基于LabVIEW的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

42/49本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（題目：基于LabVIEW小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）姓名：松學(xué)號(hào)：0942051319專業(yè)：電子信息工程院系：電子通信工程學(xué)院指導(dǎo)老師：鐘玲玲職稱學(xué)歷：講師／本科完成時(shí)間：2013年4月29日新華學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）獨(dú)創(chuàng)承諾書(shū)本人按照畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)（調(diào)查）研究活動(dòng)，實(shí)事地做好實(shí)驗(yàn)（調(diào)查）記錄，所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中特別加以標(biāo)注引用參考文獻(xiàn)資料外，論文（設(shè)計(jì)）中所有數(shù)據(jù)均為自己研究成果，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的工作已在論文中作了明確說(shuō)明并表示意。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日期：基于LabVIEW小直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，其中最具有代表性的是LabVIEW，它不僅是圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，而且是一個(gè)功能強(qiáng)大且又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工具。目前，電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不僅是工業(yè)應(yīng)用與電能生產(chǎn)的基本裝備，同時(shí)也是速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的核心部件之一，應(yīng)用圍極為廣泛，特別是拖動(dòng)系統(tǒng)。因此弄清和熟悉電機(jī)的特性，研究其速度控制方法尤為重要。本文主要開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的直流電機(jī)的速度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制VI，實(shí)現(xiàn)了其速度的在線實(shí)時(shí)控制，達(dá)到了較好的速度控制效果。軟件方面，主要采用美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW作為平臺(tái)；硬件方面，主要采用NIELVIS虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件,并結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡（DAQ)PCI-6024E。本文以PID經(jīng)典控制方法為理論指導(dǎo)，采用經(jīng)驗(yàn)法、4：1衰減法分別對(duì)直流電機(jī)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，然后利用整定結(jié)果進(jìn)行速度在線實(shí)時(shí)控制，最后對(duì)控制效果進(jìn)行對(duì)比與分析。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；PID；電機(jī)轉(zhuǎn)速；數(shù)據(jù)采集卡ResearchofthecontrolsystemofsmalldcmotorspeedcontrolBasedonLabVIEWAbstractVirtualinstrumenttechnologyisanewdevelopmentdirectionofcomputermeasureandcontroltechnology.Virtualinstrumentisanimportantcomponentofvirtualinstrumenttechnology,andLabVIEWisthemostrepresentativegraphicprogrammingdevelopmentplatformwithitspowerfulandflexiblefunction.Inthemodernindustrydomain,theDCmotorisbasicequipmentinindustryapplicationandelectricenergyproducing,anditisthemostimportantpartintheDCmotorvelocitycontrolsystem,whichisusedinmanydomains,especiallyindragsystem.Therefore,itisveryimportanttoclearandknowwellthefeatureofDCmotoranditsvelocitycontrolmethods.ThearticlemainlydevelopsthespeedcontrolsystembasedontheLabVIEWfortheDCmotor,anddesignsthespeedcontrolVIwhichhasrealizeditsspeedonlinereal-timecontrolandachievesagoodspeedcontroleffect.ThesoftwaresystemmainlyusesLabVIEW,whichisavirtualinstrumentdevelopmentplatformandispromotedbyNICorporation.ThehardwaremainlyusesvirtualinstrumentteachingexperimentsuiteoftheNIELVIS,unifiesthemulti-purposedataacquisitionsystemcalledPCI-6024E.ThearticletakesthePIDclassicalcontroltheoryastheconduct,usesthethumbruleand4:1weakenlawtocarryontheinstallationseparatelytothePIDvariableofDCmotor,andthencarriesonthespeedonlinereal-timecontrolusingtheinstallationresult,andfinallycarriesonthecontrastandtheanalysistothecontroleffect.Keywords：Virtualinstrument；LabVIEW；PID；velocityofDCmotor；DAQ目錄1緒論…………11.1本課題的研究背景和意義….……11.2本課題的國(guó)外研究現(xiàn)狀…………..……………11.3本課題的工作容……………..…31.4本文的結(jié)構(gòu)安排……..……………32直流電機(jī)……………..………………..…………….42.1工作原理…………………..………42.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)……………….…………….42.3直流電機(jī)的速度控制方法介紹…….……………52.3.1改變電樞回路電阻調(diào)速………………..……….52.3.2改變勵(lì)磁電流調(diào)速……..……….62.3.3改變電樞電壓調(diào)速………………..…………….73虛擬儀器與LabVIEW介紹…………….………………..….…….103.1虛擬儀器概述…………..………...103.1.1虛擬儀器的概念………………...……………...103.1.2虛擬儀器的前景…………………...…………...103.1.3虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)………...……...113.2LabVIEW概述………...………..113.2.1編程語(yǔ)言的介紹………………..113.2.2編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)………….…133.2.3LabVIEW編程基礎(chǔ)…………134PID控制器設(shè)計(jì)…………………….174.1引言……………..………………...174.2PID控制規(guī)律………..…………….174.2.1PID控制系統(tǒng)模型……………...……………….174.2.2PID參數(shù)的調(diào)節(jié)作用……………...…………….184.3PID控制器的不完全微分形式…..……………….194.4動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)………...204.5PID控制器參數(shù)整定方法…………………..…….214.5.1經(jīng)驗(yàn)法…………...214.5.2等幅振蕩法……………………...224.5.34:1衰減法…………………...…225直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析…………….…...245.1速度控制模型分析………………...……………245.2NIELVIS硬件………………...