单回路电机转速控制系统的设计和调试3.docx
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单回路电机转速控制系统的设计和调试3
重庆科技学院
学生实习（实训）总结报告
院（系）:
_电子信息工程学院专业班级:
_自普本2007-01_
学生姓名:
_陈安正_____学号:
_2007520016__
实习（实训）地点:
__校内I502_________________
报告题目:
_单回路电机转速控制系统的设计和调试___
报告日期：
2010年07月16日
指导教师评语:
_______________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
_____________
指导教师（签字）:
_____________________
1实习内容及其要求………………………………………………………………3
2AC6611多功能过程通道卡……………………………………………………5
2.1功能特点与技术指标………………………………………………………5
2.2应用方法和步骤……………………………………………………………6
3方案设计…………………………………………………………………………12
3.1MM420变频器的使用方法和步骤…………………………………………12
3.2电机调速系统的实现方案…………………………………………………13
3.3AC6611和变频器组成的电机调速系统接线图设计……………………14
3.4控制程序的方案设计和模块划分…………………………………………14
4数据采集与输出程序设计………………………………………………………15
4.1AC6611数据采集与转速换算程序………………………………………15
4.2数字滤波算法及程序设计…………………………………………………15
4.4控制量与D/A代码换算及输出程序……………………………………16
5控制算法程序设计………………………………………………………………17
5.1转速设定曲线的程序实现…………………………………………………17
5.2完全微分PID算法…………………………………………………………17
5.3PID算法程序设计…………………………………………………………17
6控制程序的调试…………………………………………………………………19
6.1主要调试内容………………………………………………………………19
6.2调试步骤和结果……………………………………………………………19
7PID参数的整定…………………………………………………………………20
7.1整定方法……………………………………………………………………20
7.2整定结果及分析……………………………………………………………20
8技术小结…………………………………………………………………………27
参考文献…………………………………………………………………………28
附录：
控制程序清单……………………………………………………………28
１ 实习内容及基本要求
一、实习（实训）报告一般由标题和正文两部分组成
1.标题:
标题可以采取规范化的标题格式，基本格式为，“关于××的实习（实训）报告”。
2.正文:
正文一般分前言,主体,结尾三部分。
（1）前言：
主要描述本次实习（实训）的目的意义、大纲的要求及接受实习（实训）任务等情况。
（2）主体：
实习（实训）报告最主要的部分,详述实习（实训）的基本情况,包括：
项目、内容、安排、组织、做法，以及分析通过实习（实训）经历了哪些环节，接受了哪些实践锻炼，搜集到哪些资料，并从中得出一些具体认识、观点和基本结论。
（3）结尾：
可写出自己的收获、感受、体会和建议，也可就发现的问题提出解决问题的方法、对策；或总结全文的主要观点,进一步深化主题；或提出问题,引发人们的进一步思考；或展望前景,发出鼓舞和号召等。
二、对实习（实训）报告的要求
1.按照大纲要求在规定的时间完成实习（实训）报告，报告内容必须真实,不得抄袭。
学生应结合自己所在工作岗位的工作实际写出本行业及本专业（或课程）有关的实习（实训）报告。
2.校外实习报告字数要求：
不少于800字每周，累计实习3周及以上的不少于2000字。
用A4纸书写或打印（正文使用小四号宋体、行距1.5倍。
其余排版要求以美观整洁为准）。
校内实习（实训）报告字数要求可适当减少，具体要求由院系依据课程特点规定。
