基于labview平台和PID模拟控制器实现双电机同步控制系统的设计

发布时间：2024-03-11 12:41:29 | 作者: 半岛在线登录官网

  颤振试飞历来是飞机试飞最后关注的课题，因为它直接影响飞行安全。在颤振试飞实验中，颤振激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，是颤振激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 强大的数据采集功能及其PID和Fuzzylogic两个工具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。

  整个颤振激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公司的数据采集卡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，引入速度闭环来提高直流伺服系统的响应速度，同时能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。

  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行集中、分析和加工，按照一定的程序给出相应的指令，从而控制总系统有条不紊地运行，因而无疑对总系统性能的优劣起着很重要的作用。

  PID控制算法是一种工业控制中大范围的应用的控制策略，传统的PID控制器具有原理简单，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佳控制效果。但本文的颤振激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、速度数据建立一个基本的数学模型；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控制器的基础上应用模糊集合理论，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，以达到较为理想的控制效果。

  本同步伺服系统甲、乙两台电机均为无刷直流电机，设计参数基本一致，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，电机开始转动，随着调速电压信号的加大，电机转速开始加快，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，能确定在固定转速情况下甲、乙两台电机的电压设定值，然后利用数据采集卡PCI6221的计数器，通过LabVIEW编程采集光电编码器脉冲个数（电机每转产生1024个方波脉冲），可以算出此时电机的确切转速，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行PID调节。由于电机转速在不同的阶段所对应的比例增益系数、积分增益系数不相同，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、积分增益系数也不相同。为了达到理想的控制效果，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；其次通过实验对比例增益系数、积分增益不断做调整以确定不同阶段的相对应的最为合适的比例增益系数、积分增益系数；最后利用模糊集合理论，建立一个模糊规则库，实现参数的自整定。

  在 LabVIEW前面板或控制面板的tools菜单下面打开 fuzzy logic controller design子选项就可以方便的设计和修改模糊控制器的隶属函数、规则库、推理规则等。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 Fuzzy controller子程序用于在程序中实现模糊控制算法。Control下面的Loadfuzzy controller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。三者紧密相连环环相扣，能方便直观的完成模糊控制器的设计、编辑、加载。［page］

  虽然已经建立了初步的模型，并采用模糊PID进行调节，但为了进一步提升伺服系统的同步性，将两者的位置或速度差，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，对速度慢者提高电压设定值，实现对两台电机的同步控制。由于在转速较低的情况下，电机对对电压信号更为敏感，因而此时系数可设为的较小，高速时系数可设为的较大，但两种情况下均不能设的很大，否则会导致电机不稳定。

  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。

  （1）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）可以在一定程度上完成两台电机的实时速度同步运行，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能控制在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能控制在±6°以内。

  （4）可以在一定程度上完成单台电机预先转动给定角度后，另一台电机才开始转动，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°。

  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能轻松实现同步伺服系统的控制要求。利用这一些方法和理论能够继续向速度更低或更高的阶段发展，因而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的算法较为复杂、程序量较大且都是在操作系统（准确度只能达到毫秒级）的平台上运行，仅执行周期就接近10毫秒，因而我们的调节频率较低为20Hz，如果能设法提高调节频率，相信控制效果会有更进一步的改善。

  关键字：labview平台引用地址：基于labview平台和PID模拟控制器实现双电机同步控制系统的设计

  1 系统硬件设计 本系统为进一步研究利用 LabVIEW 测控系统和进行多传感器信息融合奠定了基础。在一段时间的实践应用后发现，系统性能好，免除了对多传感器信息采集过程中一些繁琐的工作，采集过程不再需要编写不同软件以适应不一样传感器的要求。本设计将LabVIW软件、多传感器、计算机结合，构建了一个空气流量检测系统，实现对多传感器信息的融合。系统包括被测对象、传感系统、信号调理电路、数据采集与处理系统，系统框图如图1所示。 1.1 被测对象 被测对象通过改变变频器的频率控制风机发出不同大小的风量通过流量传感器，模拟进入发动机的空气流量大小。 1.2 传感系统 传感系统最重要的包含温度传感

