數(shù)字PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

1、CHENGDUUNIVERSITY計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目電加熱爐計(jì)算機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（部）電子信息工程學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名何光斌學(xué)號(hào)200810311127年級(jí)2008級(jí)一班指導(dǎo)教師喻曉紅職稱講師2011緒論1系統(tǒng)設(shè)計(jì)21 .系統(tǒng)概述22 .直流電機(jī)的速度控制方案33,速度設(shè)定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取44 .非線性變速積分的PID算法44.1 PID算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)44.2 數(shù)字PID參數(shù)整定方法74.3 經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象94.4 變速積分的PID算法94.5 非線性變速積分的PID算法105 .計(jì)算機(jī)控制仿真及分析105.1 實(shí)驗(yàn)仿真步驟以及理論分析：115.2 系統(tǒng)仿真

2、結(jié)論以及分析12總結(jié)13參考文獻(xiàn)14緒論在現(xiàn)實(shí)生活中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，都少不了電機(jī)的積極作用，所以，能夠控制好電機(jī)，一來(lái)能夠節(jié)約能耗，二來(lái)能使電機(jī)輸出我們所需要的效果，從而提高效率。本次課程設(shè)計(jì)本質(zhì)就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)輸出我們想要的轉(zhuǎn)速，為此，我們通過(guò)PID控制器對(duì)晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)與各種電路相互結(jié)合，達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制。選用合理的參數(shù)整定方法合理選擇KRTI、TD以及采樣周期T,使系統(tǒng)在超調(diào)不大的情況下快速響應(yīng)。數(shù)字PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它主要包括有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型。而

3、各種系統(tǒng)又往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此選用PID控制器作為轉(zhuǎn)速控制器是本系統(tǒng)的重要措施。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。晶閘管問(wèn)世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)），它相比于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。在分析了直流電機(jī)閉環(huán)速度控制方案的基礎(chǔ)上，針又tPID算法在直流電機(jī)應(yīng)用中出現(xiàn)的種種問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決方法，提出了非線性變速積分PID算法，成功地解決了在低采樣周期時(shí)PID算法的積分飽和問(wèn)

4、題。本課程設(shè)計(jì)為V-M雙閉環(huán)不可控直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，報(bào)告首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，然后對(duì)電路各元件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護(hù)電路以及電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定。進(jìn)而對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有一個(gè)全面、深刻的了解。系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 .系統(tǒng)概述直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動(dòng)力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。采用PID調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速單環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性

5、能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩苇h(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。系統(tǒng)原理圖如圖1所示圖1單環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間構(gòu)成審級(jí)控制系統(tǒng)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再利用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器，即三相集成觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，即設(shè)計(jì)成帶轉(zhuǎn)速微分的負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按

6、照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)放的倒相作用。系統(tǒng)先進(jìn)行信號(hào)采集再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)給定和同步信號(hào)（由電源的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行同步）使單片機(jī)送出脈沖來(lái)控制觸發(fā)電路，控制整流電路輸出，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，再由檢測(cè)電路帶回實(shí)際轉(zhuǎn)速給單片機(jī)，讓單片機(jī)根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較、放大及PID運(yùn)算等操作，從而控制整流電路a角的大小，進(jìn)而改變電機(jī)電樞電壓的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。并且可由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示電路。檢測(cè)電路|江流電機(jī)k觸發(fā)徑流電路A，D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電源H步仁七產(chǎn)乍電路圖2單環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件連接2 .直流電機(jī)的速度控制方案對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開(kāi)環(huán)控制，也可

7、采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。直流電機(jī)的速度控制方案如圖1所圖3直流電機(jī)速度控制方案示。直流電機(jī)控制器可采用電機(jī)控制專用DSP也可采用單片機(jī)+直流電機(jī)控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法，但由于DSP勺價(jià)格高而不適合于小功率低成本的直流電機(jī)控制器。后者雖然運(yùn)算速度低，但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴?，依?/p>

