PID控制电机实验报告

2024-12-23

PID控制电机实验报告(精选12篇)

1.PID控制电机实验报告 篇一

北华大学

PLC实习报告

变频器控制电机

姓名:XXX 班级:XXXXX 学号:XXXXXX 院系:电气信息工程学院 指导教师:XXXX

实习日期:XXXX.Xx.xx

目录

一、实习目的和任务……………………………………….…..…1

二、实习的基本要求…………………………….………….…..…2

三、硬软件介绍……………………………………………..……..…3

四、实习步骤……………………………………………..……..…….4

五、系统调试及运行………………………………………………6

六、实习体会…………………………………………………………..8

七、参考文献…………………………………………………………..9

八、教师评语…………………………………………………………..10

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PLC实习报告

一、实习目的和任务

实习名称:PLC变频控制实现电动机正反转及调试

实习内容:通过PLC模拟量模块控制变频器运行。外部电位器由PIW272送入PLC中,当给定值大于2V时,将外部给定值直接通过PQW272送到变频器频率给定端。画出外部接线图,并设计梯形图。

实习目的:

1、掌握西门子MM420变频器的使用。

2、掌握基本逻辑指令格式及应用。

3、进一步了解西门子S7-300PLC的功能和应用方法以及调试方法。

4、了解STEP7的编程环境及其基本操作,掌握STEP7的基本操作步骤。

5、利用PLC构成电动机启动、停止和正、反转控制系统。

二、实习基本要求:

1、闭合开关SB1时,电动机正向运转,转速由PLC模拟量输出来控制,电动机转速可由0到额定值连续变化,断开SB1,电动机停止运行。

2、闭合开关 SB2时,电动机反向运转,变频器数字输入端口“6”为“NO”,电动机转速可由0到额定值连续变化,断开SB2,电动机停止运行。

三、硬软件介绍:

1、西门子S7-300PLC

1)S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好,使其在广泛的工业控制领域中,成为一种既经济又切合实际的解决方案。

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2)产品特性编辑

针对低性能要求的模块化中小控制系统 可配不同档次的CPU 可选择不同类型的扩展模块 可以扩展多达32个模块 模块内集成背板总线

网络连接-多点接口(MPI),-PROFIBUS或-工业以太网 通过编程器PG访问所有的模块 无插槽限制 3)产品特点编辑 循环周期短、处理速度高

指令集功能强大(包含350多条指令),可用于复杂功能 产品设计紧凑,可用于空间有限的场合 模块化结构,设计更加灵活 有不同性能档次的CPU模块可供选用 功能模块和I/O模块可选择

有可在露天恶劣条件下使用的模块类型 4)工作原理编辑

PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块(主程序),它可以调用别的逻辑块,或被中断程序(组织块)中断。

在起动完成后,不断地循环调用OB1,在OB1 中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。

循环程序处理过程可以被某些事件中断。

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在循环程序处理过程中,CPU 并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区,而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区(在CPU的系统存储区)

2、MM420变频器

MM420变频器西门子变频器是由德国西门子公司研发、生产、销售的知名变频器品牌,主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度。并以其稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性、超强的过载能力、创新的BiCo(内部功能互联)功能以及无可比拟的灵活性,在变频器市场占据着重要的地位。

具体简化BOP调节步骤如下:

1.恢复工厂设置:p0010=30 p0970=1 即:调试完毕,恢复原样,此时变频器会显示(p---或者BUSY)请片刻等待。

2.调试时: P0010=1 即:此状态各参数可改变

P0100=0 选择工作地区为0表示kw P0304=380(220)V 电动机额定电压 P0305=1.6(0.9)A 额定电流 p0307=0.25 KW 额定功率 P0310=50 HZ 额定电源频率 P0311=1400 R|min 额定转速 P0700=1 1为基本操作面板 P1000=1 选择频率设置值 P1080=X(自己设定值)电动机最小频率 p1082=50 电动机最大频率 P1120=10 斜率上升时间

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P1121=10 斜率下降时间 P3900=1 结束快速调试 完成调节

3、STEP 7 STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的编程、监控和参数设置,是SIMATIC工业软件的重要组成部分。

STEP 7具有以下功能:硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助,用鼠标打开或选中某一对象,按F1可以得到该对象的相关帮助。

在STEP 7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理,它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。

PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s,PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s~1.5Mbit/s。除了PC适配器,还需要一根标准的RS-232C通信电缆。

四、实习步骤:

1、PLC硬件组件

MM420变频器可以通过数字量输入端口控制电动机的正反转,由模拟输入端控制电动机转速大小。MM420变频器的模拟量输入为0-10V电压,在模拟量输入端接一电位器便可。

通过设置P0701的参数值,使数字输入“5”端口具有正转控制功能;通过设置P0702的参数值,使数字输入“6”端口具有反转控制功能(参数功能

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见《MM420使用大全》);模拟量输入“3”和“4”端口外接实验台模拟量给定输出,通过“3”端口输入大小可调的模拟电压信号,控制电动机转速大小。即由数字量控制电动机的正反转方向,由模拟控制电动机转速大小。

要用PLC通过模拟量控制变频器,就必须有相应的模拟量模块,这里我们要选择相应的西门子的SM的模拟量模块,具体的硬件配置如下所示:

图1.硬件组建

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PLC外部接线图:

SB1I0.0I0.1SB2Q0.0Q0.1PLCQV0MANA563MM42049MV0+MO-24V M12VMPLC变频控制电机正反转

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PLC程序设计

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五、系统调试及运行:

1、电动机正转:闭合开关SB1时,变频器数字输入端口“5”为“ON”,电动机正向运转,转速由外接给定电位器来控制,模拟电压信号从0V~+15V变化(调节时转速不要超过额定转速,以免损坏电动机)。通过调节电位器改变端口“3”模拟输入电压信号的大小,可平滑无极的调节电动机转速的大小。断开SB1,电动机停止运行,通过P1120和P1121参数,可改变斜坡上升时间和斜坡下降时间。

2、电动机反转:闭合开关SB2时,变频器数字输入端口“6”为“ON”,电动机反向运转,转速由外接给定电位器调节,断开SB2,电动机停止运行。该模拟量同样来自模拟量输出模块,利用PLC来控制。

六、实习心得:

为期一周的PLC实习就这样结束了,这一周的实习让我收获了不少。我们实习的项目是PLC变频器控制实现电机正反转及调速。通过这次PLC实习,我了解了S7-300PLC的功能和调试方法,对PLC梯形图、指令表、外部接线图也有了更好的了解。同时,也基本掌握了STEP7的基本操作步骤,并且亲自使用绘图软件绘制了实习内容的外部接线图。

这次PLC实习我们采取的是以小组为单位的学习,我们是一个三人小组。通过这次实习我感受到了团队的力量,知道了团队合作的重要性。在遇到问题

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时我们相互讨论共同解决,在讨论的过程中尽可能的统一思想,共同完成实习任务这次的实训是我们第一次接触编程实践,以前上课的时候虽然老师也是总叫我们去编程和做作业,但是我们都不知道在实际中我们的程序能不能用,所以我们对PLC这门课业就没有发费太大心思。但是这次的实训让我有很大启发。刚开始接触时信心十足,觉得没有什么大不了的,因为觉得以前编写的程序都很简单,也不用太多时间,所以很轻视。后来发现并没有想象的简单,我们开始自己想办法解决遇到的一些问题,有不明白的找学长请教,最后经过努力我们组是全班第一个完成实习要求的小组。

通过这次对PLC控制,让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解,也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际,从中找出最适合的设计方法。

总之,这次的实训给予了我不同的学习方法和体验,让我深切的认识到实践的重要性。在以后的学习过程中,我会更加注重自己的操作能力和应变能力,多与这个社会进行接触,让自己更早适应这个陌生的环境,相信在不久的将来,可以打造一片属于自己的天地。