3.实习（实训）报告撰写过程中需接受指导教师的指导,学生应在实习（实训）结束之前将成稿交实习（实训）指导教师。
三、实习（实训）考核的主要内容
1.平时表现：
实习（实训）出勤和实习（实训）纪律的遵守情况；实习（实训）现场的表现和实习（实训）笔记的记录情况、笔记的完整性。
2.实习（实训）报告：
实习（实训）报告的完整性和准确性；实习（实训）的收获和体会。
3.答辩：
在生产现场随机口试；实习（实训）结束时抽题口试。
２AC6611多功能过程通道板卡
AC6611是北京双诺测控技术有限公司一款廉价通用A/D、D/A板和I/O卡，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、1路12位D/A和32路开关量（16路输入及16路输出）。
2.1功能特点和技术指标
（1）模拟量输入（A/D）
●A/D转换器:
120KHZ,12位A/D,ADS7816,A/D内置采样保持器。
●工作方式：
软件查询。
●16路单端输入，输入阻抗：
1MΩ
●最大输入耐压电压:
<+12V/－5.5V，瞬时输入耐压：
-25V-+30V
●连接器：
DB25孔式输入连接器。
●A/D最大通过率:
70KHZ,输入通道建立时间<8uS。
●双极性输入范围：
5V，单极性输入范围：
5V、10V。
输入范围跳线器选择，对应输入幅度及精度如下：
输入
系统精度（FSR）
跳字
0－10V
0.1%
1LSB
0－5V
0.1%
1.5LSB
-5V－+5V
0.1%
1LSB
（2）模拟量输出（D/A）
●1路12位DA，分辨率12位，精度：
0.2%，
●电压输出，最大输出电流：
5毫安。
●输出零点误差小于±10毫伏。
●输出范围：
10伏、±10伏，跳线器选择。
●输出建立时间小于：
50微秒。
●输出插座：
DB25（孔）连接器。
（3）开关量输入/输出
●16路开关量输入（2个8位），16路开关量输出（2个8位）
●TTL电平（兼容3伏逻辑）
●开关量输出复位后为输出为低电平“0”。
●输出高电压>2.5V，低电压<0.5V,最大输出电流：
8mA
●输入电流：
<0.1mA输入高电压门限：
〉2V，低电压：
〈0.8V。
●输入耐压：
高电平最大耐压：
8伏，低电平：
-0.4伏。
●连接器：
40脚扁平电缆插座。
（4）其它
●符合PCIV2.1标准，供电：
+5伏、+12伏、-12伏。
●AC6611占用64个I/O选通空间（自动分配）。
●工作温度：
0-70℃，尺寸：
12（W）X9（H）（厘米）
2.2应用方法和步骤
AC6611通过DB25连接器和AC157连接，通过40芯扁缆连接器与AC142或AC145连接，其连接接关系如下图所示（实验人员已经安装和连接好AC6611、AC157和AC142）。
AC6611跳线配置
S1的三针跳线开关选择AC6611的A/D的输入范围，其可选配置如下表所示。
A/D输入范围
0～5V
0～10V
±5V
S1配置
不短接
1-2短接
2-3短接
JP5的三针跳线开关选择AC6611的D/A输出范围，其可选配置如下表所示。
A/D输入范围
±10V
0～10V
JP5配置
1-2短接
2-3短接
AC6611的应用方法
使用AC6611测试程序可以检验AC6611卡件的功能是否正确，AC6611测试程序不需要安装，其名称为“AC6611（静态）.EXE”，找到其存放目录（可以询问实验老师）双击即可运行，其界面如下图所示。
界面分为A/D、D/A和I/O三个测试区域。
（1）AC6611模拟量输入的测试
以下操作在界面的A/D测试区域进行操作,如右图所示。
①选择输入量程
AC6611的输入量程可以是0～5V、0～10V和－5V～＋5V，选择的输入量程应该和板卡设置的量程一致，否则无法获得正确的采集结果。
②选择起始通道通道和结束通道
AC6611共有16个通道，可以选择任何一个或多个通道进行采集，如果只采集一个通道，将起始通道和结束通道设为相同即可。
③给指定的通道施加电压信号，注意不能超过选择的量程和极限电压范围，否则将损坏AC6611板卡。
④按启动按钮，启动数据采集，其显示情况如右图所示。
⑤观察采集结果和实际施加的电压是否相同或接近，如果相同或接近，则说明板卡是好的，否则说明板卡存有故障。
如果板卡是好的，则还可利用测试软件测试其各项指标。
注意：
可以使用AC6611的D/A输出作为电压信号源。
（2）AC6611模拟量输出的测试