….255.2.1NIELVIS平臺(tái)工作站…………..255.2.2NIELVIS原型實(shí)驗(yàn)板…………..265.3DAQ系統(tǒng)……...….285.3.1DAQ系統(tǒng)的構(gòu)成…………………...…………...285.3.2DAQ的關(guān)鍵概念……………295.4控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)…………………...……305.5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)…………...………………..325.5.1控制系統(tǒng)前面板程序設(shè)計(jì)…………………325.5.2控制系統(tǒng)控制程序框圖……335.6PID參數(shù)整定過(guò)程…………….355.6.1經(jīng)驗(yàn)法的在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程…………………..355.6.24:1衰減法的在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程……...……...365.7小結(jié)…….…………396結(jié)論………………..………………40致……………………42參考文獻(xiàn)………………411緒論1.1本課題的研究背景和意義直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)，雖然應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛，但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中仍有一席之地。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流發(fā)電機(jī)雖有被可控整流電源取代的趨勢(shì)，但從供電的質(zhì)量和可靠性來(lái)看，直流發(fā)電機(jī)仍有一定的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上，由于直流電機(jī)價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制效果良好，因而得到眾多研發(fā)人員的青睞。在此基礎(chǔ)上，研究直流電機(jī)的基于虛擬儀器的速度控制將有極大的意義。LabVIEW作為虛擬儀器概念的首創(chuàng)者，自1986年問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)成為虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在研究、制造和開(kāi)發(fā)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器的概念逐步為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界所認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)20年的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，已成為21世紀(jì)測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，并在研究、制造和開(kāi)發(fā)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測(cè)試儀器，不僅測(cè)試精度、穩(wěn)定性和可靠性高，而且開(kāi)發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)，有很高的性價(jià)比，節(jié)省投資，利于設(shè)備更新和功能的轉(zhuǎn)換與補(bǔ)充。因此，虛擬儀器在生產(chǎn)過(guò)程控制中和產(chǎn)品性能測(cè)試，設(shè)備故障診斷都得到廣泛的應(yīng)用，其研究的意義非常重大。1.2本課題的國(guó)外研究現(xiàn)狀電機(jī)控制是一個(gè)既成熟而又發(fā)展迅速的課題，電機(jī)控制具有種種優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)一直是國(guó)外很多公司、大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前，國(guó)外電機(jī)控制有關(guān)方面的研究工作正圍繞電機(jī)控制理論、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、電機(jī)控制器、電力電子技術(shù)幾個(gè)方面展開(kāi)。電機(jī)控制理論方面。目前，在電機(jī)速度控制領(lǐng)域，由于PID控制算法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)改變靈活，技術(shù)成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用。隨著理論研究的發(fā)展，各種改進(jìn)的控制算法層出不窮，近年來(lái)研究得很熱門的自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、魯棒控制理論等等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面。由于計(jì)算機(jī)微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大。為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方針提供的軟件業(yè)越來(lái)越多。值得一提的MATLAB和LabVIEW。MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是美國(guó)MathWorks公司在20世紀(jì)80年代中期推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件，是國(guó)際、國(guó)控制領(lǐng)域最流行的計(jì)算和仿真軟件,功能強(qiáng)大，工具箱豐富。LabVIEW是NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言（圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。有了好的控制方法，還需要有能將其實(shí)現(xiàn)的控制器?？煽啃愿?，實(shí)時(shí)性好是對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。目前，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）可以作為一種解決方案，一片F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代對(duì)快集成電路和分立元件組成的電路。現(xiàn)在市面上較通用的變頻器大多都是采用單片機(jī)來(lái)控制，但單片機(jī)的處理能力有限。近年來(lái)，各種集成化的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP)的性能得到很大的改善，比起單片機(jī)，DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，越來(lái)越多的單片機(jī)使用者開(kāi)始選用DSP器件來(lái)提高產(chǎn)品性能。新型電力電子技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的關(guān)鍵所在是電力電子器件。目前，電力電子器件正向高頻化、大功率、高電壓、智能化方向發(fā)展。低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，使用廣泛的功率器件有GBT、GTR、GTO，此外還有智能功率模塊IPMI[1][2]?；谝陨霞夹g(shù)的研究，采用虛擬儀器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制是一個(gè)新的組合方法，有較好的發(fā)展前景。但是，國(guó)對(duì)虛擬儀器技術(shù)的使用研究，很多只是建立在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，實(shí)際控制應(yīng)用有待研究。1.3本課題的工作容本文完成的工作有：（1）詳細(xì)介紹了虛擬儀器技術(shù)以與LabVIEW編程方法。（2）設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的PID控制器。（3）以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出來(lái)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制VI，并擁有良好的使用界面。然后借助已設(shè)計(jì)出來(lái)的硬件電路，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的在線實(shí)時(shí)控制。（4）詳細(xì)介紹了PID控制系數(shù)整定方法，并應(yīng)用于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程中。然后在過(guò)程控制中分析控制效果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。