七、参考文献

[1]《PLC技术使用教程——基于西门子S7-300》 弭洪涛 孙铁军 牛国成 电子工业出版社

[2]《PLC实验指导书》 弭洪涛 杨伟鸿 北华大学内部资料

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八、教师评语

教师评语:

成绩:

教师签字:

2.PID控制电机实验报告 篇二

VHDL(Very-High-Speed Integrated Circult Hardware Description Language)是随着集成电路系统化和高度集成化的发展逐步发展起来的,是一种用于数字系统设计和测试的硬件描述语言。对于小规模的数字集成电路,通常可以用传统的设计输入方式来完成,并进行模拟仿真。单纯原理图输入方式对于大型、复杂的系统来说,由于各种条件和环境的制约,其工作效率比较低,且容易出错。因此对集成电路提出了高集成度、系统化、微尺寸、微功耗的要求,高密度可集成编程逻辑器件和VHDL应运而生。

传统的电子设计技术通常是自底向上的,而现代电子设计领域,由于EDA技术的发展,VHDL自顶向下的设计方法已成为可能。自顶向下的设计方法的有效应用必须基于功能强大的EDA工具,具备集系统描述、行为描述和结构描述功能为一体的VHDL硬件描述语言以及先进的ASIC制造工艺和FPGA/CPLD开发的主要设计手段,自顶向下的设计方法能使系统分解为各个模块的集合之后,可以对设计的每个独立模块指派不同的工作小组。这些小组可以工作在不同地点,甚至分属为不同单位,最后将不同模块即成为最终的系统模型,并对其进行综合测试和评价。自顶向下设计流程包括提出设计说明书、建立VHDL行为模型及VHDL行为仿真等。

2 MAX+PLUSll开发系统

本设计选用美国ALTERA公司自行设计的E-DA工具MAX+PLUSll,它具有运行速度快,界面统一,功能集中等特点。MAX+PLUSll结合各种系列器件的物理结构并提供了各种优化措施,在提高工作速度和资源利用率之间给以平衡;MAX+PLUSl提供了原理图输入、文本输入和波形输入等多种输入手段,并可以任意组合使用。使用MAX+PLUSll软件进行设计包括四个阶段:设计输入、设计处理、设计校验和器件编程,具体流程图如图一所示。

3 PID控制器设计原理

3.1 PID控制工作原理

本文中我们只利用了模拟PID控制器。系统由模拟控制器和受控对象组成。PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的实际偏差:

将偏差的比例(p)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。其控制规律为:

比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用以减小误差;积分环节主要用于消除静差,提高系统误差度,积分作用的强度取决于积分时间常数Ti,Ti越大,积分作用越弱,反之则越强;微分环节不但能反应偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变得太大之前在系统中引入一个有效的早起修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。其原理框图如图二所示:

3.2 系统电路工作原理

在该设计中,控制器是电机转速控制系统的一部分,它对转速进行采样,与额定的转速进行比较,并通过微积分计算得到电机的控制电流,从而实现对电机转速的调整。该PID控制器包括一个完整的算术和逻辑功能的ALU以及一个存储状态变量和有关系数的存储器,控制器端口说明如图三所示。

其中reset端口为复位端口,当reset为高电平时,PID控制器复位;Fisgnin为输入的偏差方向,若转速超过额定转速时为1,否则为0;HostInterrupt为主机请求信号,当此信号为1时,PID控制器开始计算,为0时,停止计算并输出结果;PositionChange为电机向PID控制器发送脉冲信号,每转过一周,PositionChange出现一个脉冲;Irefkout为最终的输出控制电流值。主机向PID控制器发调用请求HostInterrupt之后,PID控制器进行采样并开始计算。当HostInterrupt信号停止时,PID控制器停止采样计算,并将计算结果输出到主机。

3.3 控制器系统工作流程

该系统采用软件技术(MAX+PLUSll开发系统)实现PID控制参数的智能自动化整定,并利用整定后的控制参数控制直线电动机的运行过程,使电动机系统能够获得较高的响应速度、稳定的控制精度和良好的控制效果。具体流程如图四所示:

4 结束语

该设计利用EDA设计方法,实现了电机PID控制器的设计。该控制器采用微处理器能够方便电机转速系统的给定设置、显示以及对PID参数的选择与设定。系统的工作过程:将控制器检测到的实际转速进行A/D转换,送入微处理器中,与给定值进行比较,得出偏差。对此偏差按PID算法进行修正,求得对应的控制量驱动器,调节电机转速,从而实现对转速的控制。由于采用的计数时钟为2MHz,使控制器的波形输出精度为1us,在很大程度上提高了系统的精确度,而且采用EDA方法设计控制器,产品属于LSI范畴,响应速度和可靠性也比较理想。

参考文献

[1]李方明.电子设计自动化技术应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]王道宪,贺名臣.VHDL电路设计技术[M].北京:国防工业出版社,2004.

3.PID控制电机实验报告 篇三

摘 要:为改善因电机参数变化和负载波动等因素引起异步电机矢量控制系统性能变差的问题,研究设计了一种模糊自整定PID控制器。模糊控制器的量化因子、比例因子可以根据输入变量的大小调整,从而自动调整模糊控制规则。并在matlab/simulink上建立系统仿真模型进行了仿真试验验证,给出了试验波形及分析结果。仿真结果说明,该异步电机矢量控制系统动态和稳态性能都得到提高,而且具有很好的鲁棒性。

关键词:模糊自适应控制;矢量控制;PID;异步电机;matlab/simulink

0 引言

PID控制在动态控制过程中有过去、现在和将来的信息,可以通过参数设定将其配置做到最优,是交流电机驱动系统中最基本的控制形式,其应用广泛,PID控制在定常线性系统中能得到很好的控制效果,但是其在处理非线性、大滞后等复杂工业对象以及难以建立数学模型或者模型非常粗糙的工业系统时,难以到达预想的效果[1,2]。智能控制理论不依赖于控制对象数学模型的精确建立,可以很好的解决系统鲁棒性问题。但是大多数智能控制方法原理过于复杂或是附加条件过多,这些不利条件严重影响了它们的工程实用化进程。只有尽可能简单的控制方法才是工程应用中实用的控制方法[3]。通过分析,本文在传统PID基础上加入模糊自整定模块,充分利用传统PID控制控制简单有效的特点,还能实现控制过程PID参数模糊自整定,从而实现了最佳的控制效果,提高了系统的鲁棒性及自适应能力。

1 模糊PID控制系统基本原理

模糊PID控制器由一个常规的PID控制器和一个模糊自调整机构组成。其结构框图如图1所示。该系统一改传统PID控制器的固定参数Kp,Ki,Kd的控制策略,基于常规PID控制器,首先对输入量e和ec进行模糊化处理,再根据预设知识库中的控制规则进行模糊推理,最后对输出清晰化处理,实现对PID各参数的动态自整定, 使PID控制器对被控对象的控制效果达到最佳,使系统具有较强的鲁棒性[4]。

图1 模糊自整定PID控制结构框图

2 模糊PID控制器设计

2.1 PID参数模糊自整定的原则。

3 在异步电机矢量控制系统中的应用及Matlab仿真

3.1 仿真模型的建立和算法实现。在Matlab中Simulink 环境下将模糊逻辑工具箱(fuzzy logic tool box) 与Matlab函数相结合对上面提出的PID模糊控制系统进行了仿真研究,推理方法采用工程上常用的Mamdani方法,利用“极大-极小”合成模糊规则,进行模糊运算[8,9]。根据表1,调节规则可以写成49条模糊条件语句。模糊规则编辑窗口如图3.1。