以下操作在界面的A/D测试区域进行操作,如下图所示
①选择输入量程
AC6611的模拟量输出量程可以是0～10V或－10V～＋10V，选择的输出量程应该和板卡设置的量程一致，否则无法获得正确的采集结果。
②使用鼠标移动滑块即可改变模拟量输出值，滑块移动后对应的电压值在屏幕上有显示。
③使用万用表测量输出电压，如果和给定的输出电压一致或接近，则说明AC6611的D/A输出是正常的，否则有问题。
④通过测试软件可以测试D/A的各项指标。
注意：
可以将AC6611的A/D当作万用表使用。
（3）AC6611I/O功能的测试
以下操作在界面的I/O测试区域进行操作,如下图所示。
AC6611共有16路开关量输入和16路开关量输出，其中DI7～DI0和DI15～DI8分别为开关量输入的低8路（占1字节）和高8路（占1字节）；其中DO7～DO0和DO15～DO8分别为开关量输出的低8路（占1字节）和高8路（占1字节）。
对于开关量输入，红色方块表示高电平，绿色方块表示低电平；对于开关量输出，划钩（选中）表示输出高电平，反之输出低电平。
采用万用表测量其输出是高电平还是低电平。
注意：
可以将某路开关量输出和开关量输入互连，通过改变某路开关量输出，观察某路开关量输入是否跟随开关量输出变化来测试I/O功能是否正确。
AC6611的应用步骤
AC6611提供有WDM驱动程序，支持Windows98/Windows2000/XP操作系统，提供DLL接口，支持多种语言，并提供大量例程方便用户开发使用（VisualC6.0（win32console、MFC）、VisualBasic6.0、C++Builder5.0、Delphi6.0）。
开发工作主要是通过调用DLL库中的专用函数操作AC6611板卡，从而达到实现AD、DA、DIO等功能。
对于C++一类的语言，可以使用动态调用DLL的方法使用DLL，如VisualC++\C++Builder；对于VisualBasic\Delphi等语言基本省略了加载DLL的过程，定义了函数说明后，可以直接使用DLL中的函数。
基本步骤
对于需要自行加载DLL的程序设计语言，AC6611程序设计的步骤如下：
①加载DLL；
②调用AC6611_CreateDevice（）；
③调用AC6611_AD（）、AC6611_DA（）、AC6611_DI（）、AC6611_DO（）……
④AC6611_CloseDeivce（）。
⑤卸载DLL
对于不需要自行加载DLL的程序设计语言，AC6611程序设计的步骤如下：
①调用AC6611_CreateDevice（）；
②调用AC6611_AD（）、AC6611_DA（）、AC6611_DI（）、AC6611_DO（）……
③AC6611_CloseDeivce（）。
开发流程如下图所示。
３ 设计方案
3.1MM420变频器的使用方法和步骤
（1）频率设定值
标准的设定值：
端子3/4（AIN+/AIN-，0…10V相当于0…50/60Hz）可选的其它设定值。
（2）命令源
电动机起动
标准的设定值：
端子5（DIN1，高电平）
电动机停车
电动机停车有几种方式：
标准的设定值：
♦OFF1（4.3.1）端子5（DIN1，低电平）
♦OFF2（4.3.2）用BOP/AOP上的OFF（停车）按钮控制时，按下OFF按钮（持续2秒钟）
或按两次OFF（停车）按钮即可。
（使用缺省设定值时，没有BOP/AOP，因而不能使用这一方式）
♦OFF3（4.3.3）在缺省设置时不激活
其它可选的设定值：
参看P0700至P0704
电动机反向
标准的设定值：
端子6（DIN2，高电平）
其它可选的设定值：
参看P0700至P0704
（3）停车和制动功能
OFF1这一命令（消除“ON”命令而产生的）使变频器按照选定的斜坡下降速率减速并停止转动。
OFF2这一命令使电动机在惯性作用下滑行，最后停车（脉冲被封锁）。
OFF3命令使电动机快速地减速停车。
在设置了OFF3的情况下，为了起动电动机，二进制输入端必须闭合（高电平）。
如果OFF3为高电平，电动机才能起动并用OFF1或OFF2方式停车。
如果OFF3为低电平，电动机是不能起动的。
OFF3可以同时具有直流制动或复合制动。
（4）直流注入制动
直流注入制动可以与OFF1和OFF3同时使用。
向电动机注入直流电流时，电动机将快速停止，并在制动作用结束之前一直保持电动机轴静止不动。
设定直流注入制动功能。
如果没有数字输入端设定为直流注入制动，而且P1233≠0，那么，直流制动将在每个OFF1命令之后起作用。