1.4本文的結(jié)構(gòu)安排本論文主要分六章：第一章前言，介紹論文研究背景、國(guó)外研究現(xiàn)狀、本文容以與架構(gòu)；第二章直流電機(jī)，主要介紹了直流電機(jī)的速度控制方法；第三章虛擬儀器與LabVIEW介紹，詳細(xì)介紹虛擬儀器和LabVIEW編程語(yǔ)言。第四章PID控制器設(shè)計(jì)，介紹了PID控制器的設(shè)計(jì)方法；第五章直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，本章是本文的核心部分，詳細(xì)的介紹了本論文控制系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)過(guò)程以與PID在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程，分析控制效果并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。第六章結(jié)論，主要是對(duì)本文的研究情況作總結(jié)。2直流電機(jī)本章簡(jiǎn)單的介紹了直流電機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的分析了直流電機(jī)速度控制方法。2.1工作原理本論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的電動(dòng)機(jī)是普通的直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生電磁力形成電磁轉(zhuǎn)矩的基本原理。在直流電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，單從電樞線圈的角度看，每個(gè)導(dǎo)體中的電流方向是交變的；但從磁極看，每個(gè)磁極下導(dǎo)體中電流的方向是固定的，即不管是哪個(gè)導(dǎo)體運(yùn)行到該極下，其中的電流方向總是一樣的。因此，直流電動(dòng)機(jī)可獲得恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。2.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定、轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)和做電機(jī)的機(jī)械支撐，主要由主磁極（簡(jiǎn)稱主極）、換向極、機(jī)座、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電樞感應(yīng)電勢(shì)或電磁轉(zhuǎn)矩，主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部件組成的。如圖2.1所示。.圖2.1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖2.1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1－風(fēng)扇；2－機(jī)座；3－電樞（鐵心和繞組）；4－主磁極鐵心；5－電刷裝置；6－換向器；7－接線板；8－接線盒；9－換向極；10－端蓋；11－轉(zhuǎn)軸2.3直流電機(jī)的速度控制方法介紹在生產(chǎn)中經(jīng)常需要改變生產(chǎn)機(jī)械的工作速度，改變方法有機(jī)械和電氣兩種。機(jī)械方法是通過(guò)改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。電氣方法是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的接線方式、電源的參數(shù)和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同的人為特性曲線上以得到不同的相對(duì)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為：(2-1)式(2-1)中：——電樞電流（）；——電樞供電電壓（）；——?jiǎng)?lì)磁磁通（）；——電勢(shì)系數(shù)；——電樞回路總電阻（）；(2-2)式(2-2)中：為電磁對(duì)數(shù)，為電樞并聯(lián)支路數(shù)，為導(dǎo)體數(shù)。由式(2-1)可以看出，式中，只要改變、、三個(gè)參量中一個(gè)，都可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法[4]2.3.1改變電樞回路電阻調(diào)速改變電樞回路電阻來(lái)調(diào)速，適用于各種直流電動(dòng)機(jī)。如圖2.2(a)是改變電樞電阻調(diào)速電路圖。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為：(2-3)其中為外接電阻（）。（b）機(jī)械特性（a）調(diào)速電路（b）機(jī)械特性（a）調(diào)速電路圖圖2.2電阻調(diào)速電路與機(jī)械特性圖當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，增大，電樞回路總電阻增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)降低。其機(jī)械特性如圖2.2(b)所示。的改變可用接觸器或主令開(kāi)關(guān)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3.2改變勵(lì)磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式（2-1）可看出，電動(dòng)機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)速成反比，即當(dāng)磁通增大時(shí)，轉(zhuǎn)速降低；反之，則升高。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是磁通和電樞電流的乘積，電樞電流不變時(shí)，隨著磁通的增大，其轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地增大。所以，該種調(diào)速方法，隨著電動(dòng)機(jī)磁通的增大，其轉(zhuǎn)矩降低，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地升高。當(dāng)額定電壓、額定電流，而轉(zhuǎn)速不同時(shí)，則電動(dòng)機(jī)輸出功率額定，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。2.3.3改變電樞電壓調(diào)速改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法是常用的控制方法。持續(xù)改變電樞供電電壓，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速（直流電動(dòng)機(jī)在很寬的圍）。改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。下面分別介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)。采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法。(b)機(jī)械特性(a)(b)機(jī)械特性(a)調(diào)速電路圖2圖2.3發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路機(jī)械特性圖如圖2.3(a)所示，通過(guò)改變IF來(lái)改變，從而改變。在不同的電樞電壓時(shí)，其得到的機(jī)械特性便是一組完全平行的直線，如圖2.3(b)所示。由于電動(dòng)機(jī)不僅可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，而且可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，因此改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，如圖2.3(a)中切換接觸器ZC和FC，就可以使系統(tǒng)工作在任意四個(gè)象限。由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(LF)，因而設(shè)備多且占用的體積大、效率低、費(fèi)用高、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)便捷。為克服上述缺點(diǎn)，目前采用水銀整流器和晶閘管這樣的靜止交流裝置來(lái)代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法。(a)調(diào)速電路（b）機(jī)械特性(a)調(diào)速電路（b）機(jī)械特性圖2圖2.4晶閘管供電的調(diào)速電路機(jī)械特性圖如圖2.4(a)所示。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，則可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。其開(kāi)環(huán)機(jī)械特性示于圖2.4(b)中，每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，改變延遲角a時(shí)，特性呈一組平行直線，它和發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。