CN101393424A - 一种直流电机角位移pid控制***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机角位移PID控制***及其控制方法，属直流电机控制领域。其结构包括：控制器、功率驱动单元、被控制对象和角位移检测传感器，其中：控制器包括比较器、比例器、积分器、微分器和加法器，被控制对象包括直流电机和机械负载；该控制***的控制方法包括：识别被控制对象的等效阻尼参数D和等效惯量参数I及调整控制器的比例控制参数K_P、积分控制参数K_I和微分控制参数K_D。本发明控制***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，并能取得最佳的角位移控制效果。

Description

一种直流电机角位移PID控制***及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机角位移控制***，尤其涉及一种直流电机角位移PID控制***及其控制方法，属于直流电机控制领域。

背景技术

直流电机角位移必须采用闭环控制才能获得优良的角位移控制性能，直流电机角位移闭环控制***包括控制器和被控对象。直流电机角位移控制***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，直流电机角位移控制***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角位移闭环控制采用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角位移PID控制***及其控制方法。

一种直流电机角位移PID控制***，该***包括：控制器、功率驱动单元、被控制对象和角位移检测传感器，其中：控制器包括比较器、比例器、积分器、微分器和加法器；被控制对象包括直流电机和机械负载；比较器接收角位移指令信号，比较器的输出端分别接比例器、积分器和微分器的输入端，比例器、积分器和微分器的输出端均接加法器的输入端，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，机械负载一路输出角位移输出信号，另一路输出信号到角位移检测传感器的输入端，角位移检测传感器的输出端接比较器的输入端。

一种基于上述直流电机角位移PID控制***的控制方法，主要包括如下步骤：

(1)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，驱动被控制对象运转，由角位移检测传感器测量被控对象角位移输出信号，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.建立角位移信号与时间关系的坐标系，沿角位移输出信号曲线的直线部分作一条直线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；

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、积分控制参数K_I和微分控制参数K_D，主要包括如下步骤：

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角位移值Θ_ml；

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

d.调整控制器的积分控制参数 $K_I=\frac{K_P}{9\×I}\sqrt{3{\mathrm{IK}}_P};$

e.调整控制器的微分控制参数 $K_D=\sqrt{3I{K}_P}-D.$

本发明是一种直流电机角位移PID控制***及其控制方法，***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，并能取得最佳的角位移控制效果。

附图说明

图1是本发明直流电机角位移PID控制***结构方框图。

图2是本发明角位移输出信号坐标图。

具体实施方式

如图1所示，一种直流电机角位移PID控制***，该***包括：控制器110、功率驱动单元120、被控制对象130和角位移检测传感器140，其中：控制器110包括比较器111、比例器112、积分器113、微分器114和加法器115；被控制对象130包括直流电机131和机械负载132；比较器111接收角位移指令信号，比较器111的输出端分别接比例器112、积分器113和微分器114的输入端，比例器112、积分器113和微分器114的输出端均接加法器115的输入端，加法器115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132一路输出角位移输出信号，另一路输出信号到角位移检测传感器140的输入端，角位移检测传感器140的输出端接比较器111的输入端。

结合图1和图2叙述该直流电机角位移PID控制***的控制方法，主要包括如下步骤：

(1)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120，驱动被控制对象130运转，由角位移检测传感器140测量被控对象130角位移输出信号，并记录阶跃信号和角位移输出信号随时间变化的过程；

b.建立角位移信号与时间关系的坐标系，沿角位移输出信号曲线的直线部分作一条直线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；

其中：阶跃信号是控制器110中的加法器115的输出信号；

(2)调整控制器的比例控制参数K_P、积分控制参数K_I和微分控制参数K_D，主要包括如下步骤：

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角位移值Θ_ml；

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

d.调整控制器的积分控制参数 $K_I=\frac{K_P}{9\×I}\sqrt{3{\mathrm{IK}}_P};$

e.调整控制器的微分控制参数 $K_D=\sqrt{3I{K}_P}-D.$

***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140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，使被控对象130按照角位移指令信号达到所要求的角位移；被控对象130控制***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140的接收信号；角位移检测传感器140检测被控对象130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***，其特征在于：包括控制器(110)、功率驱动单元(120)、被控制对象(130)和角位移检测传感器(140)，其中：控制器(110)包括比较器(111)、比例器(112)、积分器(113)、微分器(114)和加法器(115)；被控制对象(130)包括直流电机(131)和机械负载(132)；比较器(111)接收角位移指令信号，比较器(111)的输出端分别接比例器(112)、积分器(113)和微分器(114)的输入端，比例器(112)、积分器(113)和微分器(114)的输出端均接加法器(115)的输入端，加法器(115)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)一路输出角位移输出信号，另一路输出信号到角位移检测传感器(140)的输入端，角位移检测传感器(140)的输出端接比较器(111)的输入端。

2、一种基于权利要求1所述的直流电机角位移PID控制***的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)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(120)，驱动被控制对象(130)运转，由角位移检测传感器(140)测量被控制对象(130)的角位移输出信号，并记录阶跃信号和角位移输出信号随时间变化的过程；

b.建立角位移信号与时间关系的坐标系，沿角位移输出信号曲线的直线部分作一条直线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；其中：阶跃信号是控制器(110)中的加法器(115)的输出信号；

(2)调整控制器的比例控制参数K_P、积分控制参数K_l和微分控制参数K_D，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角位移值Θ_ml；

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

d.调整控制器的积分控制参数 $K_I=\frac{K_P}{9\×I}\sqrt{3I{K}_P};$

e.调整控制器的微分控制参数 $K_D=\sqrt{3I{K}_P}-D.$

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