8、可以達(dá)到較高的控制精度，適合于小功率低成本的直流電機(jī)控制器。閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制），其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計(jì)、調(diào)試直流電機(jī)控制器的過(guò)程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對(duì)PID控制算法加以改進(jìn)，關(guān)系到整個(gè)直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的成敗。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u

9、(t)的關(guān)系為u(t)=kp(e(t)+1/Tiee(t)dt+Td*de(t)/dt)式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)其中kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。3,速度設(shè)定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取為在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得到電機(jī)速度設(shè)定值(通過(guò)A/D變換器)和電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，這需要通過(guò)精心的設(shè)計(jì)才能完成。直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置傳感器(通常是霍爾傳感器)信號(hào)得到，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，*也BlHlK耳卅:J圖4霍爾傳感器信號(hào)由圖2可知，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個(gè)周期的方波

10、，且其周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比，因此可以利用霍爾傳感器信號(hào)得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時(shí)間，可測(cè)得任意一相霍爾傳感器的一個(gè)正脈沖的寬度則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：但由于利用霍爾傳感器信號(hào)測(cè)速，所以測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的采樣周期是變化的，低速時(shí)采樣周期要長(zhǎng)些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出，導(dǎo)致電機(jī)低速時(shí)的動(dòng)態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號(hào)相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號(hào)頻率的倍頻信號(hào)，這樣可縮短一次速度采樣的時(shí)間，但得增加額外的硬件開(kāi)銷。直接利用霍爾傳感器信號(hào)測(cè)速雖然方便易行，但這種測(cè)速方法對(duì)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上的定位有較嚴(yán)格的要求，當(dāng)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上定位有誤差時(shí)

11、，相鄰2個(gè)正脈沖的寬度不一致，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對(duì)測(cè)速精度要求較高時(shí)，可采用增量式光電碼盤，但同樣會(huì)增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開(kāi)銷。電機(jī)速度設(shè)定值可以通過(guò)一定范圍內(nèi)的電壓來(lái)表示。系統(tǒng)中采用了串行A/D(如ADS7818來(lái)實(shí)現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機(jī)調(diào)速的過(guò)程中，電機(jī)控制器的功率輸出部分會(huì)對(duì)A/D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進(jìn)行抗干擾處理。4,非線性變速積分的PID算法4.1 PID算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)圖5模才PPID控制系統(tǒng)原理框圖在DD臻統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。由于計(jì)算機(jī)

12、只能識(shí)別數(shù)字量，不能對(duì)連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算，故在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。為將模擬PID控制規(guī)律離散化，我們把圖4中r(t)、e(t)、u(t)、c(t)在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是：e(n)=r(n)_c(n)(4-1)當(dāng)采樣周期T很小時(shí)dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n)Wn-1)近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似de(t)e(n)-e(n-1)&dtT(4-2)這樣，式(4-2)便可離散化以下差分方程TnTu(n)=Kpe(n)+Ze(n)+*e(n)-e(n-1)+u。(4-3)

13、T1TT上式中uo是偏差為零時(shí)的初值，上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用，稱為比例(P)項(xiàng)uP(n),即up(n)-Kpe(n)(4-4)第二項(xiàng)起積分控制作用，稱為積分(I)項(xiàng)u|(n)即Tnui(n)=Kpe(i)(4-5)Tiv第三項(xiàng)起微分控制作用，稱為微分（D）項(xiàng)uD（n）即UD(n)=Kp/e(n)-e(n-1)這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)使用)或合并使用，常用的組合有：P控制：u(n)=Up(n)+U0(4-6)PI控制：u(n)=Up(n)十U|(n)+u0(4-7)PD控制：u(n)=Up(n)+UD(n)+Uo(4-8)PID控制：u(n)=Up(n)+U|(n)+UdS

