摘 要：該文基于Lab windows/CVI強大的圖像設(shè)計與處理功能，設(shè)計了電網(wǎng)波動對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制的影響的仿真系統(tǒng)，并采用擴充臨界比例法進行整定的數(shù)字PID控制來減小這種影響。實踐表明，該系統(tǒng)能有效的仿真電網(wǎng)波動對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制的影響，并對電網(wǎng)參數(shù)的計算提供參考價值。 關(guān)鍵詞：Lab windows/CVI;電網(wǎng)波動;數(shù)字PID;無刷直流電動機;仿真 [b][align=center]Research on Lab windows/CVI-based brushless DC motor speed control system simulation LI Yadong, YANG Guanlu[/align][/b] Abstract The thesis is based on the powerful design and image processing functions of Lab windows / CVI, and devises a simulation system of the power grid fluctuations of the brushless DC motor speed control. Also it expands the use of the critical method of setting the digital PID control to reduce the impact. Practice shows that the system can be an effective simulation that the grid fluctuations influence the speed of the brushless DC motor, and it provides reference value to grid computing. Key words Lab windows/CVI; Fluctuations in power system; Digital PID; brushless DC motor; simulation 0. 引言 　　無刷直流電動機去掉了普通直流電機的機械換向裝置而改用電子換向,這使得它同時具有了直流電動機易于控制和異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點,從而得到了廣泛的應(yīng)用。如何對它的轉(zhuǎn)速進行最佳控制,仍然是目前探索的熱點課題[2]。 　　Lab Windows/CVI是交互式C語言開發(fā)環(huán)境,它以ANSIC為核心,將功能強大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法,函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了C語言的功能,為熟悉C語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等系統(tǒng)提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境[1]。 　　隨著社會進步和技術(shù)發(fā)展, 電網(wǎng)負荷不斷加重，電網(wǎng)污染日益嚴重，關(guān)于電網(wǎng)波動對負載影響的研究越發(fā)顯示它的重要性。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,由于其算法簡單、可靠性高,因而被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中。然而實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性,難以建立精確的數(shù)學模型,應(yīng)用經(jīng)典PID控制器難以達到理想的控制效果,這就需要對經(jīng)典PID控制進行改進,對其進行有效的整定,本文基于Lab Windows/CVI的強大功能，來仿真電網(wǎng)波動對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速的影響，并采用擴充臨界比例法進行整定的數(shù)字PID控制來減小這種影響。 1. 控制系統(tǒng)原理及系統(tǒng)框架 　　1.1 數(shù)字PID控制 　　PID控制是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器稱PID控制器。積分器能消除靜差，提高精度，但使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢、穩(wěn)定性變差。微分器能增加穩(wěn)定性，加快響應(yīng)速度。比例為基本環(huán)節(jié)。三者合用，選擇適當?shù)膮?shù)，可實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)字模型，因此在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。PID控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件、氣動和液壓元件）來實現(xiàn)它的功能。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到計算機控制系統(tǒng)中來，將根據(jù)實驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，此可以根據(jù)實驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。 　　1.1.1 該PID控制器采用傳統(tǒng)的增量式數(shù)字PID控制[3]： 　　（1） 　　式中，K[sub]P[/sub]為比例放大倍數(shù); K[sub]I[/sub]為積分時間常數(shù); K[sub]D[/sub]為微分時間常數(shù)。 　　1.1.2 設(shè)可控硅整流模型采用，采樣周期取10ms即： 　　（in為電網(wǎng)電壓輸入） （2） 　　1.1.3 無刷直流電動機模型的建立[4] 　　一相導(dǎo)通三相三狀態(tài)的無刷直流電動機的方程為: 　　（3） 　　電樞回路電壓平衡方程式：（4） 　　式中： L[sub]α[/sub]為相繞組電感, R[sub]α[/sub]為相繞組電阻, l[sub]v[/sub]為電動勢常數(shù), ω是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度。 　　力矩平衡方程式：（5） 　　式中: T[sub]em[/sub]為電磁轉(zhuǎn)矩, T[sub]1[/sub]為負載轉(zhuǎn)矩, B為阻尼系數(shù), J為轉(zhuǎn)動慣量, k[sub]1[/sub]為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 　　由以上等式可得到無刷直流電機的狀態(tài)空間 　　 （6） 　　1.1.4 軟件整體流程圖大致如圖1： [align=center] 圖1 整體流程圖[/align] 　　1.2 數(shù)字PID的整定法選擇 　　對PID參數(shù)的整定一般采用試湊法、經(jīng)驗數(shù)據(jù)法或者工程整定法。工程整定法主要有擴充臨界比例法，擴充響應(yīng)曲線法，歸一參數(shù)整定法等方法。本系統(tǒng)使用擴充臨界比例法。擴充臨界比例法適用于有自平衡性的被控對象，整定步驟如下： 　?。?）