增量式PID规律在电机软启动控制中的应用.pdf

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1、A c a d e mic P a p e r s l 圈吸圈圜 增量式 P I D规律在电机软启动控制中的应用 Ap p l i c a t i o n o f I n c r e a s i n g P I D Co n t r o l l i n g M e t h o d i n t h e Co n t r o l o f M o t o r S o f t S t a r t 张 晓 王晓宇 郭 涛 钟瑞艳 ( 山 东大学控制科 学与工程 学院 ， 济 南 2 5 0 0 6 1 ) 摘 要 ： 阐述了增量式 P I D控制算法和电机软启动基本原理。结合增量式 P I D的控制优势

2、， 简述了其在电机软 启动过程控制中的应用。 实践表明， 增量式 P I D的应用 ， 简化了控制思路， 改善了电流环控制性能， 限制了启动电流， 平滑了启动转速， 取得了良好的电机启动效果。 关键词： 增量式 P I D 电机 软启动 启动电流 Abs t r a c t ：Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e c o n t r o l l i n g a r i t h me t i c o f I n c r e a s i n g PI D a n d t h e b a s i c p r i n c i pl e o f m

3、o t o r s o f t s t a r t W i t h t h e v i r t u e o f I n c r e a s i n g PI D，I t t e l l s t h e a p p l i c a t i o n o f I n c r e a s i n g PI D c o n t r o l l i n g me t h o d i n t h e c o n t r o l o f mo t o r S o ft S t a rt T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s p r o v e t ha t th

4、e a p p l i c a t i o n o f I n c r e a s i n g P I D s i mp l i fie s the c o n t r o l l i n g i d e a，i mp r o v e s t h e c a p a b i l i t y o f c u r r e n t - l o o p， l i mi t s t h e s t a r t i n g c u r r e n t ， s mo o t h e s t h e s t a r t i n g s p e e d， g e t s a f a v o r a b l e

5、s t a rti n g e ff e c t Ke y wo r d：I n c r e a s i n g PI D mo t o r s o ft s t a r t s t a r t i ng C H rre n t 0引 言 三相交流异步 电机 是一 个多变量 、 强耦 合 、 非线性 的复杂 受控对象 ， 难以建立其精确 的数学模 型； 同时 ， 电机 启动过程 中 的许多参数无法进行准确测量 这就使它 的启 动控 制变 得较为 复杂困难 往往需依靠经验进行调试 P I D控 制规律作 为工业控 制过 程中技术最成熟 、 应用最 广 泛的一种 控制技 术 ， 具有结 构简单 、

6、 调节方便 、 稳定性好 等 优 点 在工业 生产过程 自动控制领 域获得 了广泛 的应用 ： 在交 直 流电机等控制场合 则具有 良好 的灵活性和适用 性 ， 并取得 了 令人满意的控制效果 。 本文主要结合增量 式 P I D控制原 理来 阐 述其在 电机软启动控制 中的应用 l 增量式 P m 控制规律 P I D控 制规 律就是 对偏差 的 比例 ( P ) 、 积 分 ( I ) 和微 分 ( D) 进行控制 ， 简称 P I D控制。P I D控制根据不 同的应用 场合有多 种实现方法 如位置式和增量式等 在许多特殊要求的场合还 作者 简介 ： 张晓 王 晓 宇 郭 涛 钟 瑞艳

7、有许多改进算法 增量式 P I D建立在对位置式 P I D进行改进的基础之上 。 它 克服了位置式 P I D对所有过去状态的依赖 降低 了因单 片机故 障导致 P I D误输出给系统带来严重后果 的影响 P I D控 制回路见 图 1 。图中y ( t ) 为被控 变量 ， 是 ， ( ) 的设 定值 ， e ( t ) 为调 节器输入偏差 ， u ( t ) 为 P I D控 制输 出。 图 1 P I D控制 由此 可得到 P I D控制算式 u ( ) 【e ( )+ 1 e (t ) 71D tt) l。 式 中 ： K 。 为比例系数 ； T I 为积分时 间常数 ； 7 1D

8、为微分时 间常数 ； e ( t ) =R- y ( ) 。 硕 士 研 究 生 。研 究 方 向 为现 代 运 动 控 制 系统 。 教 授 。 硕 士 研 究 生 。 硕 士 研 究 生 。 8 机电一体化 5 7 豳圜嘲l A c a d e m ic P a p e r s 单片机微控 制器利用采样 的方式对过 程进 行巡 回检 测和 控制 ， 因而要对 P I D算法进行离散化处理 。 离散化时 令 t = k T ) e ) ， ” j = o d e ( f )一e ( k T) 一 e ( 7 1 ) 一e ( ) d 一 r 。 式中 ： r为采样周期 ； k为采样 序号 (

