A c a d e mic P a p e r s l 圈吸 圈圜 增量式 P I D规律在电机软启动控制中的应用 Ap p l i c a t i o n o f I n c r e a s i n g P I D Co n t r o l l i n g M e t h o d i n t h e Co n t r o l o f M o t o r S o f t S t a r t 张 晓 王晓宇 郭 涛 钟瑞艳 山 东大学控制科 学与工程 学院 济 南 2 5 0 0 6 1 摘 要 阐述了增量式 P I D控制算法和电机软启动基本原理 结合增量式 P I D的控制优势 简述了其在电机软 启动过程控制中的应用 实践表明 增量式 P I D的应用 简化了控制思路 改善了电流环控制性能 限制了启动电流 平滑了启动转速 取得了良好的电机启动效果 关键词 增量式 P I D 电机 软启动 启动电流 Abs t r a c t Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e c o n t r o l l i n g a r i t h me t i c o f I n c r e a s i n g PI D a n d t h e b a s i c p r i n c i pl e o f mo t o r s o f t s t a r t W i t h t h e v i r t u e o f I n c r e a s i n g PI D I t t e l l s t h e a p p l i c a t i o n o f I n c r e a s i n g PI D c o n t r o l l i n g me t h o d i n t h e c o n t r o l o f mo t o r S o ft S t a rt T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s p r o v e t ha t the a p p l i c a t i o n o f I n c r e a s i n g P I D s i mp l i fie s the c o n t r o l l i n g i d e a i mp r o v e s t h e c a p a b i l i t y o f c u r r e n t l o o p l i mi t s t h e s t a r t i n g c u r r e n t s mo o t h e s t h e s t a r t i n g s p e e d g e t s a f a v o r a b l e s t a rti n g e ff e c t Ke y wo r d I n c r e a s i n g PI D mo t o r s o ft s t a r t s t a r t i ng C H rre n t 0引 言 三相交流异步 电机 是一 个多变量 强耦 合 非线性 的复杂 受控对象 难以建立其精确 的数学模 型 同时 电机 启动过程 中 的许多参数无法进行准确测量 这就使它 的启 动控 制变 得较为 复杂困难 往往需依靠经验进行调试 P I D控 制规律作 为工业控 制过 程中技术最成熟 应用最 广 泛的一种 控制技 术 具有结 构简单 调节方便 稳定性好 等 优 点 在工业 生产过程 自动控制领 域获得 了广泛 的应用 在交 直 流电机等控制场合 则具有 良好 的灵活性和适用 性 并取得 了 令人满意的控制效果 本文主要结合增量 式 P I D控制原 理来 阐 述其在 电机软启动控制 中的应用 l 增量式 P m 控制规律 P I D控 制规 律就是 对偏差 的 比例 P 积 分 I 和微 分 D 进行控制 简称 P I D控制 P I D控制根据不 同的应用 场合有多 种实现方法 如位置式和增量式等 在许多特殊要求的场合还 作者 简介 张晓 王 晓 宇 郭 涛 钟 瑞艳 有许多改进算法 增量式 P I D建立在对位置式 P I D进行改进的基础之上 它 克服了位置式 P I D对所有过去状态的依赖 降低 了因单 片机故 障导致 P I D误输出给系统带来严重后果 的影响 P I D控 制回路见 图 1 图中y t 为被控 变量 是 的设 定值 e t 为调 节器输入偏差 u t 为 P I D控 制输 出 图 1 P I D控制 由此 可得到 P I D控制算式 u e 1 e t 71D tt l 式 中 K 为比例系数 T I 为积分时 间常数 7 1D 为微分时 间常数 e t R y 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 为现 代 运 动 控 制 系统 教 授 硕 士 研 究 生 硕 士 研 究 生 8 机电一体化 5 7 豳圜嘲l A c a d e m ic P a p e r s 单片机微控 制器利用采样 的方式对过 程进 行巡 回检 测和 控制 因而要对 P I D算法进行离散化处理 离散化时 令 t k T e j o d e f 一e k T 一 e 7 1 一 e d 一 r 式中 r为采样周期 k为采样 序号 k 0 1 2 则离散 P I D算式 为 e j e u e 一 输出增 量之差 u Ic 一 u k T T 呵 1 K p e Jj 1 e k T A e f L l J 所以最终结果 A u k T K P e k T e 7 1 j 1 e k T KD e k T 2 e 一 7 1 e k T 2 T u k T u k T T A u k T 式中 K r 为 比 例 系 数 K I K r 鲁为 积 分 系 数 K D 争为 微 分 系数 增量式 P I D有如下控制优势 