首先，將調(diào)節(jié)器選為純比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)，從小到大改變比例系數(shù)K[sub]P[/sub]，使系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài)（穩(wěn)定邊緣），將這時的比例系數(shù)記為K[sub]γ[/sub]，臨界振蕩的周期記為T[sub]γ[/sub]。K[sub]γ[/sub]與T[sub]γ[/sub]的選取，可應(yīng)用Lab Windows/CVI虛擬儀器編程實現(xiàn)。 　?。?）根據(jù)齊格勒—尼柯爾斯（Ziegle-Nichols）提供的經(jīng)驗公式[5]（圖2所示），就可由這兩個基準參數(shù)得到PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。 [align=center] 圖2 經(jīng)驗公式[/align] 　　編程得到K[sub]γ[/sub]、T[sub]γ[/sub]的軟件流程圖（圖3所示）。 [align=center]　 圖3 PID整定的軟件流程圖[/align] 　　1.3系統(tǒng)框圖 　　整個直流電動機轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)控制框圖如圖4所示，主要部分由數(shù)字PID控制來完成。 [align=center] 圖4 控制框圖[/align] 　　我們知道，直流電機的輸入電壓由電網(wǎng)輸入的交流電和可控硅相控的觸發(fā)角決定。根據(jù)這個原理，當電網(wǎng)波動時，數(shù)字PID的輸出控制可控硅的相控電路，使得直流電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。但根據(jù)這個原理，若交流電壓過低，可能就帶動不了電機到額定轉(zhuǎn)速，故本系統(tǒng)采用PID輸出與整流電壓之和作為電機的輸入，這樣也可以達到控制電機的目的。 2 軟件功能簡介 　　本軟件的主界面如圖5所示，根據(jù)功能可劃分為波形顯示區(qū)、波形處理區(qū)、控制區(qū)。 　?。?）波形顯示區(qū)。由波形顯示屏幕以及轉(zhuǎn)速表組成，可觀察到直流電機的轉(zhuǎn)速變化,從圖中可以看出紅色的轉(zhuǎn)速變化曲線。 　?。?）波形處理區(qū)。利用Lab Windows/CVI的處理功能，對所獲得的輸出波形進行處理。具有縮放、平移、圖形打印以及波形的保存功能;在該區(qū)還可以顯示超調(diào)量與調(diào)整時間兩項重要指標，以此為依據(jù)有利于對實驗結(jié)果進行檢驗。若要連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可點擊該區(qū)的“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”設(shè)置按鈕。 　?。?）控制區(qū)。所有的控制功能以及控制參數(shù)均由控制區(qū)輸入。本系統(tǒng)采用PID控制，K[sub]P[/sub]、K[sub]I[/sub]、K[sub]D[/sub]參數(shù)以及預(yù)期轉(zhuǎn)速可由控制區(qū)輸入;啟動電機、停止電機的操作也在控制區(qū)。 [align=center] 圖5 軟件的主界面[/align] 3 本軟件的操作 　　本系統(tǒng)包含三個軟件：測試電網(wǎng)（GRID.exe）、直流電機控制（直流電機控制.exe）與測試數(shù)據(jù)庫（DB.exe）。測試電網(wǎng)模擬從電網(wǎng)輸入市電，測試數(shù)據(jù)庫模擬數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端接收電機的參數(shù)。 　　操作時，按順序打開DB.exe，直流電機控制.exe，GRID.exe。若后兩者顯示“連接服務(wù)器失敗”，可依次改變其界面上的IP地址為DB.exe及直流電機控制.exe所在的電腦的IP，并人工進行連接。所有的控制操作均位于圖5的控制區(qū)?！皢与姍C”將模擬電機在圖示的K[sub]P[/sub]、K[sub]I[/sub]、K[sub]D[/sub]參數(shù)下工作;“停止電機”將使電機停止轉(zhuǎn)動;“電機參數(shù)”可修改電機的參數(shù)，并可將其轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式;“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”可查看網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)并手工進行服務(wù)器的建立與連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;“PID參數(shù)整定”可針對電機模型進行擴充臨界比例法的工程整定，得到較為合適的 K[sub]P[/sub]、K[sub]I[/sub]、K[sub]D[/sub]參數(shù);“關(guān)閉儀器”將關(guān)閉這個軟件。 　　此外，軟件還有部分人性化的操作，如菜單、右擊軟件界面或者圖形顯示區(qū)彈出的彈出窗口、圖形保存、圖形打印以及圖形縮放。 4 結(jié)論 　　綜上所述,虛擬儀器是傳統(tǒng)電子儀器與計算機技術(shù)的有機結(jié)合，它有著傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點。本文采用Lab windows/CVI設(shè)計了無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)仿真，電網(wǎng)參數(shù)的計算都有參考作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)接收電網(wǎng)發(fā)送過來的電壓，經(jīng)數(shù)字PID處理后，將轉(zhuǎn)速、電壓、電流參數(shù)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，這些將被保存在數(shù)據(jù)庫中，并以此為依據(jù)選擇合適的控制參數(shù)。通過調(diào)試，無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制仿真可以正常運行，且擴充臨界比例法可以使PID參數(shù)的整定時間大大優(yōu)化。 　　本文成功實現(xiàn)了CVI編程與數(shù)字PID控制的結(jié)合，并利用CVI編程來仿真電網(wǎng)波動對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速的影響，并找到一種有效的PID參數(shù)整定方法，其結(jié)果對電力系統(tǒng)的仿真與電網(wǎng)參數(shù)的計算均具有參考作用。 參考文獻 　　[1]宋宇峰等編著 Lab Windows/CVI逐步深入與開發(fā)實例[M] 北京:機械工業(yè)出版社,2003 　　[2]張繼祖. 基于DSP和自抗擾控制器的無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制[J].西安理工大學碩士學位論文,2007.3 　　[3]何克忠,李偉. 計算機控制系統(tǒng)[M] 北京:清華大學出版社,1998 　　[4]宋受俊，劉景林. 無刷直流電動機建模及其現(xiàn)代調(diào)速方法的仿真[J].微特電機2004，09：21-24 　　[5]陳傳碩，田麗華. PID控制參數(shù)的整定方法[J].長春郵電學院學報，1994，Vol.12 No.1 作者簡介：李亞東（1982-），男（漢族），河南人，華僑大學信息學院06級研究生，電工理論與新技術(shù)專業(yè)，主要研究感應(yīng)加熱電源和虛擬儀器。