单回路电机转速控制系统设计程序.doc

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1、目 录1 实习内容及其要求022 AC6611多功能过程通道卡032.1 功能特点与技术指标032.2 应用方法和步骤043 方案设计05 3.1 MM420变频器的使用方法和步骤05 3.2 电机调速系统的实现方案07 3.3 AC6611和变频器组成的电机调速系统接线图设计07 3.4 控制程序的方案设计和模块划分084 数据采集与输出程序设计09 4.1 AC6611数据采集与转速换算程序09 4.2 数字滤波算法及程序设计09 4.3 控制量与D/A代码换算及输出程序095 控制算法程序设计10 5.1 转速设定曲线的程序实现105.2 增量式PID算法12 5.3 PID算法程序设计

2、135.4 报警功能及滚动字幕的程序实现146 控制程序的调试15 6.1 主要调试内容15 6.2 调试方法15 6.3 调试步骤和结果157 PID参数的整定18 7.1 整定方法18 7.2 整定结果及分析198 技术小结20参考文献21附录：控制程序清单22单回路电机转速控制系统设计报告1、实习内容及其要求实习内容：通过转速的设定值和反馈值，计算其偏差，并使用PID控制算法输出控制信号，整定PID参数，使被控的转速达到设定值。具体实训内容包括AC6611过程卡的接线和测试、数据采集程序设计、PID算法程序设计、控制输出程序设计、人机界面程序设计、PID参数整定、实训报告。实习目的：通过

3、实训，让学生了解计算机控制系统的基本组成，提出计算机控制系统的设计思路，初步学会计算机控制系统软硬件设计及调试的方法，具备技术实现能力；基本上能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法，进一步提高学生的计算机应用水平。 实习要求：完成一个转速单回路控制系统的设计和调试过程。2 AC6611多功能过程通道卡2.1 功能特点与技术指标功能：AC6611是一款廉价通用A/D、D/A板，AD工作在查询方式，采用PCI总线支持即插即用、无需地址跳线。AC6611具有16路单端模拟输入、32路开关量（16路输入及16路输出）、一路12位D/A。AC6611采用大规模可编程门阵列设计。A/D转换指标：A/D

4、转换器: 120KHZ 12位A/D ADS7816； 保持器：A/D芯片内置采样保持器；工作方式：软件查询；通道数：16路单端输入； 输入阻抗：1M, 最大输入耐压电压： +12V / 5.5V；瞬时输入耐压：-25V - +30V；双极性输入范围： 5V；单极性输入幅度：5伏、10伏；连接器：DB25（孔式）。D/A转换指标:通道数：1路分辨率：12位精度：0.2%最大输出电流：5毫安。输出零点误差： 2.5V，低电压 0.5V最大输出电流 ：8mA输入电流：2V，低电压：Text=FloatToStrF(PV,0,5,5);4.2 数字滤波算法及程序设计数字滤波，就是通过一定的计算或判断

5、程序减少干扰信号在有用信号中的比重，因此他实际上是一个程序滤波。在此次设计中，我们所用的是算术平均值滤波法。算术平均值滤波就是连续取N个采样值进行算术平均运算， N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低，N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高，这里我们取N=10，程序如下所示：int i, num=0; for(i=0;iText)/100.0); if( dav4095.0) dav=4095.0; AC6611_DA(hDevice,dav);5 控制算法程序设计5.1 转速设定曲线的程序实现 本系统使用一个曲线图和一个棒图来显示转速变化情况。 转速趋势曲线图的界面如下所示： 图5.1

6、转速趋势曲线图界面转速棒图界面如下所示： 图5.2 转速棒图界面 曲线图的程序如下所示：for(int i=0;iPicture-LoadFromFile(QUSHI.bmp); Image2-Canvas-Pen-Color=clBlue; Image2-Canvas-Pen-Width=1; Image2-Canvas-MoveTo(0,300); for(int i=0;iCanvas-LineTo(i,300-sptrendi); Image2-Canvas-Pen-Color = clRed; Image2-Canvas-MoveTo(0,300); for(int i=0;iCan

7、vas-LineTo(i,300-pvtrendi);棒图的程序如下所示：Image1-Picture-LoadFromFile(bangtu.bmp); Image1- Canvas-Pen-Color = clBlue; Image1- Canvas-Pen-Width = 5; Image1-Canvas-MoveTo(35,294); Image1-Canvas-LineTo(35,294-SP*288/(HS-LS); Image1- Canvas-Pen-Color = clRed; Image1-Canvas-MoveTo(55,294); Image1-Canvas-LineT

