关键词：Lab windows/CVI;电网波动;数字PID;无刷直流电动机;仿真
speed control system simulation
LI Yadong, YANG Guanlu
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
无刷直流电动机去掉了普通直流电机的机械换向装置而改用电子换向,这使得它同时具有了直流电动机易于控制和异步电动机结构简单、成本低的优点,从而得到了广泛的应用。如何对它的转速进行最佳控制,仍然是目前探索的热点课题[2]。
Lab Windows/CVI是交互式C语言开发环境,它以ANSIC为核心,将功能强大、使用灵活的C语言与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发环境、交互式编程方法,函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能,为熟悉C语言的开发人员开发检测、数据采集、过程监控等系统提供了一个理想的软件开发环境[1]。
随着社会进步和技术发展, 电网负荷不断加重，电网污染日益严重，关于电网波动对负载影响的研究越发显示它的重要性。PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、可靠性高,因而被广泛应用于过程控制和运动控制中。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性,难以建立精确的数学模型,应用经典PID控制器难以达到理想的控制效果,这就需要对经典PID控制进行改进,对其进行有效的整定,本文基于Lab Windows/CVI的强大功能，来仿真电网波动对无刷直流电动机转速的影响，并采用扩充临界比例法进行整定的数字PID控制来减小这种影响。
1. 控制系统原理及系统框架
1.1 数字PID控制
PID控制是将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。积分器能消除静差，提高精度，但使系统的响应速度变慢、稳定性变差。微分器能增加稳定性，加快响应速度。比例为基本环节。三者合用，选择适当的参数，可实现稳定的控制。PID控制器结构简单，参数容易调整，不一定需要系统的确切数字模型，因此在工业中广泛应用。PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟PID控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将根据实验和经验在线调整参数，此可以根据实验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。
1.1.1 该PID控制器采用传统的增量式数字PID控制[3]：
（1）
式中，KP为比例放大倍数; KI为积分时间常数; KD为微分时间常数。
1.1.2 设可控硅整流模型采用
，采样周期取10ms即：
（in为电网电压输入） （2）
1.1.3 无刷直流电动机模型的建立[4]
一相导通三相三状态的无刷直流电动机的方程为:
（3）
电枢回路电压平衡方程式：
（4）
式中： Lα为相绕组电感, Rα为相绕组电阻, lv为电动势常数, ω是转子旋转的角速度。
力矩平衡方程式：
（5）
式中: Tem为电磁转矩, T1为负载转矩, B为阻尼系数, J为转动惯量, k1为转矩常数。
由以上等式可得到无刷直流电机的状态空间
（6）
1.1.4 软件整体流程图大致如图1：
图1 整体流程图
1.2 数字PID的整定法选择
对PID参数的整定一般采用试凑法、经验数据法或者工程整定法。工程整定法主要有扩充临界比例法，扩充响应曲线法，归一参数整定法等方法。本系统使用扩充临界比例法。扩充临界比例法适用于有自平衡性的被控对象，整定步骤如下：
（1）首先，将调节器选为纯比例调节器，形成闭环，从小到大改变比例系数KP，使系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态（稳定边缘），将这时的比例系数记为Kγ，临界振荡的周期记为Tγ。Kγ与Tγ的选取，可应用Lab Windows/CVI虚拟仪器编程实现。
