CN101499755B - 一种直流电机速度pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机速度PID控制方法，属直流电机控制领域。该控制方法使用的控制系统结构包括：控制器、功率驱动单元、被控对象和速度检测传感器，其中：控制器包括比较器、比例器、积分器和加法器，被控对象包括直流电机和机械负载；该控制系统的控制方法包括：识别被控对象的等效阻尼参数K和等效惯量参数A及调整控制器的比例控制参数K_P和积分控制参数K_I。本发明控制系统在调试时，控制器参数可以有的放矢进行调整，遏制了PID控制器参数调整的盲目性，节省时间和精力，并能取得最佳的速度控制效果。

Description

一种直流电机速度PID控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机速度控制系统，尤其涉及一种直流电机速度PID控制系统的控制方法，属于直流电机控制领域。

背景技术

直流电机速度必须采用闭环控制才能获得优良的速度控制性能，直流电机速度闭环控制系统包括控制器和被控对象。直流电机速度控制系统如何根据不同的被控对象，PID(比例积分微分)控制器参数有的放矢调整，则是现有技术有待解决的问题。目前，公知的现有技术中，PID控制器其比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数都是直接采用试凑法或经验法进行调整，而不是根据被控对象参数进行调整，控制器参数的调整比较盲目，直流电机速度控制系统的调试费时费力，角位移控制性能难以满足要求。

发明内容

本发明为了解决在直流电机速度闭环控制采用PID控制器时，PID控制器参数根据被控制对象参数进行调整的问题而提出一种直流电机速度PID控制方法。

一种直流电机速度PID控制方法，该控制方法所使用的控制系统包括：控制器、功率驱动单元、被控对象和速度检测传感器，其中：控制器包括比较器、比例器、积分器和加法器；被控对象包括直流电机和机械负载；比较器接收速度指令信号，比较器的输出端接比例器和积分器的输入端，比例器和积分器的输出端接加法器的输入端，加法器的输出端接功率驱动单元的输入端，功率驱动单元的输出端接直流电机的输入端，直流电机的输出端接机械负载的输入端，机械负载一路输出速度输出信号，另一路输出信号到速度检测传感器的输入端，速度检测传感器的输出端接比较器的输入端。

上述直流电机速度PID控制系统的控制方法，主要包括如下步骤：

(1)识别被控对象的等效阻尼参数K和等效惯量参数A，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，驱动被控对象运转，由速度检测传感器测量被控对象的速度输出信号，并记录阶跃信号和速度输出信号随时间变化的过程；

b.建立速度输出信号与时间关系的坐标系，读出速度输出信号曲线的稳态幅值C，将阶跃信号的幅值M除以速度输出信号的稳态幅值C，得到被控对象等效阻尼参数K；

c.在速度输出信号曲线的稳态幅值C的0.632倍处读取相应的时间值T；

d.将被控对象的等效阻尼参数K乘以时间值T，得到被控对象的等效惯量参数A；

其中：阶跃信号是控制器中的加法器的输出信号；

(2)调整控制器的比例控制参数K_P和积分控制参数K_I，包括如下步骤：

a.根据所选设备确定所选功率驱动单元能够输出的最大功率P_max；

b.根据实际需要设定在线性范围内最大速度值n_ml；

c.调整控制器的比例控制参数 $K_P=\frac{P_{\max }}{n_{\mathrm{ml}}};$

d.调整控制器的积分控制参数 $K_I=\frac{{(K_P+K)}^2}{4\×A}.$

本发明是一种直流电机速度PID控制系统的控制方法，系统在调试时，PID控制器参数是根据被控制对象参数进行调整的，PID控制器参数可以有的放矢进行调整，做到心中有数，遏制了PID控制器参数调整的盲目性，节省了时间和精力，并能取得最佳的速度控制效果。

附图说明

图1是本发明直流电机速度PID控制系统结构方框图。

图2是本发明速度输出信号坐标图。

具体实施方式

如图1所示，一种直流电机速度PID控制系统，该系统包括：控制器110、功率驱动单元120、被控对象130和速度检测传感器140，其中：控制器110包括比较器111、比例器112、积分器113和加法器114；被控对象130包括直流电机131和机械负载132；比较器111接收速度指令信号，比较器111的输出端接比例器112和积分器113的输入端，比例器112和积分器113的输出端接加法器114的输入端，加法器114的输出端接功率驱动单元120的输入端，功率驱动单元120的输出端接直流电机131的输入端，直流电机131的输出端接机械负载132的输入端，机械负载132一路输出速度输出信号，另一路输出信号到速度检测传感器140的输入端，速度检测传感器140的输出端接比较器111的输入端。

