費(fèi)紅姿，范立云，費(fèi)景洲，劉 友，董 全，楊家龍

（哈爾濱工程大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用

基于虛擬儀器的直流電機(jī)模糊PID控制實(shí)驗(yàn)研究

費(fèi)紅姿，范立云，費(fèi)景洲，劉 友，董 全，楊家龍

（哈爾濱工程大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

應(yīng)用ELVISⅡ虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)直流電機(jī)模塊進(jìn)行模糊PID速度控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先分析了電機(jī)的控制原理，在LabVIEW環(huán)境中設(shè)計(jì)了PID控制器及切換式模糊PID控制器，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，與PID控制相比，模糊PID控制響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高。最后進(jìn)行了電機(jī)模塊控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果表明：基于虛擬儀器設(shè)計(jì)的模糊PID速度控制實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

直流電機(jī)；模糊PID控制；虛擬儀器

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是控制類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)的典型項(xiàng)目，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常由控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成，其特點(diǎn)是硬件電子線(xiàn)路和系統(tǒng)軟件固定，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只是按照固定的步驟去做，不方便學(xué)生自行設(shè)計(jì)和二次開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差［1－2］。

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為核心，配以相應(yīng)功能的硬件作為信號(hào)的輸入輸出接口，利用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)上虛擬出儀器的面板和功能，在此平臺(tái)上能為用戶(hù)提供更廣闊的發(fā)揮空間［3］。基于虛擬儀器技術(shù)建立的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以給予學(xué)生更大的發(fā)揮空間，是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)［4－5］。ELVISⅡ是NI公司推出的虛擬儀器平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一體化。在該平臺(tái)上可以進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等，具有很好的可通用性［67］。本文在基于ELVISⅡ虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用模糊PID控制算法設(shè)計(jì)了控制器，改善了控制效果。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以將原來(lái)單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ桨l(fā)展為開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為學(xué)生提供一個(gè)開(kāi)放式的軟件及硬件平臺(tái)。

1 基于ELVISⅡ的直流電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1．1 ELVISⅡ簡(jiǎn)介

教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件是為課堂或?qū)嶒?yàn)室服務(wù)的先進(jìn)教學(xué)平臺(tái)，可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、儀器控制、嵌入式／單片機(jī)等課程的理論教學(xué)。ELVISⅡ原型實(shí)驗(yàn)板具有很好的通用性，通過(guò)外部接口金手指插槽可以連接不同的功能模塊，也可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)功能模塊，并在LabVIEW軟件環(huán)境下編寫(xiě)相應(yīng)的程序，完成數(shù)據(jù)采集、控制、保存、分析和顯示功能，ELVISⅡ虛擬儀器平臺(tái)如圖1所示。

圖1 ELVIS虛擬儀器平臺(tái)

1．2 直流電機(jī)控制模塊

直流電機(jī)控制模塊如圖2所示，由伺服電機(jī)、功率放大器組成，通過(guò)金手指連接端子插在ELVISⅡ?qū)嶒?yàn)箱上。

圖2 直流電機(jī)控制模塊

伺服電機(jī)的額定電壓為12V，轉(zhuǎn)速為1 900 r／min，功率放大器的輸入為脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM），功率放大器的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，放大器增益為2．3。在伺服電機(jī)上裝有一個(gè)光電編碼器和轉(zhuǎn)速傳感器，用于測(cè)量電機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。編碼器和轉(zhuǎn)速傳感器與ELVISⅡ上的數(shù)據(jù)采集單元相連，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和轉(zhuǎn)速信號(hào)，并傳輸給控制器，與期望值進(jìn)行比較得到偏差，再經(jīng)過(guò)控制器得到輸出，然后將控制器的輸出轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)給功率放大器，改變電機(jī)的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

2 直流電機(jī)控制模塊實(shí)驗(yàn)原理

電機(jī)速度控制系統(tǒng)是測(cè)控類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)的典型項(xiàng)目，本文主要研究電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

直流電機(jī)速度控制原理如圖3所示。通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，DAQ數(shù)據(jù)采集得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差傳輸給速度控制器，速度控制器的輸出轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制信號(hào)給功率放大器，改變電機(jī)的輸入電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3 直流電機(jī)速度控制原理框圖