  下的多传感器空气流量测试设计 /

  多核处理器环境下的编程挑战 摩尔定律问世40余年来，人们业已看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度在提高，Intel微处理器的最高主频甚至超过了4G。虽然主频的提升某些特定的程度上提高了程序运行效率，但慢慢的变多的问题也随之出现，耗电、散热都成为阻碍设计的瓶颈所在，芯片成本也相应提高。当单独依靠提高主频已不能够实现性能的高效率时，双核乃至多核成为了提高性能的唯一出路。随着AMD率先打破摩尔定律、终结频率游戏后，Intel和AMD都开始慢慢地推出了基于双核、四核甚至八核的处理器，工程师们逐渐投入到基于多核处理器的新型应用开发中去时，大家开始发现，借助这些新的多核处理器，并在应用开发中利用并行编程技术，能轻松实现最佳的性能和最大的吞吐量，大

  有效优化多核处理器环境下的信号处理性能 /

  一、引言 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国国家仪器公司（National Instruments）推出一种基于图形语言的开发环境，编程十分便捷，人机交互界面直观友好，用户都能够创建独立的可执行文件，能够脱离开发环境而单独运行，是目前最流行的虚拟仪器编程平台，大范围的应用于测试测量、过程控制、实验室研究与自动化等方面。 在运动控制方面，LabVIEW有专门的运动控制模块，并且NI公司为其所有的运动控制卡配备相应的驱动程序，可以方便实现即插即用功能。若用户所使用的板卡不是NI公司的产品，又没提供与LabVIEW兼容的驱动程序，就不能为L

  上的应用 /

  应用领域：商用车CAN 总线B 规范的工业总线通讯、报文标识符和数据帧定义没形成统一的标准，参数定义 随意性很大。商用车CAN 总线通讯标准，遵循建立在CAN2.0B 基础上的SAE J1939 协议。报文标识 符ID，按照SAE 标准制定的车速、发动机转速、扭矩、温度、压力、燃油消耗量等参数的物理定 义，报文数据帧格式对应协议数据单元相应数据内容的封装。面临的挑战是将J1939 协议融会贯通 于CAN 总线通讯平台的设计之中。 应用方案：使用NI LabVIEW 软件开发平台和PXI 模块化仪器系统中的CAN 通讯模块，创建过滤 识别J1939 协议报

  开发 /

  应用领域： 控制与仿真 挑战：根据新一代底盘发展的新趋势搭建了四轮独立驱动及转向的新一代底盘实验平台，并对其控制算法及运动特性进行研究。 应用方案：使用National Instruments 公司的 LabVIEW 软件及 PXI 控制新一代电动车地盘运动状态及控制策略。 使用产品： LabVIEW 8.6 软件开发平台; PXI -1031 4 槽3U PXI 机箱; PXI -8106 双核2.16GHz 嵌入式实时控制器; PXI -6229 M 系列数据采集卡; PXI -8461 高速CAN 接口卡; CompactRIO-9853 高速CAN

  研发 /

  1、 引言 在果树的仿形喷雾过程中，喷药量的多少及喷雾距离是由运算处理设备（如计算机等）将数字控制信号进行D/A转换并控制喷嘴实现的。由于D/A转换后的信号无法直接驱动喷嘴等执行机构，必须对此信号进行功率放大。控制电压的频率在音频的范围内（20Hz～20kHz），能够使用常用的音频功率放大器。为了准确的进行仿形喷雾，有必要对所选用的音频放大器的输入/输出关系、饱和电压、信噪比、失真度等参数来测试。 进行比较完整的音频测试分析需要购置各种价格昂贵的专用仪器，如低失真音频信号源、频谱分析仪、示波器、失真度测量仪等，而且需要整合成整套的音频检测系统，这对于一般的实验室而言存在比较大的困难。此外，传统仪器不具备频率响应特性分析等图形界

  的功率放大器测试与分析系统的设计 /

  及其控制 (寇宝泉，程树康编著)

  设计指南 (埃利斯)

  用于白电等家电市场: 高性能开关电源 - 28V DC-DC同步降压转换器

  报名赢【养生壶、鼠标】等｜STM32 Summit全球在线大会邀您一起解读STM32方案

  有奖征文：邀一线汽车VCU/MCU开发工程师，分享开发经验、难题、成长之路等

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