8、o(55,294-PV*288/(HS-LS); Image1- Canvas-Pen-Color = clGreen; Image1-Canvas-MoveTo(70,294); Image1-Canvas-LineTo(70,294-Un*288/100.0);5.2 增量式PID算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量ku。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法可以通过（式1）推导出。式1由（式1）可以得到控制器的第k1个采样时刻的输出值为： 式2 将（式1）与（式2）相减并整理，就可以得到增量式

9、PID控制算法公式为：式3其中： 式4由（式3）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定q0、q1、q2，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（式3）求出控制量。 增量式控制算法的优点：(1)增量算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。(2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中、只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。(3)采用

10、增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。 增量式算法控制原理图如图5.3所示： 图5.3 增量式算法控制原理图5.3 PID算法程序设计 在该系统中，用PID算法来进行电动机转速的控制。具体程序如下所示：En=SP-PV; DeltaUn=q0*En+q1*En1+q2*En2; Un=Un1+DeltaUn; if( Un100.0) Un=100.0; if(Un0) Un=0; Un1=Un; En2=En1; En1=En; da=(unsigned short int)(Un*4095.0/100.0); AC6611_DA(hDevice,da); t1+; 5.4 报警功能及滚

11、动字幕的程序实现1、报警功能程序如下所示： DH=PV-SP; if(DHHL|PVBrush-Color=clRed; else if(DH20) Shape1-Brush-Color=clBlue; if(HL-PID_DBPV&PVLL+PID_DB&DHBrush-Color=clGreen; 2、滚动字幕实现程序如下所示： p=p-5; if(p=50) p=400; Label4-Left=p;Label4-Caption=欢迎进入变频器电机调速系统！;6 控制程序的调试6.1 主要调试内容控制程序是系统程序的最重要的部分，其调试内容大致可以分为以下几个部分：1. 首先是转速设定曲

12、线的调试，看是否能根据当时的转速情况显示出相对应的转速趋势曲线和棒图曲线。2. 其次是PID算法程序的调试，调试在给系统设定一个固定转速后观察电机时候能按照所给定的转速进行工作，在未达到设定转速时能否以设定值为准自行调整转速。3. 报警功能的调试，调试在电机转速超过转速上限（1400）时是否报警，在电机转速低于转速下限（100）时是否报警，在转速偏差大于20时是否报警。6.2 调试方法1. 转速设定曲线的调试方法主要就是在运行程序后观察曲线是否是随着转速在变化，变化幅度如何，如发现问题则再进行修改。2. PID算法的调试也要先运行程序，然后在SP处进行定值的设定，观察电机转速的变化。3. 报警

13、功能的调试方法就是要求在PID调试成功之后才能进行。在SP处审定不同的转速看报警功能时候正常。6.3 调试步骤和结果1. 转速设定曲线的调试步骤：1) 打开工程，运行程序。2) 设定一个转速，然后观察曲线和转速之间的关系，即观察曲线是否随着转速的变化而变化，当转速稳定时曲线易稳定。调试结果：我们的设定值是蓝色的线，而实际值是红色的线，在一开始的调试中，任意设定一个转速，当程序开始运行，红线马上就往上升，几乎成一条直线，并没有随转速的变化而变化。我们在检查程序后发现程序并无问题，于是我们再继续检查，终于我们发现自己犯了一个很愚蠢的错误，我们把上限值设置成了10，因为原来我们所设的上下限是电压而不

14、是转速，当我们把程序写好后却忘记改正了。2. PID算法调试步骤：1) 打开工程，运行程序。2) 在SP处设定一个转速，假设是1000，观察电机启动后转速能否从0提升只1000然后稳定在1000左右。3) 当转速稳定在1000左右后，再重新设一个转速，假设是500.，观察电机的转速能否从1000降到500并且稳定在500左右。调试结果：我们所用的PID算法是增量式的，经过调试后大仙我们的PID算法没有什么大什问题，都能够按照所设定的转速对电机进行控制。3. 报警功能调试步骤：1) 打开工程，运行程序。2) 设定一个正常的转速，假设为1000，看转速稳定后报警显示是否为绿色，而且在电机启动过程中

