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1、基于虚拟仪器的同步伺服系统PID模糊控制器设计基于虚拟仪器的同步伺服系统PID模糊控制器设计hesp导语：双电机同步直流伺服系统是颤振鼓励系统的驱动单元，控制器作为伺服系统的核心，对整个系统性能的优劣起着非常重要的作用。1.引言颤振试飞历来是飞机试飞最后关注的课题，由于它直接影响飞行平安。在颤振试飞实验中，颤振鼓励系统是颤振试飞的重要设备之一。直流伺服系统作为驱动单元，是颤振鼓励及分析系统研制中技术难度和风险较大的一环，涉及到同步控制、小型特种永磁无刷直流伺服电机技术等一系列问题。本文以LabVIEW7软件为开发平台，运用LabVIEW强大的数据收集功能及其PID和Fuzzylogic两个工具
2、箱为该伺服系统设计一个基于虚拟仪器的控制器，完成双电机的同步控制。b2基于虚拟仪器同步伺服系统控制器的设计/b2.1同步伺服系统的组成位置速度双闭环直流伺服系统原理框图整个颤振鼓励器的直流伺服系统原理框图如图1。该直流伺服系统主要实现双电机的同步控制，包括实时位置同步、速度同步、差动同步以及速度跟随等功能，采用双闭环控制。外环是位置闭环，利用NI公司的数据收集卡PCI6221的计数器与光电编码器相结合检测电机转子的位置，引入位置闭环既可以较方便的采用先进控制算法又可以将位置差通过同步控制算法形成控制信号以确保同步精度；内环是速度闭环，通过Mc33039芯片检测转子速度，引入速度闭环来进步直流伺
3、服系统的响应速度，同时可以大大削弱系统参数变化的不利影响，抑制摩擦和间隙等非线性的不良作用，具有较高的抗干扰性能。2.2控制器的设计2.2.1总体设计控制器作为伺服系统的核心，将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进展集中、分析和加工，按照一定的程序给出相应的指令，进而控制整个系统有条不紊地运行，因此无疑对整个系统性能的优劣起着非常重要的作用。PID控制算法是一种工业控制中广泛应用的控制策略，传统的PID控制用具有原理简单，设计简便，易于调整，稳态性能好等优点，对具有线性、有确定模型的系统易于整定到最正确控制效果。但本文的颤振鼓励系统的同步伺服系统是两台无刷直流电机，均为PWM调速，速度大小与
4、调速电压之间的关系显然是非线性的。为此，首先在不同的调速电压下做大量的试验，来测定转速，然后通过调速电压、速度数据建立一个根本的数学模型；其次将两路位置信号的差值形成的控制信号送入控制算法；最后在传统PID控制器的根底上应用模糊集公道论，设计一个基于简单模型的模糊PID控制器，能方便的实现参数的在线自整定，以到达较为理想的控制效果。2.2.2电机的数学模型2.2.3同步算法实现1速度电压关系分段线性化本同步伺服系统甲、乙两台电机均为无刷直流电机，设计参数根本一致，电机供电电压为直流15伏，采用PWM调速方式。在正常供电情况下，PWM端输入电压信号大于1.4伏，电机开场转动，随着调速电压信号的加
5、大，电机转速开场加快，但是很明显转速和调速电压之间不是线性关系。为此首先测定转速和调速电压之间的关系，然后将其分段线性化，使电机转速在较窄的范围内和调速电压建立近似线性关系，根据实验数据对于甲、乙两组电机分别算出在转速r/s不同的情况，调速电压V与转速之间的近似线性关系如下：利用这组近似关系，可以确定在固定转速情况下甲、乙两台电机的电压设定值，然后利用数据收集卡PCI6221的计数器，通过LabVIEW编程收集光电编码器脉冲个数电机每转产生1024个方波脉冲，可以算出此时电机确实切转速，将此转速通过上述近似关系式可以求得对应的实际调速电压值，最后将设定电压值与实际电压值之差进展PID调节。由于
6、电机转速在不同的阶段所对应的比例增益系数、积分增益系数不一样，在同一个转速阶段的上升阶段与平稳阶段所对应的比例增益系数、积分增益系数也不一样。为了到达理想的控制效果，首先利用电机模型及仿真实验结果，以初步确定比例增益系数、积分增益系数；其次通过实验比照例增益系数、积分增益不断进展调整以确定不同阶段的相对应的最为适宜的比例增益系数、积分增益系数；最后利用模糊集公道论，建立一个模糊规那么库，实现参数的自整定。2建立模糊PID控制器在LabVIEW前面板或者控制面板的tools菜单下面翻开fuzzylogiccontrollerdesign子选项就可以方便的设计和修改模糊控制器的隶属函数、规那么库、
7、推理规那么等。设计的结果保存在一个以.fc结尾的文件中，以备在应用程序中调用。Control下面的Fuzzycontroller子程序用于在程序中实现模糊控制算法。Control下面的Loadfuzzycontroller将.fc结尾的文件调入应用程序并将指定文件的PID参数加载到应用程序的模糊控制器中。三者严密相连环环相扣，能方便直观的完成模糊控制器的设计、编辑、加载。3同步控制固然已经建立了初步的模型，并采用模糊PID进展调节，但为了进一步进步伺服系统的同步性，将两者的位置或者速度差，乘以适当的系数，形成一个微小值。对速度快者降低电压设定值，对速度慢者进步电压设定值，实现对两台电机的同步控
8、制。由于在转速较低的情况下，电机对对电压信号更为敏感，因此此时系数可以设置的较小，高速时系数可以设置的较大，但两种情况下均不能设的很大，否那么会导致电机不稳定。b3.实验结果/b本同步伺服系统共完成了速度跟随、速度同步、位置同步、差动同步四种实验，其中速度跟随包括恒速跟随、线性跟随、含阶跃信号的线性跟随三种。以下列图3中a、b、c中白色直线表示设定值，红色表示甲电机的实验结果绿色表示乙电机的实验结果；d、e中白色直线表示实际差值；f中白色直线表示设定值，红色表示实际差值。b4实验数据处理及分析/b1对于输入的数字信号，伺服系统能实现如图3中a、b、c所示波形的实时速度跟随。2可以实现两台电机的
9、实时速度同步运行，闭环控制，如图3中d所示绝对误差不累积，相对转速差不累积且可以控制在10r/min以内。3能实现两台电机的实时位置同步运行，闭环控制，如图3中e所示绝对误差不累积，相对角度差不累积且可以控制在6以内。4可以实现单台电机预先转动给定角度后，另一台电机才开场转动，然后两台电机保持该恒定相位差同步运行，如图3中f所示，误差控制在4。b5.结论/b利用本文提及的分段线性法、模糊PID控制理论、以及同步控制法相结合设计的控制器可以实现同步伺服系统的控制要求。利用这些方法和理论可以继续向速度更低或者更高的阶段开展，因此即便在更宽的速度范围内也能实现对双电机的同步控制。另外由于本文中控制器
10、的算法较为复杂、程序量较大且都是在操纵系统准确度只能到达毫秒级的平台上运行，仅执行周期就接近10毫秒，因此我们的调节频率较低为20Hz，假如能设法进步调节频率，相信控制效果会有更进一步的改善。参考文献：1周自全.当代战斗机的飞行试验J.北京航空航天大学学报，2003,12:1110-11142陆宁,周伟.基于LABVIEW的智能PID控制器的设计J.微机开展2005,4:66-683陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.北京，机械工业出版社，20054NationalInstrumentCorporation.PIDControltoolsetuserManualM.2001编辑:何世平0