5）得：A=Kp+Ki+Kd、B=（Kp+2Kd）、C=Kd利用擴(kuò)充臨界比例度法結(jié)合Matlab仿真結(jié)果選擇

32、數(shù)字PID參數(shù)。具體整定方法如下：1）在純比例Kp的作用下，給定階躍輸入。依次增加Kp的數(shù)值，待出現(xiàn)等幅振蕩的情況后，記下當(dāng)時(shí)的增益和震蕩的周期如圖4-3所示。利用MATLAB&真如下：-13-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文:總FtgLlfd1=口X文件端信eeiv)工具m克畫(huà)a0口w)第珈fH給|A|3|日回|口Tinv列右肘的昭成面琵251lipn蘭dFDEEStHOOaaOOS9U34MFFFCFFFF10119J4&.596TXDEEBL11DO00OO5A1133OOFFFCFFFF10:18:48.321TXDEE61IIOOOOOO5B11330CFFFCFFFF10；lB：5

33、0.fi27TXDEEELUOOOaOO5C11虱OOFFFCFTFF10:18:53.220TODEEBtIIOOOOOO5D113Z00Ff=FCFFFFV圖6-3上位機(jī)通信記錄界面-27-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文如上圖6-2所示，本文離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中核心芯片STM32等數(shù)字PID控制器應(yīng)用的離心機(jī)中。根據(jù)離心機(jī)參數(shù)和實(shí)際情況合理設(shè)置數(shù)字PID的各項(xiàng)參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可達(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)上位機(jī)將離心機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置成100rad/s、300rad/s、600rad/s、900rad/s、1200rad/s、1500rad/s、1800rad/s、2100rad/s、2700r

34、ad/s九段轉(zhuǎn)速。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證如圖23所顯示，可達(dá)到預(yù)期效果。至此，整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。-28-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文本文針對(duì)微流控芯片離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)展開(kāi)了學(xué)習(xí)研究，根據(jù)項(xiàng)目要求與現(xiàn)實(shí)情況，設(shè)計(jì)了一款基于STM32勺離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)PID控制算法相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)PID的學(xué)習(xí)，對(duì)傳統(tǒng)增量PID進(jìn)行離散化，設(shè)計(jì)了數(shù)字PID控制算法依托STM32E片應(yīng)用到電機(jī)上。畢設(shè)期間，本人通過(guò)查閱的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，不僅對(duì)微流控芯片技術(shù)有了一定了解，更是結(jié)合實(shí)際操作對(duì)離心機(jī)的相關(guān)原理構(gòu)成和PID控制有了更加深入的了解。由于本文主要研究基于STM3雞心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制效

35、果實(shí)現(xiàn)。因此，控制算法方案是項(xiàng)目研究的重點(diǎn)。本文采用STM32乍為控制系統(tǒng)的主控芯片，并結(jié)合實(shí)際采用合適地驅(qū)動(dòng)器和電源。利用Kell編程軟件進(jìn)行編程控制，并進(jìn)行了仿真調(diào)試。主要完成了下面的內(nèi)容：(1)闡述了直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理，選取了研究所用的電機(jī)型號(hào)，并計(jì)算出了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，通過(guò)電機(jī)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模；(2)對(duì)PID控制技術(shù)進(jìn)行綜述，闡述PID控制原理，對(duì)PID控制算法進(jìn)行概述，從而選取有效的算控制設(shè)計(jì)了數(shù)字PID控制器；(3)進(jìn)行離心機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用STM3第數(shù)字PID控制器用到了電機(jī)控制中，并用Simulink進(jìn)行仿真；(4)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬軟件，并利用VisualTFT

36、軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，設(shè)定初始值并觀測(cè)了轉(zhuǎn)速效果。雖然說(shuō)完成了上述工作，但是一些細(xì)節(jié)做得還不夠好。由于個(gè)別原因，還有很多不足需要去完善。如下：(1)直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立不夠精確，還需要通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)合電機(jī)本身參數(shù)去完善；(2)本文只研究了數(shù)字PID這一種控制算法，總體可達(dá)到要求，但是依然有欠缺。下一步計(jì)劃利用粒子群算法、模糊算法等去設(shè)計(jì)模糊控制器；-29-xxxxx201x屆本科畢業(yè)論文參考文獻(xiàn)1張玲，王傳虎.基于離心力驅(qū)動(dòng)微流控芯片的研究進(jìn)展J,廣州化工,2010,(11):57-58+64.2微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)研究進(jìn)展J.馮探穎，周兆英，葉雄英，湯揚(yáng)華.力學(xué)進(jìn)展.2002(01).3龐中華，宋滿(mǎn)倉(cāng)，劉瑩，張金營(yíng).微流控芯片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展J.塑料,2010,(03):11-13.4余明芬，曾洪梅，張樺,邱德文.微流控芯片技術(shù)研究卞S況及其應(yīng)用進(jìn)展J.植物保護(hù),2014,(04):1-8.5劉子恒.步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)J.長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),1985,(04):88-94.6楊向宇,楊進(jìn)，鄒利平.直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的建模與仿真J.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,(08):28-32.7顏廷玉.直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究D.哈爾濱工