(3)采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法。PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法，其基本原理是：用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達(dá)的速度。電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低；當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加。若按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，則可使電機(jī)的速度達(dá)到一穩(wěn)定值。[5]其中前兩種是改變電機(jī)參數(shù)的方法，后一種是改變電源參數(shù)的方法。由于改變電阻只有極調(diào)速，而調(diào)節(jié)磁通圍很小，且本控制系統(tǒng)采用的直流電機(jī)為小功率電機(jī)，因此直流調(diào)速系統(tǒng)以變壓調(diào)速為主。所以對(duì)于要求在一定無(wú)極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最佳。3虛擬儀器與LabVIEW介紹3.1虛擬儀器概述本章主要從概念、發(fā)展階段、研究現(xiàn)狀、發(fā)展方向、優(yōu)點(diǎn)等五個(gè)方面對(duì)虛擬儀器做了詳細(xì)地介紹。3.1.1虛擬儀器的概念虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化自動(dòng)測(cè)試儀器系統(tǒng)，它通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件資源結(jié)合起來(lái)，使操作人員可以通過(guò)友好的圖形界面與圖形化編程語(yǔ)言控制儀器運(yùn)行，完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)生成。這里的“虛擬”有兩層含義[6]：（1）虛擬的儀器面板。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”是一樣的。物理的按鍵、開(kāi)關(guān)、旋鈕以與數(shù)碼管等顯示器件（類似實(shí)物的圖標(biāo)）都是由與實(shí)物外觀很相似的圖形控件來(lái)代替，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤操縱軟件界面中的這些控件圖標(biāo)來(lái)完成儀器的控制。（2）由軟件編程實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能。在以計(jì)算機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支撐下，虛擬儀器通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能，而且它可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試功能的軟件模塊的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能。因此，在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件就是儀器”的說(shuō)法。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)硬件確定后，就可以通過(guò)不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。3.1.2虛擬儀器的前景隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器技術(shù)也在向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，即基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。虛擬儀器的崛起是測(cè)試儀器技術(shù)一次革命性的飛躍，是儀器領(lǐng)域的一個(gè)新的里程碑。虛擬儀器使現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)、功能更強(qiáng)。虛擬儀器在我國(guó)的研發(fā)有著十分現(xiàn)實(shí)的意義，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)有助于提高我國(guó)儀器的整體水平，節(jié)省儀器開(kāi)發(fā)的人力和費(fèi)用。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與各種相關(guān)軟件的不斷產(chǎn)生，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。3.1.3虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可以一機(jī)多用、可重復(fù)開(kāi)發(fā)等。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)[7]：（1）性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。（2）擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于NI軟件的靈活性，只需更新您的計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)您的整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。（3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。（4）無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。3.2LabVIEW概述3.2.1編程語(yǔ)言的介紹LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW

則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI與函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。與C語(yǔ)言和BASIC

一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)與其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW

提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW

中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LabVIEW是一種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源代碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可和好評(píng)。圖3.1圖3.1LabVIEW啟動(dòng)后對(duì)話框本論文程序設(shè)計(jì)使用的是LabVIEW2011版本，該版本擁有強(qiáng)大的子VI庫(kù)，依據(jù)它們，我們可以更加方便的構(gòu)建多樣化的LabVIEW控制系統(tǒng)。雙擊LabVIEW圖表，啟動(dòng)如圖3.1所示對(duì)話框。3.2.2編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)LabVIEW具有強(qiáng)大的編程能力與可讀性，具體來(lái)說(shuō)有五大優(yōu)點(diǎn)[8]：（1）測(cè)試測(cè)量：LABVIEW最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，LABVIEW在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開(kāi)發(fā)程序就容易多了。有時(shí)甚至于只需簡(jiǎn)單地調(diào)用幾個(gè)工具包中的函數(shù)，就可以組成一個(gè)完整的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序。（2）控制：控制與測(cè)試是兩個(gè)相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測(cè)試領(lǐng)域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序。使用LabVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。（3）仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型設(shè)計(jì)等工作。在設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備之前，可以先在計(jì)算機(jī)上用LabVIEW搭建仿真原型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找到潛在的問(wèn)題。