建立模糊推理规则后,可以通过操作查看规则图示或三维曲面图形(图3.2、3.3)。

ASR速度调节器的传统PID及自适应模糊PID控制模块如图3.4、图3.5所示。

图3.7为本文搭建的带转矩内环,转速、磁链闭环的矢量控制系统仿真模型[8],其中,主电路由直流电源DC、逆变器inverter、电动机AC motor和电动机测量模块组成,其中由电流滞环脉冲发生器模块产生逆变器的驱动信号,转子磁链观测器采用了两相旋转坐标系上的磁链模型,系统仿真模型还包括3s/2r及2r/3s转换模块、速度调节器、转矩调节器和磁链调节器。其中转速控制可切换为两种不同控制方式,即传统PID控制和模糊自整定PID控制。矢量控制调速系统仿真模型如图3.6、图3.7所示:

3.2 仿真结果与分析。分别在空载无扰动、空载加扰动、转速改变三种情况分别对系统传统PID和模糊自整定PID控制器进行了仿真实验,得到下列曲线。

空载无扰动的仿真结果如图3.8.1所示,由图中仿真曲线看出模糊自整定PID控制相比传统PID控制响应速度快、响应时间短,系统稳态性要好。

空载加扰动的仿真结果如图3.8.2所示,由图中仿真曲线看出,当系统负载波动时,模糊自整定PID控制相比传统PID控制响应速度快、超调量小、稳态性能更好。

转速改变的仿真结果如图3.8.3所示,由图中仿真曲线看出,当改变系统转速,对系统进行调速操作时,模糊自整定PID控制相比传统PID响应速度快、稳态性能更好。

4 结语

本文建立的模糊自整定PID控制器将模糊自适应控制应用到传统PID控制中。保留了传统PID控制器简单有效的优点,通过模糊自整定模块实时在线调整控制器的比例、积分、微分因子,克服了其在复杂非线性系统中控制性能差的缺点。仿真实验对模型进行了验证,也表明该新型控制器在响应速度、响应时间和稳定性上较传统PID控制有了很大提升,具有很好的实用价值。

参考文献:

[1]Rohrs CE, et.al.Robustness of Adaptive Control Algorithms in the Presence of Unmodelled Dynamics[C].Proc.21st IEEE Conf.Deci Contr.,Orlando, FL,1982.

[2]李永东.交流电机数字控制系统[M],北京:机械工业出版社,2002:21-35.

[3]杨立永,陈智刚,李正熙,赵仁涛.新型抗饱和PI控制器及其在异步电动机调速系统中的应用[J].电气传动,2009(5).

[4]韩瑞珍.PID控制器参数模糊自整定研究[D].杭州:浙江工业大学,2001.

[5]薛定宇.控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用[M].清华大学出版社,2006(03):372-383.

[6]刘明兰,孙立红,钟绍华,等.基于自调整因子Fuzzy规则的专家控制器[J].武汉:武汉汽车工业大学学报,1997(4):76-79.

[7]李大喜,王莉.模糊自適应PID控制在异步电机矢量控制系统中的应用研究[J].大电机技术,2008(6).

[8]高芳.模糊控制在异步电动机变频调速系统中的应用研究[D].西安科技大学,2012(06).

4.步进电机实验报告 篇四

班级:

xx

姓名:

xx

学号:

xxx

指导老师: :

xx

步进电机调速实验报告

一、实验目得及要求: 1、熟悉步进电机得工作原理 2、熟悉 51 系列单片机得工作原理及调试方法 3、设计基于 51 系列单片机控制得步进电机调速原理图(要求实现电机得速度反馈测量,测量方式:数字测量)4、实现 51 系列单片机对步进电机得速度控制(步进电机由实验中心提供,具体型号 42BYG)由按钮控制步进电机得启动与停止;实现加速、匀速、与减速控制.速度设定由键盘设定,步进电机得反馈速度由 LED 数码管显示。

二、实验原理:

1、一般电动机都就是连续旋转,而步进电动却就是一步一步转动得,故叫步进电动机。步进电机就是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。步进电动机得转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接得控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机得转子就前进一步。由于输入得就是脉冲信号,输出得角位移就是断续得,所以又称为脉冲电动机.随着数字控制系统得发展,步进电动机得应用将逐渐扩大。

进电动机需配置一个专用得电源供电,电源得作用就是让电动机得控制绕组按照特定得顺序通电,即受输入得电脉冲控制而动作,这个专用电源称为驱动电源.步进电动机及其驱动电源就是一个互相联系得整体,步进电动机得运行性能就是由电动机与驱动电源两者配合所形成得综合效果。

2、对驱动电源得基本要求

(1)驱动电源得相数、通电方式与电压、电流都要满足步进电动机得需要;(2)要满足步进电动机得起动频率与运行频率得要求;(3)能最大限度地抑制步进电动机得振荡;(4)工作可靠,抗干扰能力强;(5)成本低、效率高、安装与维护方便。

3、驱动电源得组成 步进电动机得驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器与脉冲放大器(也称功率放大器)三部分组成, 三、实验源程序:

/***************

writer:shopping、w

******************/ #include 〈reg52、h〉 #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code FFW[]= {

0 90x0,80x0,c0x0,40x0,60x0,20x0,30x0,10xﻩ};uchar code REV[]= {

0 10x0,30x0,20x0,60x0,40x0,c0x0,80x0,90xﻩ};sbit K1 = P3^0; sbit K2 = P3^1;sbit K3 = P3^2;void DelayMS(uint ms)

{

uchar i;

while(ms-—)

;)++i;021〈i;0=i(rofﻩ } } void SETP_MOTOR_FFW(uchar n){

uchar i,j;

for(i=0;i〈5*n;i++)

{ﻩ

for(j=0;j<8;j++)

{ﻩ ﻩ

if(K3 == 0)break;

ﻩﻩ P1 = FFW[j];

;)52(SMyaleDﻩﻩ }ﻩﻩ } } void SETP_MOTOR_REV(uchar n){

uchar i,j;

for(i=0;i<5*n;i++)

{)++j;8

;kaerbﻩ)0 == 3K(fiﻩ

P1 = REV[j];

ﻩ DelayMS(25);

ﻩ }

} } void main()

{uchar N = 3;)1(elihwﻩ {if(K1 == 0)

{;efx0 = 0Pﻩ ﻩﻩ SETP_MOTOR_FFW(N);

ﻩ if(K3 == 0)break;

}ﻩﻩ ﻩ else if(K2 == 0)

ﻩ {

P0 = 0xfd;

;)N(VER_ROTOM_PTESﻩ

;kaerb)0 == 3K(fiﻩﻩ }ﻩﻩ ﻩ else

{ﻩﻩ ﻩ

;bfx0 = 0Pﻩﻩ;30x0 = 1Pﻩ

}ﻩ}

四、实验心得:

5.电机与控制模块实训报告 篇五

一、实训的目的:

巩固所学的电机与控制的理论知识,学习常用电器控制元件和PLC的使用方法,训练学生把理论和实际结合起来分析和解决问题的实际操作能力。

二、实训教学的基本要求:

1.熟悉常用的电器元件,包括名称、左右、性能、参数和使用方法; 2.掌握简单电器控制系统的实际、界限安装、运行调试和故障排查; 3.掌握可编程控制器的基应用; 4.巩固、加深已学习的戏论知识;

5.写出实训报告,说清楚实训项目的设计思路,阐述说明其工作原理,汇报实训的结果,总结实训的收获。

三、实训内容:

1.用常用的低压电器元件实现如下的电机控制项目:

1)三相交流异步电动机的长动、点动控制;

电路图如上所示

项目功能:

这个项目的功能是按下SB2开关,电机长时间启动,按下SB3开关,电机只启动一下即停止,即长动与点动。SB1为停止开关,按下电路开路,电机停止。

项目原理:

这个项目的原理是,SB2按下时KM线圈接通,KM常开开关闭合,电路通过SB3常闭开关导通,为长动状态。当SB3按下时电机只在按下时启动,一旦松开开关KM线圈就被开路,电机停止。

2)三相交流异步电动机自动正、反转往复循环控制;

电路图如上所示

项目功能:

这个项目的功能是工作台右移到SQ2位置时往左运动,当左移到SQ1位置时往右运动,如此往复。

项目原理:

电机由KM1和KM2这2组触点控制,SB2启动按钮按下,工作台从SQ1位置右移,当工作台运动到SQ2位置时,SQ2常开触点闭合,常闭触点断开,KM1线圈开路KM2线圈导通,工作台左移。当工作台运动到SQ1位置时,SQ1常闭触点断开KM2线圈开路,KM1线圈导通工作台右移,如此往复。

3)多台三相交流异步电动机顺序启动逆序停止控制;

电路图如上所示

项目功能:

按下SB1按钮,KM1导通触点吸合电机M1启动,时间继电器KT1导通,设定时间过后KT1吸合,KM2导通,电机M2启动。

然后按下SB2,KV线圈导通触点吸合,同时KT2时间继电器线圈导通,KT2设定时间过后,KT2常闭触点断开,KM1和KM2开路,电机M1和M2停止。

4)三相交流异步电动机星形-三角形降压启动控制;

电路图如上所示

项目功能:

这个项目的功能是通过KM1和KM2的顺序启动,实现对电机的星三角电压启动。

项目原理:

SB2按钮闭合以后,与之复式的常开开关会打开,保证了KM2线圈不会得电,而KM1线圈得电,它所控制的常开触点闭合,从而使得KM1线圈通电自锁,并且使KM2不得电,此时就是电机的星形启动状态,KM1的常开触点闭合还能使得KT线圈保持通电,当KT设置的延时时间到达以后,它所控制的常闭触点打开KM1线圈失电,它所控制的常开触点闭合,使得KM2线圈得电,KM2的常开触点吸合对其保持了自锁状态,同时使得KM1线圈得电,KM2线圈还能保持通电,此时,电机就完成了三角形的连接状态。由此,我们得到了星形--三角形启动控制电路。

5)三相交流异步电动机串电阻降压启动控制;

电路图如上所示

项目功能:

通过KM1和KM2的顺序接通已经电阻的分压功能,实现降压启动。项目原理:

按下SB2开关,KM1和KT线圈导通,KM1常开触点闭合,此时电机由有电阻的电压驱动,KT延时时间到了后,KT常开触点闭合KM2线圈导通,KM2常开触点闭合,此时电机由分压后的KM1和为分压的KM2电压同时驱动。

6)三相交流异步电动机按时间原则控制的能耗制动控制;

电路图如上所示

项目功能:

KM1正常启动电机M,KM2用来接地使W端为低电平,从而制动电机使电机迅速停止。

项目原理:

SB1开关按下KM1线圈导通,KM1常开触点自锁,电机启动。

SB2开关按下KM2线圈导通KM2自锁导通,KT线圈也导通,此时W端接地为低电平,使电机制动,制动一定时间后KT常闭端断开KM2断开,整个电路停止工作。

7)典型民用电器电路安装调试;

电路图如上所示

项目功能:

日光灯的启动原理。项目原理:

在图示的电路中,当开关闭合后电源把电压加在启辉器的两极之间,使氖气放电而发出辉光,辉光产生的热量使U型动触片膨胀伸长,跟静触片接通,于是镇流器线圈和灯管中的灯丝就有电流通过。电路接通后,启辉器中的氖气停止放电,U型片冷却收缩(启辉器分压少、辉光放电无法进行,不工作),两个触片分离,电路自动断开。在电路突然断开的瞬间,由于镇流器电流急剧减小,会产生很高的自感电动势,方向与原来的电压方向相同喧个自感电动势与电源电压加在一起,形成一个瞬时高压,加在灯管两端,使灯管中的气体开始放电,于是日光灯成为电流的通路开始发光。日光灯开始发光时,由于交变电流通过镇流器的线圈,线圈中就会产生自感电动势,它总是阻碍电流变化的,这时镇流器起着降压限流的作用,保证日光灯正常工作。

镇流器在启动时产生瞬时高压,在正常工作时起降压限流作用;启辉器中电容器的作用是避免产生电火花。

四、心得体会

6.质量控制实验报告 篇六

院系:机械工程学院工业工程系

小组成员:02613126 樊有赟

02613136 彭芳琪 02612135 杨欣

指导教师:肖锋

地点:机械楼工业工程实验室

日期:20XX.10.22

数据的定量分析

一、 实验目的

1、 利用计算机应用软件绘制质量管理工具图。 2、 应用质量管理理论对绘制的工具图进行分析。

3、 依据质量管理理论和相关国家标准对所检验批进行判断。 4、 提高用计算机软件分析和处理实际数据的能力。 5、 加深对质量管理理论的`认识。

二、 实验设备及仪器

一毛钱硬币若干、游标卡尺、计算机等。

三、 实验步骤

1、 用游标卡尺随机抽样测量36枚一毛钱硬币的直径并记录数据。 2、 建立所测数据的minitab数据集。

3、 利用minitab软件对所测数据绘制直方图和控制图。 4、 根据数据及图表进行分析。

四、 实验数据及分析

1、 测量数据(单位cm)

2、 直方图

3、 控制图

4、 分析

7.PID控制电机实验报告 篇七

小型汽油发电机有励磁和永磁发电机两种形式。励磁发电机需要消耗大量的矽钢片、铜线, 而永磁发电机消耗的矽钢片、铜都非常少, 具有结构简单、效率高的特点, 但制成后难以通过调节磁场控制输出电压, 需对其发出的三相电采用变频器来调节电压[1]。

针对永磁汽油发电机输出的三相电频率为几百赫兹、电压为数百伏, 用户不能直接使用, 需要通过功率变换装置来实现电能输出[2]。本文以三相半控整流技术为基础, 通过数字PID控制器来实现永磁汽油发电机输出电压的稳定, 与以往的模拟集成触发电路相比具有算法灵活, 便于参数调整, 可有效减少响应时间及超调的优点。

1 系统硬件方案

本文设计的可控整流器组成如图1所示。整流器的核心单元控制器接收的有三路同步信号、电压和电流采样信号, 发出的信号有三路触发信号、油门控制信号等。控制器采用Microchip公司的ds PIC30F4012高性能16位单片机作为微处理器, 它的特点是将控制和数字信号处理高速运算相结合。在本设计中对永磁汽油发电机输出三相电的相序识别、频率跟踪、控制角计算和油门控制均由ds PIC30F4012实现。

控制器根据同步信号计算信号周期, 根据电压误差采用数字PID控制器计算触发信号控制角, 产生A、B、C三相的触发信号, 经脉冲放大电路触发三相半控桥。同时根据电压、电流的变化对步进电机进行控制, 通过步进电机实现对汽油发动机油门的控制。

2 整流器设计及PID控制实现

2.1 整流器设计

对永磁汽油发电机输出交流电采用三相半控整流, 每个周期有3个自然换相点, 相位差为120度, 为方便频率跟踪, 采用两相比较法, 三路电压信号产生3路两两比较后的同步信号分别输入控制器的3个管脚。

在永磁汽油发电机与整流器接线时若电源三相进线输入端的接入为A、B、C或B、C、A或C、A、B三种顺序为正相序, 任意相邻两相的相位差均为120°;若接入方式为A、C、B或C、B、A或B、A、C三种顺序为逆相序, 任意相邻两相的相位差均为240°[3]。如图2所示, 通过同步电路将三路电平比较信号送入控制器的电平捕捉I/O口, 通过读取一个周期T的三路电平变化顺序可以判断接入的三相交流电为正相序还是逆相序。若为正相序则完成控制器的初始化程序正常触发, 实现相序的自动识别功能。

