单回路电机转速控制系统设计程序.docx
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单回路电机转速控制系统设计程序
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:
__蒋之杰_____学号:
___2007440828___
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）:
_____________________
目录
1实习内容及其要求………………………………………………………………02
2AC6611多功能过程通道卡……………………………………………………03
2.1功能特点与技术指标………………………………………………………03
2.2应用方法和步骤……………………………………………………………04
3方案设计…………………………………………………………………………05
3.1MM420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
3.3AC6611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…………………………………………08
4数据采集与输出程序设计………………………………………………………09
4.1AC6611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……………………………………09
5控制算法程序设计………………………………………………………………10
5.1转速设定曲线的程序实现…………………………………………………10
5.2增量式PID算法…………………………………………………………12
5.3PID算法程序设计…………………………………………………………13
5.4报警功能及滚动字幕的程序实现…………………………………………14
6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……………………………………………………………15
7PID参数的整定…………………………………………………………………18
7.1整定方法……………………………………………………………………18
7.2整定结果及分析……………………………………………………………19
8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。
2AC6611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转换器:
120KHZ12位A/DADS7816；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：
1MΩ,
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：
<±10mV。
输出范围：
10伏、±10伏，使用跳线器进行选择。
输出建立时间小于：
50微秒；
连接器：
DB25（孔）
开关量输入/输出指标：
输入通道数：
16路（2个8位）
输出通道数：
16路（2个8位）
电平：
TTL电平（兼容3伏逻辑）
连接器：
40脚扁平电缆插座
开关量输出复位后输出：
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：
8V，低电平：
-0.4V。
2.2应用方法和步骤
以Windows2000/XP的安装为例：
1）关闭计算机的电源；
2）将AC6611板卡插入PCI槽中；
3）打开计算机电源，启动Windows2000/XP；
4）Windows2000/XP将会显示找到新硬件，可按找到新硬件向导进行下一步；
5）选择搜索适用与我的设备的驱动程序（推荐），下一步；
6）选择驱动所在目录，进行安装（\ac6611\driver\）；
7）按找到新硬件向导的提示进行下一步；
8）Windows2000/Xp将显示完成添加/删除硬件向导，单击完成即可完成安装过程
注：
安装完毕后将在设备管理器中出现一个其他设备（其他设备是问号不表示设备有问题，只是表示系统不知道AC6611板卡是何种类型设备）
安装结束后打开桌面图标
，打开后弹出下面的窗口（图2.1），在启始通道和停止通道里面选择1通道，在输入选择和输出选择里均选择0~10V的电压。
然后拖动改变输出电压值，检测AC6611是否连接正常。
图2.1界面窗口显示
3方案设计
3.1MM420变频器的使用方法和步骤
MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。
本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。
本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
ICROMASTER420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MICROMASTER420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。
在变频器的操作界面中，“Fn”键用于浏览辅助信息。
变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：
1）直流回路电压（用d表示–单位：
V）
2）输出电流（A）
3）输出频率（Hz）
4）输出电压（用o表示–单位：
V）。
5）由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3，4，
或5），这里将不再显示）。
连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。
在显示任何一个参数（rXXXX或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。
跳转到r0000后，按此键将返回原来的显示点。
“P”键是访问参数，而上下的三角箭头按键则是增加或则减少参数的数值。
本次设计的具体使用步骤如下：
1.按“P”键访问参数，按上三角形键选择所需要修改的参数。
2.找到所需要修改的参数后，按“P”键进入参数数值访问级。
3.按上、下三角形键选择所需要的数值。
4.按“P”键确认并存储参数的数值。
3.2电机调速系统的实现方案
该系统的硬件主要由利用16路单端输入AC6611片板，AC157、西门子MM42变频器和电机来构成，利用BorlandC++Builder6.0软件进行编写。