（2）根据齐格勒—尼柯尔斯（Ziegle-Nichols）提供的经验公式[5]（图2所示），就可由这两个基准参数得到PID调节器参数。
图2 经验公式
编程得到Kγ、Tγ的软件流程图（图3所示）。
图3 PID整定的软件流程图
1.3系统框图
整个直流电动机转速控制仿真系统控制框图如图4所示，主要部分由数字PID控制来完成。
图4 控制框图
我们知道，直流电机的输入电压由电网输入的交流电和可控硅相控的触发角决定。根据这个原理，当电网波动时，数字PID的输出控制可控硅的相控电路，使得直流电机的转速稳定在额定转速。但根据这个原理，若交流电压过低，可能就带动不了电机到额定转速，故本系统采用PID输出与整流电压之和作为电机的输入，这样也可以达到控制电机的目的。
2 软件功能简介
本软件的主界面如图5所示，根据功能可划分为波形显示区、波形处理区、控制区。
（1）波形显示区。由波形显示屏幕以及转速表组成，可观察到直流电机的转速变化,从图中可以看出红色的转速变化曲线。
（2）波形处理区。利用Lab Windows/CVI的处理功能，对所获得的输出波形进行处理。具有缩放、平移、图形打印以及波形的保存功能;在该区还可以显示超调量与调整时间两项重要指标，以此为依据有利于对实验结果进行检验。若要连接数据库服务器可点击该区的“网络参数”设置按钮。
（3）控制区。所有的控制功能以及控制参数均由控制区输入。本系统采用PID控制，KP、KI、KD参数以及预期转速可由控制区输入;启动电机、停止电机的操作也在控制区。
图5 软件的主界面
3 本软件的操作
本系统包含三个软件：测试电网（GRID.exe）、直流电机控制（直流电机控制.exe）与测试数据库（DB.exe）。测试电网模拟从电网输入市电，测试数据库模拟数据库服务器端接收电机的参数。
操作时，按顺序打开DB.exe，直流电机控制.exe，GRID.exe。若后两者显示“连接服务器失败”，可依次改变其界面上的IP地址为DB.exe及直流电机控制.exe所在的电脑的IP，并人工进行连接。所有的控制操作均位于图5的控制区。“启动电机”将模拟电机在图示的KP、KI、KD参数下工作;“停止电机”将使电机停止转动;“电机参数”可修改电机的参数，并可将其转换为传递函数形式;“网络参数”可查看网络的连接状态并手工进行服务器的建立与连接数据库服务器;“PID参数整定”可针对电机模型进行扩充临界比例法的工程整定，得到较为合适的 KP、KI、KD参数;“关闭仪器”将关闭这个软件。
此外，软件还有部分人性化的操作，如菜单、右击软件界面或者图形显示区弹出的弹出窗口、图形保存、图形打印以及图形缩放。
4 结论
综上所述,虚拟仪器是传统电子仪器与计算机技术的有机结合，它有着传统仪器无法比拟的优点。本文采用Lab windows/CVI设计了无刷直流电动机转速控制仿真系统软件。该系统对于电力系统仿真，电网参数的计算都有参考作用。它能够实现接收电网发送过来的电压，经数字PID处理后，将转速、电压、电流参数由网络发送到数据库服务器端，这些将被保存在数据库中，并以此为依据选择合适的控制参数。通过调试，无刷直流电动机转速控制仿真可以正常运行，且扩充临界比例法可以使PID参数的整定时间大大优化。
本文成功实现了CVI编程与数字PID控制的结合，并利用CVI编程来仿真电网波动对无刷直流电动机转速的影响，并找到一种有效的PID参数整定方法，其结果对电力系统的仿真与电网参数的计算均具有参考作用。
参考文献
[1]宋宇峰等编著 Lab Windows/CVI逐步深入与开发实例[M] 北京:机械工业出版社,2003
[2]张继祖. 基于DSP和自抗扰控制器的无刷直流电动机转速控制[J].西安理工大学硕士学位论文,2007.3
[3]何克忠,李伟. 计算机控制系统[M] 北京:清华大学出版社,1998
[4]宋受俊，刘景林. 无刷直流电动机建模及其现代调速方法的仿真[J].微特电机2004，09：21-24
[5]陈传硕，田丽华. PID控制参数的整定方法[J].长春邮电学院学报，1994，Vol.12 No.1
作者简介：李亚东（1982-），男（汉族），河南人，华侨大学信息学院06级研究生，电工理论与新技术专业，主要研究感应加热电源和虚拟仪器。