在高等教育領(lǐng)域，有時(shí)如果使用LabVIEW進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)。（4）快速開(kāi)發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，完成一個(gè)功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的LabVIEW程序員所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間，大概只是熟練的C程序員所需時(shí)間的1/5左右。所以，如果項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間緊，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。（5）跨平臺(tái)：如果同一個(gè)程序需要運(yùn)行于多個(gè)硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺(tái)一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見(jiàn)的三大臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、MacOS與Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見(jiàn)的PDA、FPGA以與運(yùn)行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。3.2.3LabVIEW編程基礎(chǔ)LabVIEW是虛擬儀器的開(kāi)發(fā)工具，在LabVIEW中開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序都被稱為VI（虛擬儀器），其擴(kuò)展名均默認(rèn)為vi。所有的VI都包括前面板、框圖、圖標(biāo)和連接器窗格三部分。（1）前面板（FrontPanel）前面板窗口見(jiàn)圖3-2所示，它是圖形用戶界面，在該界面上可以創(chuàng)建交互式的輸入控件和輸出顯示控件。輸入控件如開(kāi)關(guān)、旋鈕、按鈕等；輸出顯示控件如波形圖、波形圖表、指示燈等。圖3.2LabVIEW前面板圖3.2LabVIEW前面板（2）框圖（BlockDiagram）框圖窗口見(jiàn)圖3-3所示，框圖是VI程序的圖形化源代碼，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)電子儀器的功能部件。在框圖中對(duì)VI編程的主要工作，就是從前面板上的輸入控件獲得輸入信號(hào)，然后進(jìn)行計(jì)算和處理，最后在輸出控件中把處理結(jié)果顯示出來(lái)?？驁D上的編程元素，有連線端子、函數(shù)、子VI、常量、結(jié)構(gòu)和連線等。圖3.3程序框圖圖3.3程序框圖（3）選項(xiàng)板（Palette）LabVIEW提供了三種選板：工具選板、控件選板和函數(shù)選板。工具選項(xiàng)板工具選板提供了用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的各種工具。如果該選板不可見(jiàn)，則在“查看”菜單下選擇“工具選板”選項(xiàng)，可以顯示該選板。工具選板頂端的綠色長(zhǎng)方形，為“自動(dòng)選擇工具”，使用自動(dòng)選擇工具可以提高編程的速度。當(dāng)從工具選板中選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成與該工具對(duì)應(yīng)的形狀。當(dāng)鼠標(biāo)在工具選板的圖標(biāo)上停留2秒后，會(huì)彈出提示框以說(shuō)明該工具的用途。(如圖3.4所示)。圖3.4工具選項(xiàng)板圖3.4工具選項(xiàng)板控件選項(xiàng)板控件選板如圖3.5所示。只有打開(kāi)前面板時(shí)，才能顯示控件選板。如果選板不可見(jiàn)，可以選擇“（前面板的）查看”→“控件選板”菜單項(xiàng)，以使其顯示出來(lái)；也可以在前面板上單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出臨時(shí)控件選板?？丶x板用來(lái)給前面板添加各種輸入控件和輸出控件。圖3.5控件選項(xiàng)板圖3.5控件選項(xiàng)板函數(shù)選項(xiàng)板函數(shù)選板如圖3.6所示。只有打開(kāi)框圖窗口，才能顯示函數(shù)選板。若函數(shù)選板不可見(jiàn)，則可以用“（程序框圖的）查看”→“函數(shù)選板”來(lái)打開(kāi)它；也可以在框圖窗口下單擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出臨時(shí)函數(shù)選板。函數(shù)選板里有創(chuàng)建程序框圖需要的對(duì)象，該選板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子選板。圖3.6函數(shù)選項(xiàng)板圖3.6函數(shù)選項(xiàng)板4PID控制器設(shè)計(jì)4.1引言PID控制是廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制中的最為成熟、應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)。從PID制器問(wèn)世至今的70多年時(shí)間里，如雨后春筍般涌出了其它各種各樣的控制方法。PID控制器（ProportionIntegrationDifferentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過(guò)Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。PID控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。4.2PID控制規(guī)律4.2.1PID控制系統(tǒng)模型所謂PID控制，就是對(duì)偏差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律，即：(4-1)式(4-1)中：——比例控制項(xiàng)，其中為比例系數(shù)；——積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；——為微分時(shí)間常數(shù)?？刂破鞯膫鬟f函數(shù)為：(4-2)控制系統(tǒng)模型[9]如圖4.1：圖4.1PID控制系統(tǒng)模型圖4.1PID控制系統(tǒng)模型4.2.2PID參數(shù)的調(diào)節(jié)作用PID控制器包括積分、比例、微分三個(gè)部分，分別代表過(guò)去，現(xiàn)在，還有將來(lái)的控制作用。三個(gè)部分對(duì)控制性能的影響如下所述：積分——來(lái)控制過(guò)去，誤差值是過(guò)去一段時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。I從過(guò)去的平均誤差值來(lái)找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個(gè)簡(jiǎn)單的比例系統(tǒng)會(huì)振蕩，會(huì)在預(yù)定值的附近來(lái)回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無(wú)法消除多余的糾正。通過(guò)加上一個(gè)負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會(huì)總是減少。所以，最終這個(gè)PID回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來(lái)。比例——來(lái)控制現(xiàn)在，誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。比如說(shuō)，一個(gè)電熱器的控制器的比例尺圍是10°C，它的預(yù)定值是20°C。那么它在10°C的時(shí)候會(huì)輸出100%，在15°C的時(shí)候會(huì)輸出50%，在19°C的時(shí)候輸出10%，注意在誤差是0的時(shí)候，控制器的輸出也是0。微分——來(lái)控制將來(lái)，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。這個(gè)導(dǎo)數(shù)的控制會(huì)對(duì)系統(tǒng)的改變作出反應(yīng)。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對(duì)輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。這個(gè)D參數(shù)也是PID被稱為可預(yù)測(cè)的控制器的原因。D參數(shù)對(duì)減少控制器短期的改變很有幫助。一些實(shí)際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要D參數(shù)。用更專業(yè)的話來(lái)講，一個(gè)PID控制器可以被稱作一個(gè)在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點(diǎn)在計(jì)算它是否會(huì)最終達(dá)到穩(wěn)定結(jié)果時(shí)很有用。