系统通过计算机发出指令，经AC6611换算后通过AC157传送到变频器，经变频器控制电动机的转速，然后通过AC6611采集到的电动机的实时转速反馈到计算机，计算机进行偏差计算处理后再通过变频器调整电机的转速。
系统的总体框图如图3.1所示：
电动机
变频器
AC157
AC6611
计算机
图3.1系统总体框图
3.3AC6611和变频器组成的电机调速系统接线图设计
AC6611和变频器组成的电机调速系统接线图设计如图3.2所示：
图3.2AC6611和变频器组成的电机调速系统接线图
变频器与电机的接线图如图3.3所示：
图3.3变频器与电机的接线图
3.4控制程序的方案设计和模块划分
单回路电机转速控制系统的程序是通过BorlandC++Builder6.0软件编写的。
该控制程序主要扥为五大模块：
数据的采集与输出模块，控制算法模块，转速曲线显示模块，报警模块和滚动字幕模块。
而其中，数据的采集与输出模块分为：
AC6611数据采集与转速换算模块，数字滤波模块和控制量与D/A代码换算模块。
该模块的主要功能就是采集数据并通过换算把数据传给计算机，同时把计算机的输出信号转换之后传送到变频器，让变频器控制电机的转速。
控制算法模块主要就是PID的控制算法。
该模块是整个程序中的重要模块，其功能主要是用PID的算法处理AC6611采集到的数据。
转速曲线显示模块分为：
转速趋势曲线显示模块和棒图显示模块。
该模块的主要功能就是用曲线把电机转速显示出来，并直观显示控制系统的转速的调整过程。
报警模块主要的功能就是实现转速上下限的报警和转速偏差的报警。
当转速超过转速上限或则低于转速下限时，报警模块显示红色，当转速偏差大于20r/min时，报警模块显示蓝色，当电机运行正常时报警模块显示绿色。
滚动字幕模块就是显示一段文字并且文字能进行滚动显示。
4数据采集与输出程序设计
4.1AC6611数据采集与转速换算程序
AC6611的数据采集程序转速换算如下：
unsignedlongad_data;
AC6611_AD（hDevice,1,&ad_data）;
PV=ad_data*（HS-LS）/2048.0;
Edit2->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：
inti,num=0;
for（i=0;i<10;i++）
{
AC6611_AD（hDevice,1,&ad_data）;
num=num+ad_data;
}
ad_data=num/10;
4.3控制量与D/A代码换算及输出程序
控制量与D/A代码换算及输出程序如下所示：
unsignedshortintdav;
dav=（unsignedshortint）（4095*StrToFloat（Edit3->Text）/100.0）;
if（dav>4095.0）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（inti=0;i<479;i++）
{
pvtrend[i]=pvtrend[i+1];
pvtrend[479]=300*PV/（HS-LS）;
sptrend[i]=sptrend[i+1];
sptrend[479]=300*SP/（HS-LS）;
mvtrend[i]=mvtrend[i+1];
mvtrend[479]=300*Un/100.0;
}
Image2->Picture->LoadFromFile（"QUSHI.bmp"）;
Image2->Canvas->Pen->Color=clBlue;
Image2->Canvas->Pen->Width=1;
Image2->Canvas->MoveTo（0,300）;
for（inti=0;i<480;i++）
Image2->Canvas->LineTo（i,300-sptrend[i]）;
Image2->Canvas->Pen->Color=clRed;
Image2->Canvas->MoveTo（0,300）;
for（inti=0;i<480;i++）
Image2->Canvas->LineTo（i,300-pvtrend[i]）;
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->LineTo（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kuΔ。
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k－1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
5.3PID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（Un>100.0）Un=100.0;
if（Un<0）Un=0;
Un1=Un;
En2=En1;
En1=En;
da=（unsignedshortint）（Un*4095.0/100.0）;
AC6611_DA（hDevice,da）;
t1++;
5.4报警功能及滚动字幕的程序实现
1、报警功能程序如下所示：
DH=PV-SP;
if（DH<0）DH=-DH;
if（PV>HL||PV{
Shape1->Brush->Color=clRed;
}
elseif（DH>20）
{
Shape1->Brush->Color=clBlue;
}
if（HL-PID_DB>PV&&PV>LL+PID_DB&&DH<20）
{
Shape1->Brush->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（DH<0）DH=-DH。
再进行调试时我们发现偏差报警还是没有正常工作，于是我们再检查程序。
经过检查后发现我们偏差报警的程序写错了，应该是转速在上下限之间而且小于转速偏差才是正常情况，可是我们没有把转速偏差写进去，于是我们把语句改为if（HL-PID_DB>PV&&PV>LL+PID_DB&&DH<20），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。
7PID参数的整定
7.1整定方法
PID参数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，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：
①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。
②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。
③PB过小，Ti过短
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