结合图1和图2叙述该直流电机速度PID控制系统的控制方法，主要包括如下步骤：

(1)识别被控对象的等效阻尼参数K和等效惯量参数A，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120，驱动被控对象130运转，由速度检测传感器140测量被控对象130的速度输出信号，并记录阶跃信号和速度输出信号随时间变化的过程；

b.建立速度输出信号与时间关系的坐标系，读出速度输出信号曲线的稳态幅值C，将阶跃信号的幅值M除以速度输出信号的稳态幅值C，得到被控对象等效阻尼参数K；

c.在速度输出信号曲线的稳态幅值C的0.632倍处读取相应的时间值T；

d.将被控对象的等效阻尼参数K乘以时间值T，得到被控对象的等效惯量参数A；

其中：阶跃信号是控制器110中的加法器114的输出信号；

(2)调整控制器的比例控制参数K_P和积分控制参数K_I，包括如下步骤：

a.根据所选设备确定所选功率驱动单元120能够输出的最大功率P_max；

b.根据实际需要设定在线性范围内最大速度值n_ml；

c.调整控制器的比例控制参数 $K_P=\frac{P_{\max }}{n_{\mathrm{ml}}};$

d.调整控制器的积分控制参数 $K_I=\frac{{(K_P+K)}^2}{4\×A}.$

系统的工作流程为：比较器111将输入速度指令信号和从速度检测传感器140送来的速度反馈信号进行比较，产生速度误差信号；比例器112对速度误差信号乘以比例控制参数；积分器113对速度误差信号进行积分并乘以积分控制参数；加法器114对比例器112和积分器113输出信号相加产生阶跃信号送到功率驱动单元120；功率驱动单元120根据控制器110输出的控制信号，对直流电机131适时提供适当的能量，驱动被控对象130以一定的速度运行；被控对象130控制系统所要控制的对象并输出速度输出信号和速度检测传感器140的接收信号；速度检测单元140检测被控对象130的运行速度，作为速度反馈信号发送到比较器111。

Claims (1)

1.一种直流电机速度PID控制方法，其特征在于：该控制方法所使用的控制系统包括控制器(110)、功率驱动单元(120)、被控对象(130)和速度检测传感器(140)，其中：控制器(110)包括比较器(111)、比例器(112)、积分器(113)和加法器(114)；被控对象(130)包括直流电机(131)和机械负载(132)；比较器(111)接收速度指令信号，比较器(111)的输出端接比例器(112)和积分器(113)的输入端，比例器(112)和积分器(113)的输出端接加法器(114)的输入端，加法器(114)的输出端接功率驱动单元(120)的输入端，功率驱动单元(120)的输出端接直流电机(131)的输入端，直流电机(131)的输出端接机械负载(132)的输入端，机械负载(132)一路输出速度输出信号，另一路输出信号到速度检测传感器(140)的输入端，速度检测传感器(140)的输出端接比较器(111)的输入端；

该控制方法包括如下步骤：

(1)识别被控对象的等效阻尼参数K和等效惯量参数A，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(120)，驱动被控对象(130)运转，由速度检测传感器(140)测量被控对象(130)的速度输出信号，并记录阶跃信号和速度输出信号随时间变化的过程；

b.建立速度输出信号与时间关系的坐标系，读出速度输出信号曲线的稳态幅值C，将阶跃信号的幅值M除以速度输出信号的稳态幅值C，得到被控对象等效阻尼参数K；

c.在速度输出信号曲线的稳态幅值C的0.632倍处读取相应的时间值T；

d.将被控对象的等效阻尼参数K乘以时间值T，得到被控对象的等效惯量参数A；

其中：阶跃信号是控制器(110)中的加法器(114)的输出信号；

(2)调整控制器的比例控制参数K_P和积分控制参数K_I，包括如下步骤：

a.根据所选设备确定所选功率驱动单元(120)能够输出的最大功率P_max；

b.根据实际需要设定在线性范围内最大速度值n_ml；

c.调整控制器的比例控制参数

d.调整控制器的积分控制参数

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