控制器根据第一路同步信号上升沿计算同步信号周期T, 判断信号周期是否落在有效频率范围内, 当同步信号周期有效时, 启动触发信号。以测得的信号周期T作为触发的相位调节的基准, 计算移相控制角并产生A相触发信号。控制器对第二、三路同步信号, 以算得的控制角产生B、C相触发信号。

控制器根据电压采样电路测得的反馈直流电压UO与预设参考电压Ur比较后, 通过数字PID控制器计算触发信号控制角ϕ, 使输出电压稳定在设置值。进行下一周期触发时, 重新采样并计算同步信号的周期T, 以此作为新的相位调节基准, 重新计算A、B、C相的控制角ϕ, 从而满足频率变化的输入电压, 实现对永磁汽油发电机输出电压的稳定控制。

PID控制器结构框图如图3所示。

2.2 基于PID控制的触发软件设计

整流器对三相半控桥的触发控制采用增量式PID控制算法, 该算法只需保存前三个时刻的偏差值, 占用控制器存储空间小, 计算误差或精度不足时对系统影响小, 累计误差也比较小[4]。在每次工作时, 可以在原来的基础上进行控制, 减少了系统的响应时间, 同时避免了因干扰等因素造成的控制器输出的大幅度变化, 使系统的可靠性大大提高。

增量型PID控制的公式为:

数字PID控制器主要参数是比例系数KP、积分时间TI和微分时间TD, 式中的T为采样周期, 如何确定控制器参数, 使整个系统具有满意的稳态和动态特性, 是系统设计的关键。针对本控制系统为永磁汽油发电机整流器, 难以准确得到数学模型, 故采用简易工程整定法。它由经典的频率法简化而来的, 适于现场应用。

常用的工程整定法为扩充临界比例度法, 是对模拟调节器中使用的临界比例度法的扩充。Roberts P D在1974年提出一种简化扩充临界比例度整定法, 由于这种方法只需整定一个参数即可, 故称其为归一参数整定法。

令, 式中Tk为纯比例作用下的临界振荡周期。则

这样整个问题简化为只要整定一个参数Kp, 改变Kp, 观察控制效果, 在过冲和响应时间上取得平衡。在本系统中, 通过多次试验比较控制效果, 考虑到Kp过大时系统超调会随之增大, 容易产生振荡, 使系统稳定性变差, 经过多次试验, Kp取8较为合适。当空载时, 可控整流启动电压实际输出波形如图4所示, 最终输出电压为340V。通过同步信号计算输入电压的频率, 设置初始控制角使得初始整流电压较低, 控制电压随控制角变化逐渐增大, 防止启动时电压陡升损坏器件。

2.3 油门控制的软件设计

油门控制的主要目标是使系统在动态工作过程中实现对发动机输出功率有效控制, 同时实现整流电压的稳定输出。油门控制系统的特性是一个滞后系统, 对其的控制是通过步进电机来实现的, 通过控制脉冲个数来控制步进电机角位移量, 从而达到调节油门的目的。

油门控制有两种模式:经济模式和全速模式。经济模式时根据负载的大小来实时调节油门, 负载重的时候加大油门, 负载轻的时候减小油门, 可以达到节油的目的[5]。全速模式时油门固定在一定位置, 不管负载的轻重, 油门固定不变。整流器通过外部开关可以切换两种模式, 工作流程如图5所示。全速模式时, 发动机工作在固定油门开度ϕmax;经济模式时, 在控制油门的同时对触发信号的控制角实时更新, 使得在油门变化时整流电压能平稳输出。

3 试验结果

汽油发电机工作时, 进行突加、突卸负载试验, 由空载逐级加至额定功率, 再将负载由额定功率逐级减至空载。由空载0W加至800W的电压实际输出波形如图6 (a) 所示, 由1000W减至200W的电压实际输出波形如图6 (b) 所示。

4 结论

围绕永磁汽油发电机整流稳压技术, 设计了基于PID控制的相序可识别、频率自适应的数字可控整流器。实验表明本文设计的整流器能稳定输出直流电压, 具有启动时输出电压能迅速达到额定值, 在正常工作时负载切换动态响应迅速的特点。此外在经济模式下, 当负载改变能自动调整油门开度, 使得汽油发动机节油降噪。

参考文献

[1]杨仕.高性能永磁汽油发电机的研制[J].小型内燃机与摩托车, 2008, 37 (5) :19-21.

[2]苏玉刚, 等.数码发电机的整流稳压电源数字触发器设计[J].重庆工学院学报:自然科学, 2009, 23 (5) :75-79.

[3]冯广义, 张光, 李宏.相序自适应全数字智能化晶闸管触发器[J].电力电子技术, 2003, 37 (5) :82-83.

[4]于海生, 等.微型计算机控制计算[M].北京:清华大学出版社, 2004.

8.计算机控制实验报告(推荐) 篇八

班级:

姓名:

学号:

实验二 最少拍控制系统

1.实验结果

图2-1 单位阶跃输入下最少拍有纹波控制系统仿真结构模型

图2-2 单位阶跃输入下最少拍有纹波控制器输出

图2-3单位阶跃输入下最少拍有纹波系统输出

图2-4 单位阶跃输入下最少拍无纹波控制系统仿真结构模型

图2-5单位阶跃输入下最少拍无纹波控制器输出

图2-6 单位阶跃输入下最少拍无纹波系统输出 2.思考与分析

(1)最少拍受什么限制而使调整节拍增加?

答:设计出来的最少拍控制系统,在有限拍后进入稳态,只保证了在最少的几个采样周期后系统的响应在采样点时是稳态误差为零,而不能保证在任意两个采样点之间的稳态误差为零,即最少拍控制系统在采样时间精确的跟踪输入信号。所以最少拍受输入函数阶数的限制而使调整节拍增加,即输入函数的阶数越高,调解时间越长。

(2)无纹波系统对控制器有何要求? 答:最少拍无波纹对控制器有如下约束条件:

1.被控对象G(S)有足够的积分环节。若输入为速度输入函数,被控对象G(s)的稳态输出也应为速度函数,因此就要求G(s)中至少有一个积分环节。若输入为加速度输入函数,则被控对象G(s)的稳态输出也应为加速度函数,要求G(s)中至少有两个积分环节。所以最少拍无纹波控制能够实现的条件是被控对象G(S)有足够的积分环节。2.(z)必须包含G(z)中的圆外圆内全部零点N(z)。

(3)分析不同输入信号对最小拍控制系统的影响。

答:在单位阶跃函数作用下,输出响应经过一个采样周期T,输出与输入完全跟踪,即调整时间为一拍。同理在单位速度作用下经过两个采样周期T,输出与输入完全跟踪,即调整时间为二拍。在单位加速度作用下经过三个采样周期T,输出与输入完全跟踪,即调整时间为三拍。即输入函数的阶数越高,调整时间越长。

实验三 纯滞后控制实验

1.实验结果

图3-1纯滞后控制系统仿真结构模型

图3-2 纯滞后系统控制器输出

图3-3 纯滞后控制系统输出

2.思考与分析

(1)纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调?为什么?

答:纯滞后控制系统对阶跃信号有超调。因为被控对象中的纯滞后部分作用在时间坐标上推移了一个时间

仅将控制,被控对象具有纯滞后特性,时间常数很大,而被控对象的滞后时间会使系统的稳定性降低,动态性能变坏,即会引起超调和持续的振荡,因而纯滞后控制系统对阶跃信号也有一定的超调。(2)纯滞后控制与PID控制有什么本质区别?