9、 k = 0 ， 1 ， 2 ， ) 。 则离散 P I D算式 为 ( )= e (|j + e u )+ 【e ( ) 一 ( 】 。 输出增 量之差 “( ) = u ( |Ic ) 一 u ( k T - T) = ， 呵 1 、 K p 【e ( Jj ) ( ) + 1 e ( ) + 【 ( k T ) - A e ( f ) 】 。 L l J ， 所以最终结果 A u ( k T ) = K P 【 e ( k T ) - e ( 7 1- ) 】 + j ( 1 e ( k T ) + KD 【 e ( k T ) - 2 e ( _一 7 1 ) + e ( k T -

10、2 T ) 】 ； u ( k T ) = u ( k T - T ) + A u ( k T ) 。 式中 ：K r 为 比 例 系 数；K I= K r 鲁为 积 分 系 数；K D = 争为 微 分 系数 增量式 P I D有如下控制优势：每次输出只输出控制增 量 机器故障时影响范围小。 必要时可通过逻辑判断 、 限制活禁 止故障时的输出， 因而不会严重影响系统的工况。 手动一 自动 切换时冲击小。算式中不需要累加， 控制增量的确定仅与最 近几次采样值有关 较容易通过加权处理 以获得 比较好的控制 效果 2电机软启动器简介 2 1 软 启动 器原 理 电机软启 动器是基于 晶闸管的三相交

11、 流调压原理 。见图 2 。三相交流 电源 、 、 分别接在 3 个反并联晶闸管模块上， 晶闸管模块的输出端接 三相交流异步电机。 每个 晶闸管模块都 有两个 晶闸管反并联连接而成 用 于完成 1 个周期 内正负半波 的调压 。 通过改变晶闸管的触发角 d来改变互相输 出交流 电压 的有效值 从而实现晶 闸管模块输 出端的 电压 可调 ， 这就是晶 闸管三相交流调压原理 软启动器 的控制 电路 由 I n t e l 8 0 C 1 9 6 MC控制器 、同步检 测 、 脉 冲触发 、 电流反馈 、 控制输入 和状态输 出 6个 部分组成 。 I n t e l 8 0 C 1 9 6 MC是

12、控制核心 用来完成各种 复杂 的算 法和控制 流程 并对 系统 的突发 故障进行及时调整 保护 ， 维持系统 的正 常稳定运行 晶闸管的触 发要严格保持其触发脉冲和 电源 电压 的同步 ， 否则无 法实现调压控制 因此 同步电路和晶 闸管 脉冲 触发 电路必不可少 在 电机启 动过程 中 要对启动电流进行实 5 8 机电一体化 ： 2 时采样 ， 送 入单片机 中进行各种运算 处理 这是 由电流反 馈检 测 电路实现的。此外 软启动器需要有各种控制输入信号和系 统实时状态输出信号 ，如键 盘操作 、 L C D显示参数 、报警指示 等 这 些功 能都 是通 过控 制输 入 电路和 状态输 出

13、电路来 实 现 的 图 2电机软启动器模块原理图 2 2限 流 启 动 方 式 电机 软启 动器有多种启动方式 能够满 足不 同行业不 同场 合对电机启动的要求 一般 常用 的有 4种启动方式 ： 斜坡电压 启动方式 、 限流软启 动方式 、 转 矩控 制启动和转 矩加突跳启 动 方式 为了防止电机启动过程 中的电流冲击 给周 围设备和电网 带来不利影响 限制启动电流在一定 范围内就成 为软启动器所 必须 达 到的 目标 限流 启 动方式 就是 这个 方面 的一 个典 型 应用。 限流启动方式原理见 图 3 电机上 电初始 启动 电流 以很 快的速度 上升到 电流设 定值 ( 一般为 1 4

14、， ， ) ， 然后 在相应调节 规律下不断修正 晶闸管触发角 使得启 动电流恒定 在设 定值 保持不变 直至 电流下降到额定 电流 。 电机转 速平滑上升 到额 定转速 ， 限流启动过程结束。 2 3电流检 测 电路 要实现限流 就必须对 电机启 动过程 中的电流进行实时采 集 将 每一瞬间 的电流值 送人主控制器 中 ， 经 过相应计算后对 晶闸管 的触发 角作 出即时调整 ： 因而 电流检 测采集 电路是软 启动器设计 中非常重要的一环 它 的好坏直 接决定 了限流 的成 功与否。本设计 中我们采用下面 的检测 电路来完成 电流采集 。 见 图 4 主电路中的 3个 电流互感器对 电流进