15、当转速小于100时报警显示是否为红色，而当在转速1000左右时观察偏差大于20是报警模块是否显示蓝色。3) 设定一个超过转速上限的转速，假设为1450，观察报警模块是否显示为红色。4) 设定一个小于转速下限的转速，假设为50，观察报警模块是否显示为红色。调试结果： 在开始调试程序时，我们的转速上下限报警均是正常的，可是就是偏差报警不起作用。后来在检查程序时我们发现偏差是由PV-SP所得，可能是正值可能是负值，但是我们只考虑了正值，于是我们加上一句if(DHPV&PVLL+PID_DB&DH20)，再运行程序进行调试后我们发现所有的报警功能都正常了。7 PID参数的整定7.1 整定方法PID参数

16、整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和微分时间Td。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。各种方法的大体过程如下：（1）经验法又叫现场凑试法，即先确定一个调节器的参数值PB和Ti，通过改变给定值对控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变PB或Ti，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的PB和Ti就是最佳值。如果调节器是PID三作用式，那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，

17、可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的参数是准确的。但花时间较多。为缩短整定时间，应注意以下几点：根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td。可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值，或参照表3-4-1所给的参数值，使确定的初始参数尽量接近整定的理想值。这样可大大减少现场凑试的次数。在凑试过程中，若发现被控量变化缓慢，不能尽快达到稳定值，这是由于PB过大或Ti过长引起的，但两者是有区别的：PB过大，曲线漂浮较大，变化不规则，Ti过长，曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢。这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。PB过小，Ti过短

18、，Td太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是PB过小，振荡周期较短；Ti过短，振荡周期较长；Td太长，振荡周期最短。如果在整定过程中出现等幅振荡，并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时，可能是阀门定位器调校不准，调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或控制对象受到等幅波动的干扰等，都会使被控量出现等幅振荡。这时就不能只注意调节器参数的整定，而是要检查与调校其它仪表和环节。（2）衰减曲线法是以4：1衰减作为整定要求的，先切除调节器的积分和微分作用，用凑试法整定纯比例控制作用的比例带PB（比同时凑试二个或三个参数要简单得多），使之符合4：1衰减比例的要求，记下此时的比例带PBs和振荡

19、周期Ts。如果加进积分和微分作用，可按表3-4-2给出经验公式进行计算。若按这种方式整定的参数作适当的调整。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动一次时间为Ts。（3）临界比例带法，用临界比例带法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让控制系统以较大的比例带，在纯比例控制作用下运行，然后逐渐减小PB，每减小一次都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例带PBk(称为临界比例带)和波动周期Tk，然后按表3-4-3给出的经验公式求出调节器的参数值。按该表算出参数值后，要把比例带放

20、在比计算值稍大一点的值上，把Ti和Td放在计算值上，进行现场观察，如果比例带可以减小，再将PB放在计算值上。这种方法简单，应用比较广泛。但对PBk很小的控制系统不适用。（4）反应曲线法，前三种整定调节器参数的方法，都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。如果知道控制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延和放大系数K，则可按经验公式计算出调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率=0.75的要求在本次系统的设定中我们是使用第一种方法。7.2 整定结果及分析经过PID参数的整定以后，我们转速的曲线趋势图中的时机转速曲线响应时间比较合适，基本没有超调量，而且在稳定后于设定转速之间的偏差很较

21、小，一般在1-4的范围之内。我们整定的时候是按照先P，其次I最后D的顺序进行整定。在整定时，如果发现转速变化比较缓慢，那么应该调节P、I，如果发现正当不是很明显那么应该调节I、D，总的来说要根据当时的情况综合的进行调节。8 技术小结在此次单回路电机转速控制系统的设计过程当中，出了用到计算机控制的内容之外还用到了西门子变频器和使用Borland C+Builder 6.0来进行程序的编写。但是我们都没有学过西门子变频器的使用方法和Borland C+Builder 6.0软件的编程方法，所以在开始进行设计的时候比较困难，对Borland C+Builder 6.0软件的使用相当不熟悉，很多模块不

22、知道在哪里添加。于是在下课后去图书馆查找相关资料，发现对我们的帮助不是很大，在得知大二的同学有Borland C+Builder 6.0的教材之后我马上去借了一本，一遍学习，一边应用，慢慢的对Borland C+Builder 6.0软件一些常用的功能特别是此次设计所用到的功能就比较熟练了。再第一次进行电机的调试过程中，发现我们的电机无法启动，我们知道是变频器没有调好，可是却不会调。后来请教胡老师，胡老师一边教我们调变频器一边教育我们要学会自己主动去学习，明明工作手册上有很详细的讲解为什么我们不看呢？在胡老师调好之后我们就可以正常的进行调试了，后来我们看了变频器的使用手册，发现它上面确实讲得很