9.PID控制电机实验报告 篇九

感应电机(IM)由于具有恒定机械转矩和优良的机械功率特性,体积小、性能好、结构简单、运行可靠、维护方便、输出转矩大,而且无机械式换向器,调速性能比较强,在机床、机器人、航空航天、航海及精密电子设备上获得了广泛的应用。感应电机调速系统快速性、稳定性和鲁棒性的好坏成为决定电机性能优劣的重要指标。传统的IM调速系统通常采用PID控制,而PID控制实质上是一种线性控制,是在获取控制对象模型的基础上,根据某一原则确定参数。但由于感应电机本身存在的非线性问题,如电枢反应的非线性、随负载和工况而变化的转动惯量、负载扰动、电阻变化等,若采用传统PID调节器来控制特别是跟踪时变转速信号时,很难实现无静差控制[1]。模糊控制是一种基于规则的控制,不需要建立对象的数学模型,能够很好地克服系统中参数变化和非线性等不确定因素,具有较强的鲁棒性。但普通模糊控制存在一定的稳态误差,稳态精度低。本文将模糊控制中的模糊推理思想和传统的PID控制结合起来,在感应电机速度控制系统中采用模糊PID控制算法,以感应电机实际转速与给定转速之间的偏差和偏差变化率作为模糊推理机的输入量,对PID的三个参数进行在线整定,从而实现对感应电机的实时、高精度速度控制。

2 感应电机数学模型

感应电动机的5阶动态模型为:

式中,ω为转子角速度;ψrα、ψrβ为转子α、β轴磁链;isα、isβ为定子α、β轴电流;usa、usβ为定子α、β轴电压;Lm为互感;np为转子极对数;J为电机转动惯量;Rs、Ls、Rr、Lr分别为定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感;σ为漏感系数,σ=1-Lm2/(LsLr);TL为负载转矩。

由式(1)-(5)可以明显看出,感应电动机是一种多变量、强耦合的非线性复杂系统。

3 模糊PID控制系统设计

为了实现对感应电机的实时、高精度速度控制,将传统PID和模糊控制相结合,利用模糊推理的策略[3],根据不同的速度偏差及其偏差变化率对PID参数kp、ki、kd进行在线自调整。如图1所示为感应电机模糊PID控制系统结构图。系统首先计算出实际转速n和给定转速nr的偏差e和偏差变化率ec,然后将它们模糊化,模糊化后的E和EC由模糊控制规则推理和解模糊后得到kp、ki和kd。在控制过程中,在线实时修改常规PID控制器的参数,最后由常规PID控制器输出碟阀开度控制量,控制碟阀开度,调节感应电机转速。

感应电机的模糊控制系统结构如图2所示。图中nr为系统的给定转速值(精确量),n为感应电机的实际输出转速(精确量),e和ec分别为系统转速偏差和偏差变化率(精确量),E、EC分别为反映转速偏差、偏差变化率的模糊输入变量;kp、ki和kd为模糊控制器的输出变量。

偏差E、偏差变化率EC分别用7个语言值来描述,它们的模糊子集是E={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},EC={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},kp、ki、kd的模糊子集也定义为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。其中各模糊子集的含义为:Z-零,PS-正小,PM-正中,PB-正大,NB-负大,NM-负中,NS-负小。设定E、EC和kp、ki、kd的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},隶属度函数采用三角形的分布函数。

kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。当kp越大时,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但系统容易产生超调,甚至导致系统不稳定。反之,当kp越小时,系统响应速度减慢,系统的调节精度降低,调节时间变长,从而降低了系统的静态和动态性能[4,5]。kp的模糊控制规则如表1所示。

ki的作用在于消除系统的稳态误差。当ki越大时,系统的稳态误差消除越快,但ki过越大时,在系统响应初期容易产生积分饱和现象,从而使系统产生较大超调。当ki越小时,将使系统静态误差很难消除,因而会影响系统的调节精度。ki的模糊控制规则如表2所示。

kd的作用主要是改善系统的动态性能,偏差在响应过程中提前抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报,降低系统超调,增加系统稳定性。但是当kd过大时,会使系统响应过程提前制动,调节时间延长,并降低系统的抗干扰性能。kd的模糊控制规则如表3所示。

根据感应电机转速控制特点,归纳出的kp、ki和kd模糊控制规则经过模糊推理推导其内在的模糊关系,根据模糊关系和输入变量E、EC的情况进行推理合成得到输出kp、ki和kd的语言变量,然后经过解模糊化操作将其转换为执行机构能够接受的精确转速值。

模糊推理采用CRI的Mandani推理方法中的max-min合成法,即推理时,根据模糊蕴涵关系,选择模糊算子min和max,选择“极大与极小”运算作为合成运算,求出模糊输出值。解模糊采用的方法为常用的重心法,即加权平均法[6]。为实现实时控制,满足系统控制快速性要求,这里采用离线计算形式,即把模糊控制规则离线转换为控制查询表,推理过程简化为查表运算,通过查表很方便地实现模糊控制器的实时控制,提高系统的响应速度。

4 仿真与实验结论分析

为了验证本设计控制方案的有效性,利用Matlab/Simulink对模糊PID控制器进行计算机仿真分析,并与常规PID控制器和单纯模糊控制器进行对比分析。仿真用感应电机的技术参数如下:额定功率Pn=2.2KW,额定转速为1550r/min,额定电压Un=220V,额定电流In=5A,定子电阻Rs=2.55Ω,转子电阻Rr=2.76Ω,定子电感Ls=0.06535H,转子电感Lr=0.08014H,定转子互感Lm=0.06265H,转子极对数np=2,转动惯量J=0.00158kg·m2。图2所示为采用常规PID控制器控制并在t=0.06s时突减负载情况下的电机速度仿真曲线;图3所示为采用模糊控制器控制而且同样在t=0.06S时突减同一负载的电机速度响应曲线;图4所示为采用模糊PID控制器且同样在t=0.06S突减同一负载情况下的电机速度响应曲线。从以上仿真曲线及表4总结的三种控制器性能指标数据可以明显看出:利用模糊PID控制的电机转速响应快、无超调、转速波动小、调节时间短且抗干扰能力强,其性能明显优于常规PID控制和传统模糊控制,具有优良的静态和动态性能。大大提高了感应电机调速系统的鲁棒性。

采用数字信号处理器TMS320LF2407A为主控制器对直流感应电机进行实验,其硬件系统控制结构如图5所示。整流器采用三相全控桥,逆变模块选用6只MG50Q2YS40的IGBT模块;实验时,逆变模块输入直流电压150V。通过实验现场测试,采用模糊PID控制器时电机跟踪给定转速1500r/min时的实测转速曲线如图6所示,其转速响应非常快、转速波动非常小,从而验证本文设计的模糊PID控制器能很好地抑制超调、负载扰动和转速波动等,具有很强的鲁棒性和动态响应能力,取得了较好的控制效果。

5 结束语

本文应用模糊PID控制器实现了感应电机的转速控制,在控制过程中,模糊PID控制器根据系统实际的转速状态,实时调整PID参数。仿真与试验结果分析表明,利用模糊PID控制策略可充分发挥模糊控制和PID控制各自的优点,使得系统在参数变化和负载扰动情况下仍然得到期望性能,系统的静态和动态性能得到明显改善,其特性均优于常规PID控制和模糊控制,有效地弥补了常规PID控制和单纯模糊控制的不足,极大提高了感应电机系统的动、静态性能和鲁棒性,取得了较为满意的控制效果。

参考文献

[1]王家军,王永益.一种新颖的感应电动机控制仿真研究[J.]电气传动,2008(4:)40-42.

[2]乔维德.应用PLC模糊控制实现变频调速恒压供水[J.]工矿自动化,2007,29(3):118-120.

[3]乔维德.遗传模糊神经网络在交流伺服系统中的应用[J.]江苏电器,2007,27(2:)29-31.