（5）复合制动
复合制动可以与OFF1和FF3命令同时使用。
为了进行复合制动，应在交流电流中加入一个直流分量。
（6）控制方式
MICROMASTER420变频器的所有控制方式都是基于V/f控制特性。
下面各种不同的控制关系适用于各种不同的应用对象：
线性V/f控制，P1300=0可用于可变转矩和恒定转矩的负载。
3.2 电机调速系统的实现方案
该电机调速系统使用PID调节器控制变频器的输出频率fX和目标信号XT之间的偏差△X=（XT-XF）。
对PID调节器输出的给定频率信号XG的干与作用为：
△X＞0→XG↑
△X＜0→XG↓
△X＝0→XG＝C
因为PID调节器要求变频器输出的频率信号XG接受到的△X会受比例系数KP的影响，所以当电机以某一转速nX运行，其对应的频率和给定信号分别是fX和XG，有：
△X＝XT－XF＝XG/KP。
在系统的动态过程中，KP增加，使系统的动作灵敏，速度加快。
KP偏大，振荡次数增多，调节时间延长。
当KP太大时，系统会趋于不稳定；KP太小时，又会使系统的动作迟缓。
当系统达到稳态时，加大KP，可以减少稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。
在本计算机控制系统中用比例带P来表示比例控制作用，P=（1/KP）×100% 。
本系统取P=3200。
PID调节器中的积分环节，用于消除系统的稳态误差。
积分作用对频率给定信号的作用为：
XG＝KP△X＋KP/TI∫△Xdt。
只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量已消除误差，因而，只有有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
采用微分环节在PID调节器中发挥的作用，XG＝KP△X＋KPTD（d△X/dt）。
微分只是在被控量刚发生变化时，迅速地根据变化的趋势作出反应，因此，其作用时间通常很短。
微分控制可以改善系统的动态性能，减小超调量、缩短调节时间等，但当TD偏大或偏小时，超调量会较大，调节时间也会较长。
只有TD适中时，才可以得到满意的系统过渡过程。
3.3 AC6611和变频器组成的电机调速系统接线图设计
3.4控制程序的方案设计和模块划分
本系统采用数字PID增量型控制算法△u（k）=q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2），q0=Kp（1+T/TD+TD/T），q1=-Kp（1+2TD/T），q2=KPTD/T。
本系统被设计成采用周期等于控制周期，选择采样周期及时选择控制周期。
根据香农（shannon）采样定理，只要采样频率大于信号变化上限的2倍（即T≤1/2fmax），采样后的信号就可以复原有的模拟信号。
又由于电机的惯性较大，当控制电机转速的频率信号发生变化时电机无法即刻变化到相应的转速，因此本系统的采样周期选择为1000ms。
按照本系统中各部分的功能和相关性将系统分为：
偏差检测模块（A/D采样模块）、PID计算模块、采样／控制显示模块、控制信号输出模块（D/A输出）。
4数据采集与输出程序设计
4.1 AC6611数据采集与转速换算程序
使用AC6611_AD函数将采样到的模拟信号转换成数字信号。
函数功能：
对指定通道chn进行采样，返回AD数值0-4095；
函数原型：
AC6611_AD（HANDLEhDevice,intchn,unsignedlong*AD）；
参数：
hDevice：
驱动句柄；
chn：
AD转换通道号，0-15共16个通道；
AD：
AD转换的数值有此指针返回，范围位0-4095；
返回值：
出错信息，0为成功执行，其他为错误代码（由GetLastError（）函数获得）；
电压转换公式：
AD实际电压=ADData/5.0*4095.0（0-5V）
电压转换公式：
AD实际电压=ADData/10.0*4095.0（0-10V）
电压转换公式：
AD实际电压=（ADData-2048）/5.0*2048.0（±5V）
unsignedlongad_data;
unsignedlongda;
for（inti=0;i<10;i++）
{AC6611_AD（hDevice,4,&ad_data）; //经过A/D转换读入传感器检测到的转速信号
PVT[i]=LS+ad_data*（HS-LS）/2048.0; //将测量值进行标度转换，转换成工程量（转速）
