摘 要：該文基于Lab windows/CVI強(qiáng)大的圖像設(shè)計(jì)與處理功能，設(shè)計(jì)了電網(wǎng)波動(dòng)對無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的影響的仿真系統(tǒng)，并采用擴(kuò)充臨界比例法進(jìn)行整定的數(shù)字PID控制來減小這種影響。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能有效的仿真電網(wǎng)波動(dòng)對無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的影響，并對電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算提供參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：Lab windows/CVI;電網(wǎng)波動(dòng);數(shù)字PID;無刷直流電動(dòng)機(jī);仿真 [b][align=center]Research on Lab windows/CVI-based brushless DC motor speed control system simulation LI Yadong, YANG Guanlu[/align][/b] Abstract The thesis is based on the powerful design and image processing functions of Lab windows / CVI, and devises a simulation system of the power grid fluctuations of the brushless DC motor speed control. Also it expands the use of the critical method of setting the digital PID control to reduce the impact. Practice shows that the system can be an effective simulation that the grid fluctuations influence the speed of the brushless DC motor, and it provides reference value to grid computing. Key words Lab windows/CVI; Fluctuations in power system; Digital PID; brushless DC motor; simulation 0. 引言 　　無刷直流電動(dòng)機(jī)去掉了普通直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置而改用電子換向,這使得它同時(shí)具有了直流電動(dòng)機(jī)易于控制和異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn),從而得到了廣泛的應(yīng)用。如何對它的轉(zhuǎn)速進(jìn)行最佳控制,仍然是目前探索的熱點(diǎn)課題[2]。 　　Lab Windows/CVI是交互式C語言開發(fā)環(huán)境,它以ANSIC為核心,將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法,函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能,為熟悉C語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境[1]。 　　隨著社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展, 電網(wǎng)負(fù)荷不斷加重，電網(wǎng)污染日益嚴(yán)重，關(guān)于電網(wǎng)波動(dòng)對負(fù)載影響的研究越發(fā)顯示它的重要性。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,由于其算法簡單、可靠性高,因而被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。然而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時(shí)變不確定性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用經(jīng)典PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果,這就需要對經(jīng)典PID控制進(jìn)行改進(jìn),對其進(jìn)行有效的整定,本文基于Lab Windows/CVI的強(qiáng)大功能，來仿真電網(wǎng)波動(dòng)對無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，并采用擴(kuò)充臨界比例法進(jìn)行整定的數(shù)字PID控制來減小這種影響。 1. 控制系統(tǒng)原理及系統(tǒng)框架 　　1.1 數(shù)字PID控制 　　PID控制是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。積分器能消除靜差，提高精度，但使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢、穩(wěn)定性變差。微分器能增加穩(wěn)定性，加快響應(yīng)速度。比例為基本環(huán)節(jié)。三者合用，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)字模型，因此在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。PID控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件、氣動(dòng)和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中來，將根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，此可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。 　　1.1.1 該P(yáng)ID控制器采用傳統(tǒng)的增量式數(shù)字PID控制[3]： 　　（1） 　　式中，K[sub]P[/sub]為比例放大倍數(shù); K[sub]I[/sub]為積分時(shí)間常數(shù); K[sub]D[/sub]為微分時(shí)間常數(shù)。 　　1.1.2 設(shè)可控硅整流模型采用，采樣周期取10ms即： 　　（in為電網(wǎng)電壓輸入） （2） 　　1.1.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)模型的建立[4] 　　一相導(dǎo)通三相三狀態(tài)的無刷直流電動(dòng)機(jī)的方程為: 　　（3） 　　電樞回路電壓平衡方程式：（4） 　　式中： L[sub]α[/sub]為相繞組電感, R[sub]α[/sub]為相繞組電阻, l[sub]v[/sub]為電動(dòng)勢常數(shù), ω是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度。 　　力矩平衡方程式：（5） 　　式中: T[sub]em[/sub]為電磁轉(zhuǎn)矩, T[sub]1[/sub]為負(fù)載轉(zhuǎn)矩, B為阻尼系數(shù), J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, k[sub]1[/sub]為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 　　由以上等式可得到無刷直流電機(jī)的狀態(tài)空間 　　 （6） 　　1.1.4 軟件整體流程圖大致如圖1： [align=center] 圖1 整體流程圖[/align] 　　1.2 數(shù)字PID的整定法選擇 　　對PID參數(shù)的整定一般采用試湊法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法或者工程整定法。工程整定法主要有擴(kuò)充臨界比例法，擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，歸一參數(shù)整定法等方法。本系統(tǒng)使用擴(kuò)充臨界比例法。擴(kuò)充臨界比例法適用于有自平衡性的被控對象，整定步驟如下： 　?。?）首先，將調(diào)節(jié)器選為純比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)，從小到大改變比例系數(shù)K[sub]P[/sub]，使系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)（穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例系數(shù)記為K[sub]γ[/sub]，臨界振蕩的周期記為T[sub]γ[/sub]。