[4]乔维德.基于模糊神经网络的交流伺服系统[J.]电气传动自动化,2007(5).

10.PID控制电机实验报告 篇十

目前电机控制系统普遍采用PID控制算法,PID参数由人工整定并固定。由于电机负载、对象特性和环境变化等及非线性因素的影响,控制品质会随之下降,很难获得满意的控制性能。单神经元PID控制器是通过对加权系数的调整,实现自适应控制功能。其结构简单,有较强的鲁棒性,能克服变化对象、随机扰动等不确定因素的影响,从而得到较好的控制效果。

可编程序控制器(PLC)的可靠性高,抗干扰能力强,被广泛应用于工业现场控制。笔者设计了基于罗克韦尔自动化公司可编程序控制器SLC500的直流电机调速系统,应用于油田固井和压裂装置中的直流电机控制,取得了满意的控制效果。

1 直流电机控制系统的控制原理

在电机拖动控制系统中,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,通常以调节电枢供电电压的方式,即以直流电机电枢电压为输入量,以电机转速为输出量。假设励磁电流恒定,忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响,直流电动机的转速及其参量的关系表式为:

式中n为电机转速,U为电枢电压,I为电枢电流,R为电枢回路总电阻,Φ为励磁磁通,Ce为电机结构决定的电动势常数。

在电机调速系统设计中,需要引入被控量转速的负反馈,构成转速闭环控制系统。根据转速给定值与反馈值之间的偏差,采用单神经元PID控制算法,使偏差减小并趋于零,实现对系统转速的控制。

图1为本文采用的直流电机控制系统的硬件框图,其中单神经元PID控制器由PLC主机通过控制算法编程实现。

其中,A/D转换采用高速计数器模块,采集转速传感器输出的频率信号。D/A转换采用模拟量输出模块,输出0-10V的电压值控制直流电机。

2 单神经元PID控制算法

单神经元PID控制器是通过对加权系数的调整实现自适应、自组织功能。权系数的调整按有监督的Hebb学习规则实现,不但结构简单,而且能适应环境变化,有较强的鲁棒性。采用单神经元PID控制器来控制直流电机转速可提高直流电机系统的性能指标。单神经元PID控制系统框图如图2所示。

图中系统输入为给定转速r;实际输出转速信号为y;e=r-y为偏差信号,传统增量式PID控制规律可用差分方程表示为:

式中,KP为比例系数,TI为积分时间,TD为微分时间,TS为采样周期。

单神经元PID控制输出为:

式中,xi(k)(i=1,2,3)为k时刻神经元输入状态;wi(k)为k时刻状态xi(k)所对应的权值;K为神经元的比例系数。

为保证有监督的Hebb学习算法的收敛性,对权值采用了规范化处理,公式为:

式中,

ηI,ηP,ηD分别为积分、比例、微分的学习速率,以便对不同的权系数分别进行调整,取值在0~1之间。

3 基于罗克韦尔PLC的单神经元PID控制器软件设计

本系统硬件结构如图1所示。采用罗克韦尔SLC500对直流电机进行控制,其软件完成的主要任务包括:

1)频率信号的采集;

2)控制算法的实现;

3)D/A转换

其中主要程序为单神经元PID控制器程序,其流程图如下:

4 实验结果及分析

本控制系统在第四石油机械厂罗克韦尔实验室进行了直流电机控制试验。选用罗克韦尔SLC500型可编程序控制器;模拟量输出模块为4路电压输出的1746-NO4V;控制对象为RS 512-6028欧时直流电机,电压24V,功率50W,最大电流2.8A;传感器选用实耐德XS2-D18PA140C转速传感器,最大探测距离8mm,最高频率400Hz;脉冲输入模块是1746-HSCE2多通道高速计数器和编码器模块,可直接与增量型编码器及其它高速输入传感器相连。其中转速控制通过编写的单神经元PID控制器程序实现。

实验中电机转速设定为200r/min,实验结果用rslogix500编程软件自带的趋势图来绘制曲线。对该系统调试时,可观察到采用传统PID控制的阶跃响应曲线如图4所示(参数KP=3,TI=0.1,TD=0.01);采用单神经元PID控制的阶跃响应曲线为图5所示(ηI=0.19,ηP=0.3,ηD=0.3,Κ=0.19):

由以上实验结果来看,将神经网络和PID控制规律相结合,使直流电机速度控制系统响应快、无超调、静差小,系统运行稳定。系统调试时,K越大,则快速性越好。上图单神经元PID控制的阶跃响应的K值比较小,调大K值,上升时间会加快。但K过大,会影响系统的稳定性。

5 结束语

本文设计的基于单神经元PID控制器的PLC直流电机控制系统在罗克韦尔实验室进行了试验,结果表明该系统的控制精度高、响应速度快、运行稳定。因此,本系统已应用到油田固井和压裂控制装置中,并获得较好的控制效果,所以具有一定的推广价值。

摘要:针对传统PID控制器对时变及非线性系统控制能力较差的缺陷,利用神经网络具有自学习、自适应的能力,设计了一种单神经元PID控制器,将其应用于直流电机控制系统中。本文给出了基于罗克韦尔可编程序控制器SLC500的单神经元PID控制器的实现方法。实验结果表明:直流电机控制系统调速性能好,控制精度高。该系统已成功应用于油田固井和压裂控制装置中,并获得较好的控制效果,具有一定的推广价值。

关键词:单神经元PID控制器,直流电机,可编程序控制器,调速

参考文献

[1]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].电子工业出版社,2005.

[2]李士勇.模糊控制,神经控制和智能控制论[M].哈尔滨工业大学出版社,2004.

[3]徐丽娜.神经网络控制[M].电子工业出版社,2003.

[4]邓李.Control Logix系统实用手册[M].机械工业出版社,2008.

[5]高永琪,等.基于单神经元自适应PID控制的共轨压力控制研究[J].武汉理工大学学报,2007,31(5).

11.工厂电气控制设备实验报告 篇十一

一、实验目的:

实现三相电机的连动、点动以及停止功能

二、实验要求:

不可出现短路;接线要求正确;布局整齐

三、实验器材:

空气开关、热继电器、接触器、按钮开关、三相电机

四、实验分析:

(1)、当SB2闭合时,控制电路形成回路,线圈KM作用使得主回路通路电机转动,同时控制电路的开关KM闭合形成自锁功能,实现三相电机的连动功能(2)、当关闭SB2,闭合SB3时,SB(3)断开,控制电路可以导通而不会自锁,主回路导通,当SB3跳开时,控制电路断开,主回路断开,实现三相电机的点动功能(3)、当断开SB1时,控制电路断开,线圈KM不作用,主回路断开,实现三相电机的停止功能

AQFBCNFRKMSB1FRSB2KMSB3SB(3)M

1KM

电路图

五、实验实物展示:

六、实验结果:

电路可实现连动、点动以及停止

七、实验体会:

12.PID控制电机实验报告 篇十二

传统PID控制原理简单、使用方便、适应性强,但PID控制器依赖于被控对象精确的数学模型,对于单输入单输出的线性非时变系统能达到好的控制效果。无刷直流电机(BLDCM)是多变量、非线性、强耦合的系统,传统PID在被控对象参数变化时不能对控制器参数进行最优调整,难以达到很好的控制性能。模糊控制是智能控制中应用最广泛的的方法之一,在无刷直流电机调速系统中,采用模糊PID控制,根据模糊推理规则对PID参数实行在线修正,使控制器适应被控对象参数的任何变化,能达到很好的控制效果,具有强鲁棒性和好的自适应性。

2010-07-03(修改稿)