應(yīng)用ELVISⅡ虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括計(jì)算機(jī)、ELVISⅡ?qū)嶒?yàn)平臺(tái)及直流電機(jī)模塊3部分。模擬輸入用AI4通道采集輸入信號(hào)，設(shè)定采樣時(shí)鐘的采樣率為40 Hz，每通道采樣長(zhǎng)度為1 000點(diǎn)，采用連續(xù)采樣模式。模擬輸出程序把控制量用AO0通道輸出。

圖4 直流電機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)

3 速度控制器設(shè)計(jì)

3．1 PID控制器設(shè)計(jì)

直流電機(jī)PID控制程序框圖如圖5所示。比例系數(shù)Kp＝0．178、積分系數(shù)Ki＝0．01、微分系數(shù)Kd＝0，電機(jī)由1 000r／min上升到1 500r／min的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)如圖6所示。從曲線(xiàn)圖中可以看出，PID控制的響應(yīng)速度較慢，電機(jī)達(dá)到期望轉(zhuǎn)速的時(shí)間比較長(zhǎng)。

3．2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制適合于線(xiàn)性控制系統(tǒng)，而電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中存在一定的非線(xiàn)性，單純的PID控制很難滿(mǎn)足快速而穩(wěn)定的控制要求。模糊控制是通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)制定的決策表來(lái)決定控制量，具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)小、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但是由于模糊控制通常采用誤差與誤差的變化率作為控制器輸入，本質(zhì)上相當(dāng)于非線(xiàn)性PD控制，存在小偏差附近下控制效果不好和穩(wěn)態(tài)控制精度不高的缺點(diǎn)。本文吸取了上述2種控制策略的優(yōu)點(diǎn)，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了切換式模糊PID控制器。即大偏差時(shí)采用模糊控制，小偏差時(shí)采用PID控制，可實(shí)現(xiàn)比較好的控制效果。

圖5 直流電機(jī)PID控制程序框圖

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制

3．2．1 變量模糊化

本文采用二維模糊控制器，即以電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差、誤差的變化率作為輸入，u（t）作為控制器的輸出。根據(jù)直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速控制狀況，電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差e（t）的變化范圍為［－150，150］r／min，誤差變化率de（t）／dt的變化范圍為［－100，100］r／min，它們的模糊論域均為［－6，6］，所以轉(zhuǎn)速誤差e（t）的量化因子為Ke＝0．04，誤差變化率de（t）／dt的量化因子為Kde＝0．06。模糊控制器的輸出量u（t）的變化范圍為［－7．5，7．5］，量化因子為Ku＝0．9。每個(gè)量化因子在控制過(guò)程中可調(diào)。轉(zhuǎn)速誤差e（t）和控制量u（t）取7個(gè)模糊子集，直流電機(jī)在控制過(guò)程中，轉(zhuǎn)速誤差變化率de（t）／dt的變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)影響較大。因此，轉(zhuǎn)速誤差變化率de（t）／dt的模糊子集劃分應(yīng)更細(xì)致，取8個(gè)模糊子集。得到的u（t）與e（t）和de（t）／dt的映射關(guān)系如圖7所示。

圖7 u（t）與e（t）和de／dt的映射關(guān)系

3．2．2 模糊PID切換控制器設(shè)計(jì)

通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)2種控制算法的切換。閾值為最大誤差的絕對(duì)值，當(dāng)誤差大于閾值時(shí)切換到模糊控制，當(dāng)誤差小于閥值時(shí)切換到PID控制。直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 900r／min，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率2%左右，直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)可認(rèn)為是線(xiàn)性或準(zhǔn)線(xiàn)性。電機(jī)穩(wěn)態(tài)附近采用PID控制，通過(guò)仿真確定轉(zhuǎn)速誤差e＝40r／min為切換量時(shí)，控制效果較好。根據(jù)上述分析，本文模糊PID控制器的開(kāi)關(guān)切換量e＝40r／min，｜e｜≥40r／min時(shí)采用模糊控制，｜e｜＜40r／min時(shí)采用PID控制。