如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會(huì)反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)值。4.3PID控制器的不完全微分形式在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了改善控制質(zhì)量，可根據(jù)系統(tǒng)的不同要求，對(duì)PID控制進(jìn)行改進(jìn)。眾所周知，微分對(duì)高頻干擾的響應(yīng)很靈敏，極易引起振蕩，因此在PID控制中串聯(lián)低通濾波器（一階慣性環(huán)節(jié)）達(dá)到抑制高頻干擾的目的，這就是不完全微分PID控制算法，其PID控制器為：(4-3)其中N的值一般取3~10，顯然，當(dāng)頻率時(shí)，微分環(huán)節(jié)的增益不會(huì)超過(guò)。LabVIEW控制包提供的控制算是不完全微分PID控制算法，其中的子程序CDConstructSpecialModelVI（如圖4.2所示）構(gòu)建的PID控制器有三種形式[10]：PIDAcademic:(4-4)(2)PIDParallel:(4-5)(3)PIDSerial:(4-6)圖4.2CDConstructSpecialModelVI的三種PID控制器形式圖4.2CDConstructSpecialModelVI的三種PID控制器形式對(duì)比式（4-3）與式（4-4），可發(fā)現(xiàn)即的值一般取0.1~0.33。4.4動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)在古典控制理論中，用動(dòng)態(tài)時(shí)域指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠直觀地反映控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量，峰值時(shí)間，振蕩次數(shù)和衰減比。(1)調(diào)節(jié)時(shí)間：反映了過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，當(dāng)，若，則定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，式中是輸出量的穩(wěn)態(tài)量，取0.02或0.05。(2)超調(diào)量：表示了系統(tǒng)過(guò)沖的程度，設(shè)輸出量的最大值，輸出量的穩(wěn)態(tài)值，則超調(diào)量定義為，超調(diào)量通常以百分?jǐn)?shù)表示。(3)峰值時(shí)間：表示過(guò)渡過(guò)程達(dá)到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間，它反映了系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)反映的快速性。(4)振蕩次數(shù)：反映了控制系統(tǒng)的阻尼特性。它定義為輸出量的穩(wěn)態(tài)值的次數(shù)的一半。(5)衰減比：表示了過(guò)渡過(guò)程衰減快慢的程度，它定義為過(guò)渡過(guò)程第一峰值與第二個(gè)峰值的比值，即，通常，希望衰減比為4:1。4.5PID控制器參數(shù)整定方法PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。本文選用的三種整定方法(經(jīng)驗(yàn)法、等幅振蕩法、4:1衰減法)是眾多方法中用的比較廣泛的，下面簡(jiǎn)單介紹一下。4.5.1經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。（1）整定比例控制：將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)：若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)：若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。4.5.2等幅振蕩法等幅振蕩法在過(guò)去的工業(yè)過(guò)程中用的比較多，基本原理就是在純比例作用下得到臨界振蕩過(guò)程，然后確定臨界比例增益和臨界周期的數(shù)值，根據(jù)表4-1所列的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值。（1）按表4-1，計(jì)算、、參數(shù)的具體數(shù)值。（2）按純比例系統(tǒng)整定：比例增益，調(diào)節(jié)器，,控制系統(tǒng)投人閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例增益，直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線，此時(shí)的比例增益稱為臨界比例增益，用來(lái)表示，振蕩周期稱為臨界周期，用來(lái)表示。（3）按上述數(shù)值整定，投人運(yùn)行，再觀察調(diào)節(jié)過(guò)程的變化。若超調(diào)量太大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，則可適當(dāng)減小比例帶和積分時(shí)間，效果就會(huì)好些。表4-1等幅振蕩法經(jīng)驗(yàn)公式控制器PPIPID4.5.34:1衰減法4:1衰減法的基本原理是先把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到零。待調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步增大比例增益，觀察輸出電壓(電流)和調(diào)節(jié)過(guò)程的波動(dòng)情況，直到出現(xiàn)4:1衰減過(guò)程為止。記錄4:1比例增益和操作周期，根據(jù)表4-2所列的經(jīng)驗(yàn)公式，求得調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，然后把三個(gè)參數(shù)加到控制器上進(jìn)行控制。觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，如發(fā)現(xiàn)記錄曲線不理想，可進(jìn)行少量調(diào)整。（1）按純比例系統(tǒng)整定：比例增益，調(diào)節(jié)器，，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步增大比例增益，直到出現(xiàn)4:1的衰減曲線，假設(shè)此時(shí)的調(diào)節(jié)器比例增益為，振蕩周期為。（2）按表4-2經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算、、數(shù)值．（3）整定、、參數(shù)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程曲線，曲線不理想時(shí)，可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。表4-24:1衰減法經(jīng)驗(yàn)公式[12]衰減率調(diào)節(jié)規(guī)律4:1PPI/1.20.5PID/5直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。直流電機(jī)包括直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。直流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，直流電?dòng)機(jī)將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。按旋轉(zhuǎn)電機(jī)的可逆性原理，直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能，調(diào)速性能和過(guò)載能力，因此，在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有一席之地。主要用于交通、起重、軋鋼和自動(dòng)控制等領(lǐng)域，火電廠的給粉電動(dòng)機(jī)也常采用。5.1速度控制模型分析直流電機(jī)具有電氣屬性和機(jī)械屬性。對(duì)于表5-1中所定義的各個(gè)參數(shù)，描述直流電機(jī)開(kāi)環(huán)響應(yīng)的電氣方程為[13]：(5-1)和(5-2)描述電機(jī)扭矩的機(jī)械方程為：(5-3)和(5-4)其中，表5-1給出了、、、、和的描述。把式（5-4）的拉普拉斯變換式代入式（5-3）的拉普拉斯變換式，可得電機(jī)電樞電流為：(5-5)把式（5-5）和式（5-2）的拉普拉斯變換式代入式（5-1）的拉普拉氏變換式，可得：(5-6)通過(guò)解可得直流電機(jī)的速度控制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：(5-7)表5-1直流電機(jī)模型參數(shù)符號(hào)描述單位電機(jī)電壓電機(jī)電阻電機(jī)電樞電流電機(jī)扭矩常數(shù)電機(jī)反向感應(yīng)常數(shù)電機(jī)軸角速度電機(jī)扭矩電機(jī)軸和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5.2NIELVIS硬件NIELVIS虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件是美國(guó)國(guó)家儀器公司2004年推出的一套基于LabVIEW設(shè)計(jì)和模型創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)裝置。