致 谢 ...................................................................................................................59
中国矿业大学2012届本科生毕业设计（论文）
1 绪论
在现代社会中，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用，各种生产机械对拖动的电动机有不同的要求，如迅速起动、制动、反转或极慢的稳速运动等，直流电动机由于调速性能好、静差率小、运行效率高，在高性能的调速系统中被广泛应用。研究直流电机的PID自整定方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
1.1电机控制及PID发展历史
19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。
在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用十工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70%，成为用电量最多的电气设备。
根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。直流电机具有良好的起、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
20世纪60年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位。 随着电力电子技木、微电子技术及计算机技术的迅速发展，电气传动控制系统的组成结构经历了数次更新换代，其控制方式也已从最初的电子分立元件、小规模集成电路组件发展到了微机控制系统。微机控制系统在智能方面有了很大的发展。
PID的概念可以追溯到1922年，米罗斯基(N.Minorsky)详细分析了位置控制系统，根据PID的二个控制作用总结出了控制规律公式。PID调节器从产生到今天已经历经了近一个世纪，人们为它的发展和推广做出了巨大的努力和改善，使其成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。在微处理技术迅速发展之后，PID控制发展也融入新的活力，现在过程控制
1
中国矿业大学2012届本科生毕业设计（论文）
中大部分控制规律还是主要依靠PID控制。
1.2 研究的背景和意义
纵观电机工业的发展史，几乎每一次大的发展都是有理论方面的突破。但现在作为一些较成熟的现代交流系统，再提出具有划时代意义的理论不太容易。因此今后的发展，相当长一段时间内还会是将现有的各种控制理论加以结合，互相取长补短，或者将其它学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道路，以解决上述问题。近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基十专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因此许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究，并预言未来的十年将开创电力电子和运动控制的新纪元。比较成熟的是PID自整定控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等等优点。PID自整定已在交直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。近年来已有一些文献探讨将神经网络控制或专家系统引入异步电动机的直接转矩控制系统，相信不久的将来会获得实用性结果。
在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们口常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的PID自整定的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本文具有一定的扩展性，例如优化速度调节算法，提高转速稳定度和响应速度，增加语音播报转速功能，或将测得的转速上传至PC处理等。为直流电机控制方法提供了一定的现实意义。
1.3 PID控制器简介
1.3.1 PID自整定的现状
控制系统的性能概括起来用稳、准、快二个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个正常工作的系统，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看曲线应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它代表的是系统输出稳态值与期望值之差;快是指控制系统响应的灵
2
中国矿业大学2012届本科生毕业设计（论文）
敏性，通常用上升时间来定量描述。
PID应用之所以广泛、又长久不衰，是因为PID几乎解决了自动控制理论阐述的所有基本问题，即系统的稳定性、快速性和准确性。对PID的参数进行调节整定，可实现在系统稳定的前提下，提高系统的带载能力和抗扰能力。
1.3.2 PID控制器的基本原理
PID控制是基于对变量“过去现在”和“未来”信息估计的交叉控制算法。控制系统框图如图1-1所示，系统主要由被控对象和PID控制器两部分组成。
比例r(t)E(t)+积分++U(t)被控对象y(t)-微分 图1-1 PID控制系统框图
常规的PID一般为线性控制器，实际输出值和给定值会存在一个偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合来构成控制量，最后对被控对象进行控制，故称PID控制器。
当系统是连续控制时，PID控制器的输出u(t)与输入e(t)之间会存在比例、积分、微分的关系，用下式表示出来，
?1u(t)?kc?e(t)?Ti?t?e(t)dt?Td0de(t)??dt?
(1-1)
也可写成常见的传递函数形式:
U(s)?Kc(1?1Tis?Tds)E(s)
(1-2)
式中，e(t)=r(t)-y(t),Kc是比例增益,Ti是积分时间，Td是微分时间。
在计算机控制系统中，也普遍采用PID控制思想。此时，调节器的输出与
3
中国矿业大学2012届本科生毕业设计（论文）
输入之间的关系为:
?Tu(kT)?Kc?e(kT)?Ti?k?i?0??e(kT)?e(kT?T)??e(it)?T?Td
(1-3)
其中：Ti、Td分别为比例系数、积分时间常熟和微分时间常数；T为采样周期；k为采样信号。K=0,1,2，?；u(kt)为第k次采样输出值；e(kt)为第k次采样的输入偏差值；e(kt?T)为第（k-1）次采样的输入偏差值。
1.3.3 PID控制器参数对控制性能的影响
PID控制器各个参数对系统的动态和稳态性能起着不同的作用，这二个参数的取值优劣将直接影响PID控制系统的控制品质好坏。
1.比例作用
比例作用就是以比例形式来反应系统的偏差信号e(t)，以最快速度来产生控制作用，使偏差逐渐趋于减小。 (1)对动态特性的影响
比例控制参数kc加大，使系统的动作灵敏，速度加快,kc越大，振荡次数加多，调节时间也越长。当kc太大时，系统会趋十不稳定，若kc太小，又会使系统的动作缓慢。 (2)对稳态特性的影响
在系统稳定的情况下，比例系数kc增大，稳态误差ess就会减少，以此来提高控制精度，但是加大kc只是减少ess，却无法从本质上上消除稳态误差。
2.积分作用
引入积分作用，主要是为了在稳态状态下，满足被控量对设定值的无静差跟踪，对系统的性能影响主要表现如下: (1)对动态特性的影响
积分作用会引起系统的稳定性下降，Ti太小，系统将不稳定，Ti偏小到一定程度时，系统会出现振荡;Ti太大，对系统性能的影响力也会缩减，只有当Ti合适时，才能出现比较理想的过渡特性。 (2)对稳态特性的影响
积分作用能够降低系统稳态误差，同时也能提高系统的控制精度，不过，当Ti值太大时,积分作用将会变得非常弱，稳态误差ess.也不会紧随减弱了。
4