15、行实 时采样 其三相 ， ( A) ， 用 2 ， 棚 1 图 3限流起动方式 图 4电流 检 测 电路 交流输出信号 。 、 。 、 ， 经过二极管整流 、 电容滤波 、 电阻分压 后成为一直 流电压信号 再经过一个电压跟随器送入主控制器 8 0 C1 9 6 MC的 A D 口中 进行 A D转换 得到我们 需要 的 电流 值。因单 片机 A D口工作 电压为+ 5 V 在硬件设计 中加入 了二 极管 限幅环节 以确保其安全 3 P I D在限流启动中的应 用 三相交 流异步 电机 的数 学模型难 以用精 确的数学 公式来 描述 ； 设计 中要做到在 限流 的前提下 ， 实现 电机转速 、

16、 电压和启 动电流彼此协 调控制 ： 电机不 同启动方式 和不 同应用场 合对参 数的要求有很 大差别 ： 这就要求所选择 的控制规律需具 有较好 的适时性 和通用性 因此我们采用数字 P l 调节控制来实现 它 将比例调节 的快速性和积分调节 消除静差 的作用结 合起 来 改 善了系统 的动静态性 能 ； 其参数 、 相对独 立 ， 调节 整定方 便 ； 计算工作量相对较小 ， 容易实现多 回路控制 也为系统处理 其他复杂任务预留了空间 由上面的公式可 以得 出数字 P I 规律 的计算公式 A u ( k T ) = K p e ( ) ( 七 ) 】 + e ( k T ) ； u( k

17、 T) = u ( k T -T ) +A u ( k T) 。 下面是限流起动方式中关于 P I 调节 的一 段子程序 实验 结果说 明， P I 调节规律 很好地实 现了限流控制 取得 了令 人满 意的控制效果 一 定义 P I D结构体 S t r u c t P I D fl o a t P ： ， 比例系数 丑 o a t j ： 积分系数 A c a d e mic P a p e r s l 暖啜唧 f l o a t s e t p o i n t ： ， 初始设定值 fl o a t d e a d b a n d： 死 区 fl o a t v k ： 采样值 fl o a

18、 t v k 1 ： 上次采样值 u n s i g n e d i n t u k ： P I D结果 u n s i g n e d i n t u k 1 ： ， 廊 一计算结果 l p i d ； P I D初始化 v o i d p i d i n i t ( v o i d ) p i d p = pv a l u e ； ， 赋值 p i d i = i va l u e； p i d s e t _po i nt =c u r r en t_v a l ue； p i d d e a d b a n d = i d e a d t i me； p i d y k _ l ： 0

19、； p i d u k = a n g l e l ； p i d u k 一1 = a n g l e 2； P I D计算 v o i d p i d _s t a r t ( v o i d) fl o a t e k， e k 一1 ， e u k； p i d y k = a d _e u r r e nt ； e k = p i d s e t _p o i n t - p i d y k； e k l p i d s e t _p o i n t - p i d y k _I ； e u k = p i d P ( p i d y k 一 1 - p i d y k) + p i

20、 d i e k ； p i d u k = p i d u k l + e u k； p i d y k l = p i d y k； p i d u k 一1 = p i d u k； ， 木 _ _ _ 其他计算程序_ _ _ 4结束语 本文结合增量式 P I D的调节原理及其 控制 优势 讲述 了其 在电机软起动设计 中的应用 情况 。实验结 果表明 ， 增量式 P I D 控制规律 调节简单方便 。 简化 了控制思路 改善 了电流环控制 性能 ， 限制 了启动电流 ， 取得 了良好的 电机启动效果。 参 考 文 献 1 曾 毅 现代运动控制 系统工程 M 北京 ： 机械工业出版社 ，

21、 2 0 0 6 2 李正军 计算机测控 系统设 计与应用 M 北京 ： 机械工业 出版 社， 2 0 0 4 3 任致 程， 任国雄电动机 软起 动器实用 手册 M 北京 ： 中国电力 出 版社 2 0 0 5 4 顾绳谷 电机及拖动基础 M 北 京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 5 徐爱卿 I N T E L 1 6位单片机 ( 修 订版 ) M 北京 ： 北京航空 航天大 学 出版社 2 0 0 3 6 成军 I N T E L 8 0 C1 9 6单片机应用实践与 C语言开发 M 北京 ： 北京航空航天大学 出版社 2 0 0 2 7 杨振 江， 杜铁军 ， 李群 流行单 片机实用 子程序及应用实 例 M ， 西安 ： 西安电子科技大学出版社 2 0 0 4 ? 日 机电一体化 5 9