K[sub]γ[/sub]與T[sub]γ[/sub]的選取，可應(yīng)用Lab Windows/CVI虛擬儀器編程實(shí)現(xiàn)。 　?。?）根據(jù)齊格勒—尼柯爾斯（Ziegle-Nichols）提供的經(jīng)驗(yàn)公式[5]（圖2所示），就可由這兩個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)得到PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。 [align=center] 圖2 經(jīng)驗(yàn)公式[/align] 　　編程得到K[sub]γ[/sub]、T[sub]γ[/sub]的軟件流程圖（圖3所示）。 [align=center]　 圖3 PID整定的軟件流程圖[/align] 　　1.3系統(tǒng)框圖 　　整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)控制框圖如圖4所示，主要部分由數(shù)字PID控制來完成。 [align=center] 圖4 控制框圖[/align] 　　我們知道，直流電機(jī)的輸入電壓由電網(wǎng)輸入的交流電和可控硅相控的觸發(fā)角決定。根據(jù)這個(gè)原理，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，數(shù)字PID的輸出控制可控硅的相控電路，使得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。但根據(jù)這個(gè)原理，若交流電壓過低，可能就帶動(dòng)不了電機(jī)到額定轉(zhuǎn)速，故本系統(tǒng)采用PID輸出與整流電壓之和作為電機(jī)的輸入，這樣也可以達(dá)到控制電機(jī)的目的。 2 軟件功能簡介 　　本軟件的主界面如圖5所示，根據(jù)功能可劃分為波形顯示區(qū)、波形處理區(qū)、控制區(qū)。 　?。?）波形顯示區(qū)。由波形顯示屏幕以及轉(zhuǎn)速表組成，可觀察到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化,從圖中可以看出紅色的轉(zhuǎn)速變化曲線。 　　（2）波形處理區(qū)。利用Lab Windows/CVI的處理功能，對所獲得的輸出波形進(jìn)行處理。具有縮放、平移、圖形打印以及波形的保存功能;在該區(qū)還可以顯示超調(diào)量與調(diào)整時(shí)間兩項(xiàng)重要指標(biāo)，以此為依據(jù)有利于對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。若要連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可點(diǎn)擊該區(qū)的“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”設(shè)置按鈕。 　　（3）控制區(qū)。所有的控制功能以及控制參數(shù)均由控制區(qū)輸入。本系統(tǒng)采用PID控制，K[sub]P[/sub]、K[sub]I[/sub]、K[sub]D[/sub]參數(shù)以及預(yù)期轉(zhuǎn)速可由控制區(qū)輸入;啟動(dòng)電機(jī)、停止電機(jī)的操作也在控制區(qū)。 [align=center] 圖5 軟件的主界面[/align] 3 本軟件的操作 　　本系統(tǒng)包含三個(gè)軟件：測試電網(wǎng)（GRID.exe）、直流電機(jī)控制（直流電機(jī)控制.exe）與測試數(shù)據(jù)庫（DB.exe）。測試電網(wǎng)模擬從電網(wǎng)輸入市電，測試數(shù)據(jù)庫模擬數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端接收電機(jī)的參數(shù)。 　　操作時(shí)，按順序打開DB.exe，直流電機(jī)控制.exe，GRID.exe。若后兩者顯示“連接服務(wù)器失敗”，可依次改變其界面上的IP地址為DB.exe及直流電機(jī)控制.exe所在的電腦的IP，并人工進(jìn)行連接。所有的控制操作均位于圖5的控制區(qū)?！皢?dòng)電機(jī)”將模擬電機(jī)在圖示的K[sub]P[/sub]、K[sub]I[/sub]、K[sub]D[/sub]參數(shù)下工作;“停止電機(jī)”將使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);“電機(jī)參數(shù)”可修改電機(jī)的參數(shù)，并可將其轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式;“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”可查看網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)并手工進(jìn)行服務(wù)器的建立與連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;“PID參數(shù)整定”可針對電機(jī)模型進(jìn)行擴(kuò)充臨界比例法的工程整定，得到較為合適的 K[sub]P[/sub]、K[sub]I[/sub]、K[sub]D[/sub]參數(shù);“關(guān)閉儀器”將關(guān)閉這個(gè)軟件。 　　此外，軟件還有部分人性化的操作，如菜單、右擊軟件界面或者圖形顯示區(qū)彈出的彈出窗口、圖形保存、圖形打印以及圖形縮放。 4 結(jié)論 　　綜上所述,虛擬儀器是傳統(tǒng)電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它有著傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。本文采用Lab windows/CVI設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)仿真，電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算都有參考作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)接收電網(wǎng)發(fā)送過來的電壓，經(jīng)數(shù)字PID處理后，將轉(zhuǎn)速、電壓、電流參數(shù)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，這些將被保存在數(shù)據(jù)庫中，并以此為依據(jù)選擇合適的控制參數(shù)。通過調(diào)試，無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真可以正常運(yùn)行，且擴(kuò)充臨界比例法可以使PID參數(shù)的整定時(shí)間大大優(yōu)化。 　　本文成功實(shí)現(xiàn)了CVI編程與數(shù)字PID控制的結(jié)合，并利用CVI編程來仿真電網(wǎng)波動(dòng)對無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，并找到一種有效的PID參數(shù)整定方法，其結(jié)果對電力系統(tǒng)的仿真與電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算均具有參考作用。 參考文獻(xiàn) 　　[1]宋宇峰等編著 Lab Windows/CVI逐步深入與開發(fā)實(shí)例[M] 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003 　　[2]張繼祖. 基于DSP和自抗擾控制器的無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制[J].西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.3 　　[3]何克忠,李偉. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M] 北京:清華大學(xué)出版社,1998 　　[4]宋受俊，劉景林. 無刷直流電動(dòng)機(jī)建模及其現(xiàn)代調(diào)速方法的仿真[J].微特電機(jī)2004，09：21-24 　　[5]陳傳碩，田麗華. PID控制參數(shù)的整定方法[J].長春郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，Vol.12 No.1 作者簡介：李亞東（1982-），男（漢族），河南人，華僑大學(xué)信息學(xué)院06級研究生，電工理論與新技術(shù)專業(yè)，主要研究感應(yīng)加熱電源和虛擬儀器。