sum+=PVT[i];
}
PV=sum/10;
……
Edit2->Text=FloatToStrF（PV,0,4,4）; //显示测得的转速
4.2数字滤波算法及程序设计
数字滤波的方法有：
算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。
本系统中的干扰信号主要来至于50Hz的工频干扰。
对于类属于周期性干扰的信号，使用算术平均值滤波法就可以有效滤除干扰信号。
程序片段：
for（inti=0;i<10;i++） //连续10次读入A/D采样数据
{AC6611_AD（hDevice,4,&ad_data）;
PVT[i]=LS+ad_data*（HS-LS）/2048.0;
sum+=PVT[i];
}
PV=sum/10; //求出连续采样的10个数据的算术平均值
sum=0; //准备进行下一次计算
4.3控制量与D/A代码换算及输出程序
调用AC6611_DA函数将经过PID算法处理后的数据送给变频器。
函数功能：
将0-4095的数值DA输出；
函数原型：
AC6611_DA（HANDLEhDevice,unsignedlongdata）；
参数：
hDevice：
驱动句柄；
data：
16位数值，范围0-4095；
返回值：
出错信息，0为成功执行，其他为错误代码（由GetLastError（）函数获得）；
电压转换公式：
DAData=实际电压/10.0*4095.0（0-10V）；
电压转换公式：
DAData=（实际电压+10.0）/20.0*4095.0（±10V）；
程序片段：
unsignedlongda;
da=（unsignedshortint）（Un*4095.0/100.0）; //将PID算法的输出结果转换成对应的代码
AC6611_DA（hDevice,da）; //进行D/A转换
5控制算法程序设计
5.1 转速设定曲线的程序实现
程序片段：
for（inti=0;i<479;i++）
｛ ……
sptrend[i]=sptrend[i+1];
sptrend[479]=300*SP/（HS-LS）;
……
｝
Image1->Picture->LoadFromFile（"qushi.bmp"）;
Image1->Canvas->Pen->Width=1;
Image1->Canvas->Pen->Color=clRed;
Image1->Canvas->MoveTo（0,300）;
for（inti=0;i<480;i++）
Image1->Canvas->LineTo（i,300-sptrend[i]）;
5.2完全微分PID算法
完全微分PID算法的微分作用在一个周期内完全释放，这会增大控制系统的超调量，影响控制品质。
完全PID控制算法对具有高频扰动的生产过程，微分作用过于灵敏，容易引起过程振荡，降低调节品质。
尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动机构又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时间内执行机构达不到应有的相应开度，会使输出失真。
在本系统中电机的转速范围在0～1470r/min内，在转速调节时控制器的输出不需要太大，而且系统对调节时间的要求足够长。
因此使用完全PID微分算法已经能够满足控制需求。
5.3PID算法程序设计
本系统使用数字PID增量型控制算法。
使用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。
增量式算法得出的是控制量的增量，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。
程序片段：
……
En=SP-PV;
DeltaUn=q0*En+q1*En1+q2*En2;
Un=Un1+DeltaUn;
if（Un>100.0）
Un=100.0;
if（Un<0）
Un=0;
Un1=Un;
En2=En1;
En1=En;
……
6 控制程序的调试
6.1 主要调试内容
首先对偏差检测模块（A/D采样模块）和控制信号输出模块（D/A输出模块）进行调试。
将AC157端子板的P23端子和CH0（或CH1～CH15中的其它任何
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