14、)+Uo(4-9)式（4-3）的輸出量u（n）為全量輸出，它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此，式（1.7）又稱為位置型PID算式。由（4-3）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴（i）,不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此對(duì)式（4-3）進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（4-3）不難看出u（n-1）的表達(dá)式，即TnTc(4-10)u(n-1)=KPe(n-1)e(n)為e(n-1)-e(n-2)u。TiyT將式(1.7)和式(1.15)相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為u(n)=u(n)-u(n-1)=KPe(n)-e(n-1)十K|e(n)+KDe(n)2e

15、(n1)+e(n-2)(4-11)從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為U(n)=KPe(n)-e(n1)+Kie(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n2)+u。(4-12)式中：Kp稱為比例增益；Ki=KpT|稱為積分系數(shù)；Kd=KpT稱為微分系數(shù)1。數(shù)字PID位置型示意圖和數(shù)字PID增量型示意圖分別如圖6和7所示:圖6數(shù)字PID位置型控制示意圖圖7數(shù)字PID增量型控制示意圖4.2 數(shù)字PID參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過(guò)程的要求來(lái)考慮。一般來(lái)說(shuō)，要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過(guò)大，在系

16、統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是很困難的，必須根據(jù)具體過(guò)程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是整定參數(shù)時(shí)不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時(shí)可能略嫌粗糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實(shí)際問(wèn)題。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。(1)擴(kuò)充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對(duì)象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：

17、選擇一個(gè)足夠小的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時(shí)，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度6(d=1/Kp)直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時(shí)的臨界比例度k及系統(tǒng)的臨界振蕩周期Tk0選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將DDC勺控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積二20e(t)表小0(4-13).e2(t)dtDDC控制度:0e(t)dt模擬實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當(dāng)控制度為1.0

18、5時(shí)，就可以認(rèn)為DDg模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度為2.0時(shí)，DDC匕模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、Kp、T1、Td的值1。表1擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI0.03Tk0.536K0.88Tk1.05PID0.014Tk0.63。0.49Tk0.14Tk1.20PI0.05Tk0.496k0.91Tk1.20PID0.043Tk0.0476K0.47Tk0.16Tk1.50PI0.14Tk0.425K0.99Tk1.50PID0.09Tk0.346k0.43Tk0.20Tk2.00PI0.22Tk0.366k1.05Tk2.00PID0.

19、16Tk0.276k0.40Tk0.22Tk(2)經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值線，來(lái)調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進(jìn)行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)；動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)Ki=0,實(shí)際微分系數(shù)Kd=0,控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)Kp,讓擾動(dòng)信

20、號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿意的控制過(guò)程為止。取比例系數(shù)Kp為當(dāng)前的值乘以0.83,由小到大增加積分系數(shù)Ki,同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿意的控制過(guò)程。積分系數(shù)K1保持不變，改變比例系數(shù)Kp,觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)KP增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)KI,力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)KP和積分系數(shù)Kl為止。引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)KD和實(shí)際微分時(shí)間TD,此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)K|o和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)確定的。大慣量如：

21、大烘房的溫度控制，一般P可在10以上,1在（3、10）之間,D在1左右。小慣量如：一個(gè)小電機(jī)閉環(huán)控制，一般P在（1、10）之間,1在（0、5）之間,D在（0.1、1）之間，具體參數(shù)要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。4.3 經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，會(huì)引起偏差的階躍，使|E（k）|增大,PID的輸出P（k）將急劇增加或減小，以至于超過(guò)控制量的上下限Pmax此時(shí)的實(shí)際控制量只能限制在Pmax,電機(jī)的轉(zhuǎn)速M(fèi)（k）雖然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長(zhǎng)的速度減慢，偏差E（k）將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間保持在較大的偏差值，從而使得PID算式中的積分項(xiàng)不斷