直流電機(jī)模糊PID控制程序如圖8所示。

圖8 直流電機(jī)模糊PID控制程序框圖

得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID控制曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。模糊PID控制與PID控制的響應(yīng)指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID控制實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

表1 模糊PID控制與PID控制的響應(yīng)性能指標(biāo)

從響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，模糊PID控制的響應(yīng)速度比PID控制快，電機(jī)達(dá)到期望轉(zhuǎn)速的時(shí)間短，控制精度也比較高，控制效果比較理想。

4 直流電機(jī)速度控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

直流電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)控制原理課程的實(shí)驗(yàn)之一。學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)LabVIEW編程和控制算法的基礎(chǔ)上，參照上述提供的控制器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，通過(guò)在虛擬儀器面板上直觀(guān)地操作控制器參數(shù)，掌握控制器的調(diào)節(jié)特性，對(duì)理論知識(shí)會(huì)有更深刻、更具體的理解。

4．1 實(shí)驗(yàn)界面

用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互界面如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中可以實(shí)現(xiàn)模糊控制器和PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等功能。

圖10 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID控制人機(jī)交互界面

4．2 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID控制和模糊PID控制實(shí)驗(yàn)，輸入1 000r／min階躍到1 500r／min階躍信號(hào)，測(cè)電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。操作步驟：

（1）連接好ELVISⅡ虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，確保信號(hào)采集和輸出正常。

（2）PID控制實(shí)驗(yàn)。在人機(jī)交互面板上設(shè)定期望轉(zhuǎn)速為1 000r／min，PID控制參數(shù)設(shè)置初始值：Kp＝0．178、Ki＝0．01、Kd＝0。改變PID控制參數(shù)，觀(guān)察控制效果。

（3）模糊PID控制實(shí)驗(yàn)。為了比較PID控制和模糊PID控制的效果，PID控制參數(shù)設(shè)置初始設(shè)置：Kp＝0．178、Ki＝0．01、Kd＝0；模糊控制參數(shù)設(shè)置為Ke＝1、Kde＝0．2、Ku＝0．92。觀(guān)察控制效果。

（4）在1 000～1 500r／min范圍內(nèi)，改變期望轉(zhuǎn)速為1 500r／min，記錄控制曲線(xiàn)，計(jì)算控制系統(tǒng)輸出曲線(xiàn)的性能指標(biāo)。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ELVISⅡ的虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的操作及數(shù)據(jù)分析，功能強(qiáng)大。通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作，能使學(xué)生對(duì)測(cè)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理理論知識(shí)、控制器設(shè)計(jì)有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)及掌握，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的積極性。

本文基于ELVISⅡ虛擬儀器平臺(tái)和直流電機(jī)模塊設(shè)計(jì)了直流電機(jī)速度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在此平臺(tái)上，進(jìn)行了模糊PID控制器的設(shè)計(jì)，取得了較好的控制效果，驗(yàn)證了在此平臺(tái)上進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)的可行性。

（References）

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Study on Fuzzy－PID control experiment of DC motor module based on virtual instrument

Fei Hongzi，F(xiàn)an Liyun，F(xiàn)ei Jingzhou，Liu You，Dong Quan，Yang Jialong
（College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

DC motor speed control experiment using Fuzzy－PID control algorithm is designed based on the NIELVISⅡvirtual instrument．The control principle of the DC motor module is analyzed first，the PID controller and Fuzzy－PID controller are designed and applied in the system．The experimental data is analyzed through comparing two algorithms．DC motor control experiment for students is designed finally．The actual teaching results show that the students’interests in studying the control system design are inspired greatly by this experiment platform，and teaching quality could be improved further．

DC motor；Fuzzy－PID control；virtual instrument

TM33；TP273

A

1002－4956（2015）3－0081－04

2014－07－22 修改日期：2014－09－01

黑龍江省高等教育科學(xué)研究“十二五”規(guī)劃課題（HGJXHB2110355）；哈爾濱工程大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JB2013YB11）；哈爾濱工程大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院精品課程建設(shè)項(xiàng)目

費(fèi)紅姿（1970—），女，上海，博士，副教授，研究方向?yàn)閯?dòng)力裝置控制與測(cè)試技術(shù)

E－mail：fhz＠hrbeu．edu．cn