CN101393423A - 直流电机角位移pid控制的参数调节系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种直流电机角位移PID控制的参数调节系统及调节方法，属直流电机控制领域。本发明调节系统包括控制器、功率驱动单元、直流电机及负载、角位移检测传感器，其中控制器由比较器、比例器、积分器和微分器组成。本发明所述调节方法采用角位移传感器检测实际角位移信号，比较器接收所述实际角位移信号和给定的角位移指令信号输出误差信号；比例器接、积分器、微分器收误差信号分别输出比例控制信号、积分控制信号、微分控制信号；功率驱动单元接收各控制信号输出驱动电流；直流电机及负载接收驱动电流带动负载运行。本发明具有良好的静态性能和动态性能。

Description

直流电机角位移PID控制的参数调节系统及调节方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机角位移系统和控制方法，特别涉及一种直流电机角位移PID控制的参数调节系统及调节方法。

背景技术

直流电机角位移控制必须采用闭环控制才能获得优良的角位移控制性能。只有对被控对象进行定性认识才能决定设计什么样的控制器，只有对被控对象参数进行定量识别才能对控制器参数准确调整。目前，公知的现有技术中的控制器，如应用广泛的PID(比例积分微分)控制器，并不是首先确定被控对象参数，而是直接采用试凑法或经验法调整控制器比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数。因此，控制器参数的调整比较盲目，直流电机角位移控制系统的调试费时费力，角位移控制性能难以满足要求，有些甚至根本无法对角位移进行控制。因此，直流电机角位移控制时，如何识别被控对象参数，则是现有技术有待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种直流电机角位移PID控制的参数调节系统及调节方法。

本发明直流电机角位移PID控制的参数调节系统，包括控制器、功率驱动单元、直流电机及负载、角位移检测传感器，其中控制器由比较器、比例器、积分器和微分器组成；比较器的输出端分别与比例器的输入端、积分器的输入端和微分器的输入端连接，比例器的输出端、积分器的输出端和微分器的输出端与功率驱动单元的输入端连接，功率驱动单元的输出端与直流电机及负载的输入端连接，直流电机及负载的输出端与角位移检测传感器的输入端连接，角位移检测传感器的输出端与比较器的输入端连接。

所述的直流电机角位移PID控制的参数调节系统的调节方法，包括下列步骤：

1)采用角位移检测传感器检测直流电机及负载得到实际角位移信号；

2)采用比较器接收所述实际角位移信号和给定的角位移指令信号输出误差信号；

3)采用比例器接收所述误差信号，调节比例器的控制参数 $K_P=\frac{P_{\max }}{{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ml}}},$ P_max为功率驱动单元的最大输出功率，Θ_ml为线性范围内最大角位移值，输出比例控制信号；

4)采用积分器接收所述误差信号，调节积分器的控制参数 $K_I=\frac{K_P}{9\×I}\sqrt{3{\mathrm{IK}}_P},$ I为负载等效惯量参数，输出积分控制信号；

5)采用微分器接收所述误差信号，调节微分器的控制参数 $K_D=\sqrt{3I{K}_P}-D,$ D为负载等效阻尼参数，输出微分控制信号；

6)采用功率驱动单元接收所述比例控制信号、积分控制信号和微分控制信号输出驱动电流；

7)采用直流电机及负载接收所述驱动电流带动负载运行；

其中识别被控制对象的等效阻尼参数D和等效惯量参数I，包括如下步骤：

a.将幅值为M的阶跃信号输入到功率驱动单元，驱动直流电机及负载运转，由角位移检测传感器测量直流电机及负载角位移输出信号，并记录阶跃输入信号和角位移输出信号随时间变化的过程；

b.沿角位移输出信号的直线段作一条直线l相交于时间轴；

c.读出直线l与时间轴相交时的时间值T；

d.测量直线l的斜率K；

e.将阶跃输入信号幅值M除以直线l的斜率K，得到被控制对象等效阻尼参数D；

f.将被控制对象等效阻尼参数D乘以时间值T，得到被控制对象等效惯量参数I。

本发明在直流电机角位移控制设计和调试时不仅可以节省精力和时间，而且可获得良好的静态性能和动态性能。

附图说明

图1：本发明控制系统框图；

图2：本发明输出阶跃信号图；

图3：本发明输出角位移信号图。

具体实施方式

如图1所示。本发明直流电机角位移PID控制的参数调节系统，包括控制器1、功率驱动单元2、直流电机及负载3、角位移检测传感器4，其中控制器1由比较器111、比例器112、积分器113和微分器114组成；比较器111的输出端分别与比例器112的输入端、积分器113的输入端和微分器114的输入端连接，比例器112的输出端、积分器113的输出端和微分器114的输出端与功率驱动单元2的输入端连接，功率驱动单元2的输出端与直流电机及负载3的输入端连接，直流电机及负载3的输出端与角位移检测传感器4的输入端连接，角位移检测传感器4的输出端与比较器111的输入端连接。

结合图1，图2，图3叙述本发明的直流电机角位移PID控制的参数调节系统的调节方法，包括下列步骤：

1)采用角位移检测传感器4检测直流电机及负载3得到实际角位移信号；

2)采用比较器111接收所述实际角位移信号和给定的角位移指令信号输出误差信号；

3)采用比例器112接收所述误差信号，调节比例器112的控制参数 $K_P=\frac{P_{\max }}{{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ml}}}$ ，P_max为功率驱动单元2的最大输出功率，Θ_ml为线性范围内最大角位移值，输出比例控制信号；