NIELVIS系統(tǒng)實(shí)際就是將LabVIEW和NI的DAQ設(shè)備相結(jié)合得到一個(gè)基于LabVIEW的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)品，包括硬件和軟件兩部分。硬件包括一臺(tái)可運(yùn)行LabVIEW的計(jì)算機(jī)、一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡、一根68針電纜和控制臺(tái)；軟件則包括LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境、NI-DAQ、可以針對(duì)ELVIS硬件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的一系列LabVIEWAPI和一個(gè)基于LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器軟件包。該實(shí)驗(yàn)套件可插入一塊原型實(shí)驗(yàn)面板，適合電子電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，完成測(cè)量?jī)x器、電子電路、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)輔助分析與設(shè)計(jì)[13]。5.2.1NIELVIS平臺(tái)工作站這部分介紹了NIELVIS平臺(tái)工作站和工作站的前控制面板，ELVIS平臺(tái)工作站如圖5.1工作站提供了連接相關(guān)實(shí)驗(yàn)硬件儀器的功能，工作站控制面板提供了函數(shù)發(fā)生器和可調(diào)電源等一些容易操作的旋鈕，也提供BNC和香蕉型連接器可連到NIELVIS示波器SFP和NIELVISDMM（數(shù)字萬(wàn)用表）SFP上。圖5.1ELVIS平臺(tái)工作站圖5.1ELVIS平臺(tái)工作站5.2.2NIELVIS原型實(shí)驗(yàn)板NIELVIS原型實(shí)驗(yàn)板，又稱原形設(shè)計(jì)面板，它連接在平臺(tái)工作站上，為用戶提供了一個(gè)組建電路的平臺(tái)。利用NIELVIS平臺(tái)工作站可以交替使用多塊原型實(shí)驗(yàn)板，圖5.2為ELVIS的原型實(shí)驗(yàn)板。圖5.2原型實(shí)驗(yàn)板圖5.2原型實(shí)驗(yàn)板原型設(shè)計(jì)面板通過(guò)面包板（白色區(qū)域）的兩側(cè)的分布條把所有的NIELVIS的信號(hào)終端列出來(lái)使用。每一個(gè)信號(hào)有一行，各行按功能分組。其各部分位置布局如圖5.3所示[14]。圖5.3原型設(shè)計(jì)面板各部分零件布局主要應(yīng)用到的信號(hào)描述如表5-2所示：表5-2主要信號(hào)描述信號(hào)名稱信號(hào)類型信號(hào)描述ACH<0..5>+常規(guī)AI模擬輸入通道0～5（＋）——到AI通道的正差分輸入ACH<0..5>–常規(guī)AI模擬輸入通道0～5（－）——到AI通道的負(fù)差分輸入CH<A…B>+示波器示波器通道A和B(+)——示波器通道的正輸入CH<A...B>–示波器示波器通道A和B(－)——示波器通道的負(fù)輸入AISENSE常規(guī)AI模擬輸入Sense——非參考單端（NRSE）模式的模擬通道的基準(zhǔn)續(xù)表AIGND常規(guī)AI模擬輸入地——DAQ設(shè)備的AI接地參考端DAC<0..1>模擬輸出模擬輸出通道0和1——DAQ設(shè)備緩沖器的輸出GROUND可變電源接地——設(shè)計(jì)面板接地端，所以接地針均連接在一起+15V直流電源+15V直流電源——穩(wěn)流+15V電源輸出-15V直流電源-15V直流電源——穩(wěn)流-15V電源輸出5.3DAQ系統(tǒng)DAQ(DataAcquisition），即數(shù)據(jù)采集儀器的一種典型的虛擬儀器（如圖3-9），它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計(jì)算機(jī)緊密相關(guān)。DAQ儀器以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件（某類總線、特定功能的數(shù)據(jù)采集卡）和計(jì)算機(jī)軟件（虛擬儀器應(yīng)用軟件）結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)特定的儀器測(cè)量和分析功能。DAQ儀器具有性價(jià)比高、設(shè)計(jì)手段靈活、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。本文采用的數(shù)據(jù)采集卡為PCI-6024E。5.3.1DAQ系統(tǒng)的構(gòu)成工程上使用具有PCI、PXI、USB、并口以與串口的計(jì)算機(jī)（PC）來(lái)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，稱為基于PC的DAQ系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般有兩種方案：通過(guò)插入式的DAQ卡直接將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；或者由位于計(jì)算機(jī)外部的DAQ硬件獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，然后通過(guò)各種總線，例如并口或者串口，傳輸給計(jì)算機(jī)。基于PC的DAQ系統(tǒng)包含以下基本要素[15]：（如圖5.4所示）個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）、傳感器、信號(hào)調(diào)理裝置、DAQ設(shè)備、數(shù)據(jù)處理與驅(qū)動(dòng)程序等軟件。圖5.4DAQ設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連的整體系統(tǒng)框圖圖5.4DAQ設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連的整體系統(tǒng)框圖5.3.2DAQ的關(guān)鍵概念(1)通道通道一般分為物理通道和虛擬通道。物理通道是測(cè)試和產(chǎn)生模擬或者數(shù)字信號(hào)的端子，每個(gè)通道可以包含多個(gè)端子，例如，每個(gè)數(shù)字端口可以包含8個(gè)端子（8根）數(shù)字線。(2)任務(wù)任務(wù)是通道、定時(shí)、觸發(fā)等的集合體，是為了完成某個(gè)目的，例如測(cè)量信號(hào)或者產(chǎn)生信號(hào)，通常包含以下步驟：=1\*GB3①新建或者載入一個(gè)任務(wù)=2\*GB3②根據(jù)需要設(shè)置通道、定時(shí)等特性。=3\*GB3③如果需要，設(shè)置任務(wù)狀態(tài)變化來(lái)完成某個(gè)特殊的操作。=4\*GB3④清除任務(wù)。(3)定時(shí)和觸發(fā)定時(shí)用時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)，它和觸發(fā)的最大的區(qū)別就是時(shí)鐘信號(hào)一般不產(chǎn)生任何行為，但是當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)用做采樣信號(hào)時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)邊沿都會(huì)進(jìn)行一個(gè)采樣，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)行為。時(shí)鐘信號(hào)作為采樣信號(hào)，這時(shí)采樣定時(shí)的一種方式，除此之外，還有根據(jù)需要采樣、握手采樣，隨從采樣等其他方式。關(guān)于觸發(fā)，有三種方式：數(shù)字邊沿觸發(fā)、模擬窗口觸發(fā)和模擬邊沿觸發(fā)。(4)緩存緩存通常只計(jì)算機(jī)為某個(gè)特殊目的而開(kāi)辟的臨時(shí)數(shù)據(jù)存取空間。(5)數(shù)據(jù)類型不同的虛擬通道支持的數(shù)據(jù)類型也不一樣。5.4控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)本論文研究的直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖5.5所示，包括PC機(jī)，NIELVIS平臺(tái)工作站和原型實(shí)驗(yàn)板。其中實(shí)驗(yàn)板上的器件包括1k電阻、10k電阻、紅外線發(fā)光二極管（IRLED）、直流（DC）小電機(jī)。其中兩個(gè)電阻是為了分壓的作用，10k電阻更是作為考察的對(duì)象，紅外線發(fā)光二極管是一對(duì)發(fā)射紅外線和接受紅外線的器件，萬(wàn)用表等測(cè)量工具。硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能：通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡，從ELVIS工作平臺(tái)上采集到模擬數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行采樣，量化，輸送到計(jì)算機(jī)程序界面上，之后程序根據(jù)實(shí)際情況與需要達(dá)到的目的進(jìn)行比較，發(fā)出控制信號(hào)，傳輸?shù)紼LVIS工作平臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)了速度控制。