23、详细，每一个代码是什么指令时很么意思都讲得很清楚，看完以后我们都觉得有点惭愧。在学计算机控制的时候我根本没有明白到底PID算法有什么用，只是勉强能记住那几个公式。在做了这次设计够我才真正的知道什么是ID算法，PID算法在工业中的应用。总的来说，此次设计比较好的道道了设计要求，在原来知识的基础上进一步加深了计算机控制课程知识的理解，还学习到了很多新的知识和技能。很感谢学校、学院给我们提供这次设计的机会，更感谢这两周来老师对我们尽心、细心的教诲。参考文献1胡文金 汤毅 计算机测控系统实验指导书2于海生 计算机控制技术 机械工业出版社3陆卫忠 C+ Builder6 科学出版社 4熊静琪 计算机控制

24、技术 电子工业出版社5西门子MM420变频器使用手册附录：控制程序清单#include #pragma hdrstop#include xxhcpp.h#pragma package(smart_init)#pragma resource *.dfmTForm1 *Form1;unsigned char flag=0;float SP=500.0,PV=0.0;int pvtrend480;int sptrend480;int mvtrend480;int t1;float HS=1470.0,LS=0.0,HL=1400,LL=100,DH=20;float PID_DB=2,P=2450,

25、I=2,D=5,KD=0.3;float Un=0.0,DeltaUn=0.0,Un1=0.0,En=0.0,En1=0.0,En2=0.0;float q0,q1,q2;float TS=1;int p=100;/-_fastcall TForm1:TForm1(TComponent* Owner) : TForm(Owner) hDLL=LoadLibrary(ac6611.dll); if(hDLL!=NULL)Label1-Caption = AC6611.dll load ok!; (FARPROC &)AC6611_CreateDevice=GetProcAddress(hDLL,

26、AC6611_CreateDevice); /创建驱动句柄 (FARPROC &)AC6611_CloseDevice=GetProcAddress(hDLL,AC6611_CloseDevice); /关闭驱动句柄 (FARPROC &)AC6611_DI=GetProcAddress(hDLL,AC6611_DI); /数字量输入，port=0-1两个通道，8位数据由DiData返回 (FARPROC &)AC6611_DO=GetProcAddress(hDLL,AC6611_DO); /数字量输出，port=0-1两个通道，8位数据由DoData输出 (FARPROC &)AC6611

27、_DiBit=GetProcAddress(hDLL,AC6611_DiBit); /数字量输入，port=0-1两个通道，指定位输入 (FARPROC &)AC6611_DoBit=GetProcAddress(hDLL,AC6611_DoBit); /数字量输出，port=0-1两个通道，指定位输出 (FARPROC &)AC6611_DA=GetProcAddress(hDLL,AC6611_DA); /DA输出，0-4095 (FARPROC &)AC6611_VoltageToDA=GetProcAddress(hDLL,AC6611_VoltageToDA); (FARPROC &

28、)AC6611_AD=GetProcAddress(hDLL,AC6611_AD); /通用AD采样 (FARPROC &)AC6611_AD_CHN=GetProcAddress(hDLL,AC6611_AD_CHN); /设置AD通道0-15 (FARPROC &)AC6611_ADS=GetProcAddress(hDLL,AC6611_ADS); /直接AD采样，为单通道AD采样设计 (FARPROC &)AC6611_ADToVoltage=GetProcAddress(hDLL,AC6611_ADToVoltage); hDevice=AC6611_CreateDevice(0,

29、&ErrorOf6611); /创建驱动，选择第0块卡 if(hDevice != -1) Label2-Caption = AC6611 Card Is Exist!; else Label2-Caption = AC6611 Card Is not Exist!; /-void _fastcall TForm1:Timer1Timer(TObject *Sender) unsigned long ad_data; unsigned long da; int i, num=0; for(i=0;i100.0) Un=100.0; if(Un0) Un=0; Un1=Un; En2=En1;

30、En1=En; da=(unsigned short int)(Un*4095.0/100.0); AC6611_DA(hDevice,da); t1+; for(int i=0;iPicture-LoadFromFile(bangtu.bmp); Image1- Canvas-Pen-Color = clBlue; Image1- Canvas-Pen-Width = 5; Image1-Canvas-MoveTo(35,294); Image1-Canvas-LineTo(35,294-SP*288/(HS-LS); Image1- Canvas-Pen-Color = clRed; Image