4)采用积分器113接收所述误差信号，调节积分器113的控制参数 $K_I=\frac{K_P}{9\×I}\sqrt{3I{K}_P}$ ，I为负载等效惯量参数，输出积分控制信号；

5)采用微分器114接收所述误差信号，调节微分器114的控制参数 $K_D=\sqrt{3I{K}_P}-D$ ，D为负载等效阻尼参数，输出微分控制信号；

6)采用功率驱动单元2接收所述比例控制信号、积分控制信号和微分控制信号输出驱动电流；

7)采用直流电机及负载3接收所述驱动电流带动负载运行；

其中识别被控制对象的等效阻尼参数D和等效惯量参数I，包括如下步骤：

识别被控制对象的等效阻尼参数D和等效惯量参数I，包括如下步骤：

a.将幅值为M的阶跃信号输入到功率驱动单元2，驱动直流电机及负载3运转，由角位移检测传感器4测量直流电机及负载3角位移输出信号，并记录阶跃输入信号和角位移输出信号随时间变化的过程；

b.沿角位移输出信号的直线段作一条直线l相交于时间轴；

c.读出直线l与时间轴相交时的时间值T；

d.测量直线l的斜率K；

e.将阶跃输入信号幅值M除以直线l的斜率K，得到被控制对象等效阻尼参数D；

f.将被控制对象等效阻尼参数D乘以时间值T，得到被控制对象等效惯量参数I。

系统工作流程为：比较器111将输入角位移指令信号和从角位移检测传感器4送来的角位移反馈信号进行比较，产生角位移误差信号；比例器112把角位移误差信号乘以比例控制参数；积分器113对角位移误差信号进行积分并乘以积分控制参数；微分器114对角位移误差信号进行微分并乘以微分控制参数；加法器115将比例器112、积分器113和微分器114输出信号相加送到功率驱动单元2；功率驱动单元2根据控制器1输出的控制信号，对直流电机及负载3适时提供适当的能量，使直流电机及负载3按照角位移指令信号达到所要求的角位移；直流电机及负载3控制系统所要控制的对象并输出角位移输出信号和角位移检测传感器4的接收信号；角位移检测传感器4检测直流电机及负载3的运行角位移，作为角位移反馈信号发送到比较器111。

Claims (2)

1.一种直流电机角位移PID控制的参数调节系统，其特征在于该调节系统包括控制器(1)、功率驱动单元(2)、直流电机及负载(3)、角位移检测传感器(4)，其中控制器(1)由比较器(111)、比例器(112)、积分器(113)和微分器(114)组成；比较器(111)的输出端分别与比例器(112)的输入端、积分器(113)的输入端和微分器(114)的输入端连接，比例器(112)的输出端、积分器(113)的输出端和微分器(114)的输出端分别与功率驱动单元(2)的输入端连接，功率驱动单元(2)的输出端与直流电机及负载(3)的输入端连接，直流电机及负载(3)的输出端与角位移检测传感器(4)的输入端连接，角位移检测传感器(4)的输出端与比较器(111)的输入端连接。

2.一种基于权利要求1所述的直流电机角位移PID控制的参数调节系统的调节方法，其特征在于包括下列步骤：

1)采用角位移检测传感器(4)检测直流电机及负载(3)得到实际角位移信号；

2)采用比较器(111)接收所述实际角位移信号和给定的角位移指令信号输出误差信号；

3)采用比例器(112)接收所述误差信号，调节比例器(112)的控制参数 $K_P=\frac{P_{\max }}{{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ml}}},$ P_max为功率驱动单元(2)的最大输出功率，Θ_ml为线性范围内最大角位移值，输出比例控制信号；

4)采用积分器(113)接收所述误差信号，调节积分器(113)的控制参数 $K_I=\frac{K_P}{9\×I}\sqrt{3I{K}_P},$ I为负载等效惯量参数，输出积分控制信号；

5)采用微分器(114)接收所述误差信号，调节微分器(114)的控制参数 $K_D=\sqrt{3I{K}_P}-D,$ D为负载等效阻尼参数，输出微分控制信号；

6)采用功率驱动单元(2)接收所述比例控制信号、积分控制信号和微分控制信号输出驱动电流；

7)采用直流电机及负载(3)接收所述驱动电流带动负载运行；

其中识别被控制对象的等效阻尼参数D和等效惯量参数I，包括如下步骤：

a.将幅值为M的阶跃信号输入到功率驱动单元(2)，驱动直流电机及负载(3)运转，由角位移检测传感器(4)测量直流电机及负载(3)角位移输出信号，并记录阶跃输入信号和角位移输出信号随时间变化的过程；

b.沿角位移输出信号的直线段作一条直线l相交于时间轴；

c.读出直线l与时间轴相交时的时间值T；

d.测量直线l的斜率K；

e.将阶跃输入信号幅值M除以直线l的斜率K，得到被控制对象等效阻尼参数D；

f.将被控制对象等效阻尼参数D乘以时间值T，得到被控制对象等效惯量参数I。

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