圖5.5光電器件原理接線圖10圖5.5光電器件原理接線圖10集成光敏晶體管ACH4+ACH4-接地1＋5V發(fā)射端接收端本控制系統(tǒng)是核心電路時(shí)由可調(diào)電源控制的直流電機(jī)和紅外線運(yùn)動(dòng)傳感器組成的，圖5.6是核心電路原理接線圖。1010光探測(cè)器ACH4+ACH4-接地1＋5V發(fā)射端接收端12V電機(jī)接地可調(diào)電源圖5.6速度控制系統(tǒng)核心電路原理圖圖5.6速度控制系統(tǒng)核心電路原理圖工作原理：當(dāng)光線被擋住時(shí)，傳感器接收邊接收不到光信號(hào)，使右邊形成短路，10k電阻上電壓為低電平，當(dāng)光線不被擋住時(shí)，傳感器接收邊接收到光信號(hào)，使右邊形成通路，10k電阻上輸出高電平。右邊是電機(jī)，轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)突出薄板，薄板隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸儀器旋轉(zhuǎn)，沒(méi)轉(zhuǎn)一圈就擋住光電傳感器的光線，使傳感器輸出一個(gè)脈沖。這樣電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)給PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)數(shù)據(jù)采集，利用LabVIEW強(qiáng)大的子VI庫(kù)中的，可以測(cè)出脈沖周期，從而測(cè)出PulseMeasurementsvi可以測(cè)試脈沖持續(xù)時(shí)間或波形的周期，如圖5.7。圖5.7電機(jī)測(cè)速程序框圖圖5.7電機(jī)測(cè)速程序框圖5.5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括LabVIEW的前面板設(shè)計(jì)和框圖設(shè)計(jì)，前面板提供了可視化的控制界面，框圖提供了詳細(xì)的程序控制過(guò)程，下面是程序設(shè)計(jì)的結(jié)果。5.5.1控制系統(tǒng)前面板程序設(shè)計(jì)圖5.8為直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)的功能：通過(guò)在前面板設(shè)置PID控制系數(shù)以與電壓，啟動(dòng)運(yùn)行，然后通過(guò)框圖的各部分功能的實(shí)現(xiàn)，從而得到了實(shí)時(shí)的速度圖形，以與過(guò)程速度變化情況。圖5.8直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的前面板圖5.8直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的前面板5.5.2控制系統(tǒng)控制程序框圖圖5.9為直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)后置板的流程框圖。實(shí)現(xiàn)的功能：通過(guò)接受控制電壓和PID系數(shù)后，采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與預(yù)期值進(jìn)行比較，從而超前性的輸出控制電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖5.9直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的后置板框圖圖5.9直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)程序的后置板框圖后置板框圖各個(gè)子VI實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）脈沖測(cè)量子VI：圖5.10脈沖測(cè)量子VI圖5.10脈沖測(cè)量子VI圖5.10是用來(lái)計(jì)算脈沖數(shù)量的子程序，SignalIn是需要測(cè)量的脈沖的波形輸入端口，輸入波形至少包含所有完整周期的脈沖序數(shù)（PulseNumber）。（2）PID控制軟函數(shù)：圖5.11PID控制軟函數(shù)圖5.11PID控制軟函數(shù)圖5.11是簡(jiǎn)單的PID控制模塊，控制著需要PID參數(shù)算法的設(shè)備。主要輸入端口有：輸出圍（OutputRange）：包含著兩個(gè)系數(shù)，分別控制著輸出的最大值和最小值，以免過(guò)高的電壓損壞被控制設(shè)備。定位點(diǎn)（Setpoint）：輸入為控制變量，是需要達(dá)到的過(guò)程常量。PID增益（PIDGain）：輸入為比例增益，積分時(shí)間和微分時(shí)間系數(shù)。（3）數(shù)據(jù)采集讀入子VI：圖5.12數(shù)據(jù)采集讀入子VI圖5.12數(shù)據(jù)采集讀入子VI圖5.12是數(shù)據(jù)讀入通道，從一個(gè)包含著一個(gè)或者多個(gè)模擬輸入通道的任務(wù)中，讀出一個(gè)或者多個(gè)波形。其中Task/ChannelsIn為信號(hào)輸入端口。（4）電壓更新子VI：圖5.13電壓更新子VI圖5.13電壓更新子VI圖5.13是一個(gè)更新了電源輸出的子VI,當(dāng)特定的控制電壓通過(guò)SupplyRef-umIn端口時(shí)，更新功能開(kāi)始作用。這是NI公司強(qiáng)大的VI庫(kù)提供的子程序。5.6PID參數(shù)整定過(guò)程由于直流電機(jī)速度控制中，很難調(diào)到等幅振蕩狀態(tài)，因此，針對(duì)本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了經(jīng)驗(yàn)法和4：1衰減法，分別進(jìn)行參數(shù)，然后進(jìn)行整定效果對(duì)比。下面是兩種PID系數(shù)整定方法的實(shí)際整定過(guò)程。5.6.1經(jīng)驗(yàn)法的在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程實(shí)際上，經(jīng)驗(yàn)法屬于經(jīng)驗(yàn)試湊法，它不需要事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組控制器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，然后根據(jù)各種控制作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的不同影響來(lái)改變相應(yīng)的控制參數(shù)值。下面就根據(jù)已有硬軟件系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定[16]。先用單純的比例（P）作用，即尋找合適的就值，在本過(guò)程控制中，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的值不宜太大，為不宜超過(guò)2，不然電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)超調(diào)過(guò)大，影響電動(dòng)機(jī)的性能（有可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的死機(jī)）。同時(shí)，讓積分作用和微分作用失效。調(diào)節(jié)值，使速度曲線呈現(xiàn)4:1衰減振蕩過(guò)程。此時(shí)=0.5。然后逐漸加入積分作用（I），先取積分時(shí)間為衰減振蕩周期的一般左右。約為0.3，由于積分作用使其振蕩加劇，并且要達(dá)到穩(wěn)定速度的快速性很差，在加入積分作用之前，先加強(qiáng)比例作用，把增加1.2左右。調(diào)整積分時(shí)間，直到出現(xiàn)4:1的衰減振蕩。必要時(shí)，加入微分（D)作用，從零開(kāi)始，逐漸加大。由于微分作用能抑制振蕩，在加入微分作用之前，需把調(diào)小，約為1.0。通過(guò)微分時(shí)間的的試湊，使過(guò)渡時(shí)間明顯縮短，超調(diào)量減小。最后根據(jù)PID的參數(shù)功能做些微調(diào)，得到如圖5.14所示圖形。圖5.14經(jīng)驗(yàn)法整定效果圖圖5.14經(jīng)驗(yàn)法整定效果圖經(jīng)驗(yàn)控制過(guò)程，是一個(gè)把PID參數(shù)基本功能熟悉的過(guò)程，在把參數(shù)的基本圍圈定好之后，需要耐心的去調(diào)試。在這過(guò)程需要注意幾點(diǎn)：（1）電機(jī)存在電壓死區(qū)，因此，在啟動(dòng)之后，短時(shí)間可能會(huì)出現(xiàn)程序云后起不了作用的情況，這時(shí)需要稍稍調(diào)高電壓，大概在5V左右，刺激下電機(jī)，它才有反應(yīng)。（2）電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，速度變化很大，這跟電機(jī)的性能有關(guān)，而且對(duì)于本系統(tǒng)中的小電機(jī)而言，啟動(dòng)速度更是很難把握。因此，PID控制需要在電機(jī)的速度穩(wěn)定后才開(kāi)始調(diào)節(jié)。5.6.24:1衰減法的在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程按照4.5