22、地得到累積。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值后，開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)的偏差，但由于積分項(xiàng)已有相當(dāng)大的累積值,還要經(jīng)過(guò)相當(dāng)一段時(shí)間后控制量才能脫離飽和區(qū)，這就是正向積分飽和，反向積分飽和與此類似。解決的辦法：一是縮短PID的采樣周期（這一點(diǎn)單片機(jī)往往達(dá)不到），整定合適的PID參數(shù)；二是對(duì)PID算法進(jìn)行改進(jìn)，可以采用非線性變速積分PID算法。4.4 變速積分的PID算法變速積分PID算法的基本思想是改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差的大小相適應(yīng)。偏差大時(shí)，減弱積分作用，而在偏差較小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)積分作用，為：此,可必取非線性函數(shù)EGH：,A(4-14)+H這時(shí)PID算法可改進(jìn)為:PU)=K述決)+KJ十(4-15)K口E宗)

23、-EkkDf的值在01區(qū)間變化，當(dāng)偏差大于A+印寸，證明此時(shí)已進(jìn)入飽和區(qū)，這時(shí)f=0,不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加；|E(k)|&A+印寸,f隨偏差的減小而增大,累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達(dá)到最大值1。實(shí)際中A,B的值可做一次性整定,當(dāng)A,B的值選得越大，變速積分對(duì)積分飽和抑制作用就越弱，反之越強(qiáng)。筆者的經(jīng)驗(yàn)：取人=30%|E(k)|MAX,比20%|E(k)|MAX&宜。4.5 非線性變速積分的PID算法變速積分用比例作用消除了大偏差，用積分作用消除小偏差，大部分情況下可基本消除積分飽和現(xiàn)象，同時(shí)大大減小了超調(diào)量，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，但對(duì)于在大范圍突然變化時(shí)產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)

24、象仍不能很好地消除，這時(shí)可采用非線性變速積分的PID算法。非線性變速積分的PID算法的基本思想是將PID調(diào)節(jié)器輸出限定在有效的范圍內(nèi)避免P(k)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作范圍而產(chǎn)生飽和。5.計(jì)算機(jī)控制仿真及分析105.1 實(shí)驗(yàn)仿真步驟以及理論分析:啟動(dòng)MATLA前口，在其窗口的工具欄中，單擊Simulink的快捷啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)。建立一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，打開(kāi)一個(gè)標(biāo)題為“Untitled”的空白模型編輯窗口。分別查找信號(hào)源模塊庫(kù)（Source）,數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊（MathOperations）,聯(lián)系系統(tǒng)模塊（Conutinuous）和接受模塊（Sinks）,把求和模塊（Sum,傳遞函數(shù)模塊（TranceferF

25、un）和示波器（Scope）復(fù)制到Untitled窗口,然后連線，建立下圖的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)速pin苜弓0埼定信號(hào)人產(chǎn)調(diào)節(jié)群合點(diǎn)1可期R整液器能述函數(shù)1川力+1O.O75j泄注反饌系數(shù)信號(hào)粽合點(diǎn)2電機(jī)電相再訪買呼傳遞涌數(shù)。陽(yáng)5單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)PID器的PID參數(shù)，通過(guò)示波器觀察波形，調(diào)節(jié)直到最佳。得到下面的圖一：圖一通過(guò)圖一看出系統(tǒng)變化得太快，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。需要減小P并增大I并繼續(xù)調(diào)整參數(shù)使仿真波形如圖二所示：11圖二通過(guò)圖二得出此時(shí)系統(tǒng)快速性已經(jīng)很好，但仍然有靜差。繼續(xù)增大I使得波形圖三:圖通過(guò)圖三看出此時(shí)系統(tǒng)已較穩(wěn)定。5.2系統(tǒng)仿真結(jié)論以及分析12進(jìn)行仿真事實(shí)上是一種數(shù)值模擬，數(shù)值模擬可以直觀地顯示目前還不易觀測(cè)到的、說(shuō)不清楚的一些現(xiàn)象，容易為人理解和分析；還可以顯示任何試驗(yàn)都無(wú)法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。對(duì)試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的