每次输出只输出控制增 量 机器故障时影响范围小 必要时可通过逻辑判断 限制活禁 止故障时的输出 因而不会严重影响系统的工况 手动一 自动 切换时冲击小 算式中不需要累加 控制增量的确定仅与最 近几次采样值有关 较容易通过加权处理 以获得 比较好的控制 效果 2电机软启动器简介 2 1 软 启动 器原 理 电机软启 动器是基于 晶闸管的三相交 流调压原理 见图 2 三相交流 电源 分别接在 3 个反并联晶闸管模块上 晶闸管模块的输出端接 三相交流异步电机 每个 晶闸管模块都 有两个 晶闸管反并联连接而成 用 于完成 1 个周期 内正负半波 的调压 通过改变晶闸管的触发角 d来改变互相输 出交流 电压 的有效值 从而实现晶 闸管模块输 出端的 电压 可调 这就是晶 闸管三相交流调压原理 软启动器 的控制 电路 由 I n t e l 8 0 C 1 9 6 MC控制器 同步检 测 脉 冲触发 电流反馈 控制输入 和状态输 出 6个 部分组成 I n t e l 8 0 C 1 9 6 MC是控制核心 用来完成各种 复杂 的算 法和控制 流程 并对 系统 的突发 故障进行及时调整 保护 维持系统 的正 常稳定运行 晶闸管的触 发要严格保持其触发脉冲和 电源 电压 的同步 否则无 法实现调压控制 因此 同步电路和晶 闸管 脉冲 触发 电路必不可少 在 电机启 动过程 中 要对启动电流进行实 5 8 机电一体化 2 时采样 送 入单片机 中进行各种运算 处理 这是 由电流反 馈检 测 电路实现的 此外 软启动器需要有各种控制输入信号和系 统实时状态输出信号 如键 盘操作 L C D显示参数 报警指示 等 这 些功 能都 是通 过控 制输 入 电路和 状态输 出 电路来 实 现 的 图 2电机软启动器模块原理图 2 2限 流 启 动 方 式 电机 软启 动器有多种启动方式 能够满 足不 同行业不 同场 合对电机启动的要求 一般 常用 的有 4种启动方式 斜坡电压 启动方式 限流软启 动方式 转 矩控 制启动和转 矩加突跳启 动 方式 为了防止电机启动过程 中的电流冲击 给周 围设备和电网 带来不利影响 限制启动电流在一定 范围内就成 为软启动器所 必须 达 到的 目标 限流 启 动方式 就是 这个 方面 的一 个典 型 应用 限流启动方式原理见 图 3 电机上 电初始 启动 电流 以很 快的速度 上升到 电流设 定值 一般为 1 4 然后 在相应调节 规律下不断修正 晶闸管触发角 使得启 动电流恒定 在设 定值 保持不变 直至 电流下降到额定 电流 电机转 速平滑上升 到额 定转速 限流启动过程结束 2 3电流检 测 电路 要实现限流 就必须对 电机启 动过程 中的电流进行实时采 集 将 每一瞬间 的电流值 送人主控制器 中 经 过相应计算后对 晶闸管 的触发 角作 出即时调整 因而 电流检 测采集 电路是软 启动器设计 中非常重要的一环 它 的好坏直 接决定 了限流 的成 功与否 本设计 中我们采用下面 的检测 电路来完成 电流采集 见 图 4 主电路中的 3个 电流互感器对 电流进行实 时采样 其三相 A 用 2 棚 1 图 3限流起动方式 图 4电流 检 测 电路 交流输出信号 经过二极管整流 电容滤波 电阻分压 后成为一直 流电压信号 再经过一个电压跟随器送入主控制器 8 0 C1 9 6 MC的 A D 口中 进行 A D转换 得到我们 需要 的 电流 值 因单 片机 A D口工作 电压为 5 V 在硬件设计 中加入 了二 极管 限幅环节 以确保其安全 3 P I D在限流启动中的应 用 三相交 流异步 电机 的数 学模型难 以用精 确的数学 公式来 描述 设计 中要做到在 限流 的前提下 实现 电机转速 电压和启 动电流彼此协 调控制 电机不 同启动方式 和不 同应用场 合对参 数的要求有很 大差别 这就要求所选择 的控制规律需具 有较好 的适时性 和通用性 因此我们采用数字 P l 调节控制来实现 它 将比例调节 的快速性和积分调节 消除静差 的作用结 合起 来 改 善了系统 的动静态性 能 其参数 相对独 立 调节 整定方 便 计算工作量相对较小 容易实现多 回路控制 也为系统处理 其他复杂任务预留了空间 由上面的公式可 以得 出数字 P I 规律 的计算公式 A u k T K p e 七 e k T u k T u k T T A u k T 下面是限流起动方式中关于 P I 调节 的一 段子程序 实验 结果说 明 P I 调节规律 很好地实 现了限流控制 取得 了令 人满 意的控制效果 一 定义 P I D结构体 S t r u c t P I D fl o a t P 比例系数 丑 o a t j 积分系数 A c a d e mic P a p e r s l 暖啜唧 f l o a t s e t p o i n t 初始设定值 fl o a t d e a d b a n d 死 区 fl o a t v k 采样值 fl o a t v k 1 上次采样值 u n s i g n e d i n t u k P I D结果 u n s i g n e d i n t u k 1 廊 一计算结果 l p i d P I D初始化 v o i d p i d i n i t v o i d p i d p p v a l u e 赋值 p i d i i va l u e p i d s e t po i nt c u r r en t v a l ue p i d d e a d b a n d i d e a d t i me p i d y k l 0 p i d u k a n g l e l p i d u k 一1 a n g l e 2 P I D计算 v o i d p i d s t a r t v o i d fl o a t e k e k 一1 e u k p i d y k a d e u r r e nt e k