2 BLDCM的数学模型及传递函数

以两相同时导通星形三相六状态为例, 分析BLDCM的数学模型。考虑理想情况: 三相绕组完全对称,且在定子内表面均匀连续分布;气隙磁场为方波,定子电流、转子磁场分布对称;磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗;忽略电枢反应、齿槽及换向的影响。则三相绕组电压平衡方程式可表示为[1]:

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式中:Ua,Ub,Uc——三相定子电压;ea,eb,ec——三相定子电动势;ia,ib,ic——三相定子电流;La,Lb,Lc——三相定子绕组电感;Lab,Lac,Lba,Lbc,Lca,Lcb——三相定子绕组间的互感;R——定子绕组相电阻;p——微分算子。

由于三相定子对称绕组星形连接,转子的磁阻不随转子位置变化而变化,可假定三相定子绕组的自感系数相同,用L表示;定子绕组间的互感系数也相同,用M表示,则有:

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由于三相对称对流,则有 ia+ib+ic=0,代入式(2)可得:

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通过对电机的数学模型转换和拉氏变换可求出无刷直流电机的转速传递函数:

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式中:L——三相定子自感;R——每相定子绕组电阻;KT——电磁转矩常数;Ke——反电动势常数;KD——转动部分阻尼系数;J——转动惯量。

由式(4)可知转速大小与绕组电压成正比。

3 BLDCM控制系统结构

无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路(逆变器)组成。有位置传感器式三相无刷直流电机控制系统框图如图1所示。

三相无刷直流电动机的闭环驱动控制电路主要包括:控制器主模块、转子位置检测电路、三相桥式逆变电路、启停控制及速度输入电路、过流、欠压保护和故障显示电路。

控制器作为主控芯片其主要功能是实现电机控制的各种控制算法,换向控制逻辑主要依靠位置传感器检测主转子在运动过程中的位置,将转子磁极的位置信号转换成电信号输入控制器,控制器根据位置传感器的输入为电机提供正确的换向时序输出。控制器大多为本身自带PWM输出的单片机,如微芯公司的dsPIC30f系列,ATMEL的ATmega系列。TI公司面向工控领域的C2000系列DSP,为更高要求的电机控制系统设计提供了可能。PWM调速电路主要由PWM输出及桥式逆变器组成,无刷直流电机的转速调节可以采用脉宽调制电路来实现,通过调节控制器输出PWM信号的占空比,来调节电机的定子电枢电压大小,从而改变电机转矩大小。实际运行过程中由于负载变化可能导致电机绕组过流,电流检测可作为控制器中断输入,发生过流时封锁逆变电桥功率开关管,避免损坏电机[2]。

4 模糊PID控制器设计

4.1 模糊PID控制器原理

工程中常用的二维模糊PID控制器以输入误差e和误差变化ec作为输入,其结构如图2所示[3]:

PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系,在运行中通过不断检测e和ec,根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改,以满足不同e和ec时对控制器参数的不同要求,从而使被控对象有良好的动、静态性能。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等各方面考虑,PID控制器三个参数kP、kI、kD的作用如下[4]:

(1)比例系数kP的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。但是kP越大,系统越易产生超调,甚至会使系统不稳定。kP取值过小,则会降低调节精度,使响应速度减慢,从而延长调节时间,使系统静态动态特性变坏。

(2)积分系数kI的作用是消除系统稳态误差。kI越大,系统的稳态误差消除的越快。但kI过大,在响应过程中的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。但若kI过小,则使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。

(3)微分系数kD的作用是改善系统的动态特性,主要在响应过程中抑制偏差任何方向的变化,对偏差进行提前预报。但kD过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,降低系统的抗干扰性能。

4.2 隶属函数的确定

对输入量偏差e和偏差变化率ec以及输出量ΔkP、ΔkI、ΔkD进行模糊化处理,取它们的模糊子集都为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。子集中元素都是模糊语言变量,分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。这里的输出量ΔkP、ΔkI、ΔkD分别是kP、kI、kD的变化量。根据实际情况,将e、ec都量化到{- 3, 3}区域,ΔkP、ΔkI、ΔkD分别量化到(-0.3,0.3),(-0.06,0.06),(-3,3)区域。对输入与输出变量均选用高斯型隶属函数。利用MATLAB中的GUI设计Mamdani型模糊控制器,得出各模糊子集的隶属函数如图3~图5所示[4,5]。

4.3 建立模糊控制规则表

对于无刷直流电机的调速系统,考虑到不同时刻三个参数的作用及相互之间的联系[6],根据实际操作经验进行总结, 建立ΔkP、ΔkI、ΔkD的模糊控制规则如表1所示。

由上述规则控制表,可得出一组有49条Fuzzy条件语句构成的模糊控制规则。每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系Ri,通过49个模糊关系Ri的“并”运算,可得出系统的总模糊关系R。由不同时刻的输入与R做矩阵合成运算可得到三个修正参数ΔkP、ΔkI、ΔkD的模糊输出量,模糊量经过清晰化处理(采用面积中心法),即可得出ΔkP、ΔkI、ΔkD的精确输出值,再根据式(5)可以算出kP、kI、kD的输出值,实现PID参数在线自整定。其中,kP′、kI′、kD′为上一采样时刻的PID三个参数值。

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由模糊推理系统可得出ΔkP、ΔkI、ΔkD的输出控制规则曲面如图6~图8所示。

5 仿真结果

根据系统数学模型,采用样机参数为:额定电压U=36 V,额定转速为1 500 r/min,相电阻R=1 Ω,定子相绕组自感L=0.02 H,互感M=-0.006 mH,转动惯量J=0.005 kg·m2,极对数为2,反电势系数Ke=0.072 V/rad·s-1。在Matlab/Simulink 中利用系统仿真基本模块搭建了模糊自整定PID和常规PID控制器仿真模型,仿真前先将编辑好的模糊推理系统嵌入Fuzzy Logic Conroller模块中。 连接好各模块并修改好各模块参数。模型如图9所示[7]。

系统运行后,可以在虚拟示波器中看到运行结果,图10所示是常规PID 控制和模糊自整定PID 控制下的仿真曲线图。结果表明:模糊PID控制较常规的PID控制,具有更高的控制精度、超调量小、调节时间短和控制效果好的优点。

6 结束语

利用Matlab提供的Fuzzy Logic Toolbox及Simulink工具箱可以快速简单地进行模糊控制系统设计。仿真结果表明:模糊PID控制系统比常规的PID控制系统具有更好的动态性能,能实现控制器参数的在线自整定,可以方便有效地控制无刷直流电机的转速,缩短过渡时间,减小超调,提高控制性能。

摘要:针对传统PID控制依赖被控对象精确的数学模型,应用于无刷直流电机调速难于达到良好的动态响应的缺点,将模糊PID控制器应用于无刷直流电机的控制中,运用模糊控制原理对PID参数进行在线调整。在分析无刷直流电机数学模型和控制方法的基础上,在MATLAB中应用Fuzzy Toolbox和Simulink对无刷直流电机调速系统进行仿真。实验表明,模糊PID控制相对于传统的PID控制具有更好的动态和静态性能,控制精度也大为提高。

关键词:无刷直流电机,模糊控制,PID,仿真

参考文献

[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]谢运祥,欧阳森.电力电子单片机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3]宋胜利.智能控制技术概论[M].北京:国防工业出版社,2008.

[4]谢更柱,王德志.模糊控制与PID结合控制在电石炉上的应用[J].化工自动化及仪表,2004,31(5):82-83.

[5]纪志成,沈艳霞,姜建国.一种新型的无刷直流电机调速系统的模糊PI智能控制[J].电机与控制学报,2003,7(3):248-254.

[6]谢仕宏,姜丽波,刘国栋.模糊自适应PID控制算法在纸机烘缸蒸汽系统中的应用[J].化工自动化及仪表,2007,34(1):33-36.

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