直流电机PI控制器参数设计
基于模糊优化的PID直流无刷电机控制
基于模糊优化的PID直流无刷电机控制摘要：PID直流无刷电机与其他电机不同，具备小体积、高效率、性能佳、结构简易等特性，在汽车、航天、机械等领域较为常规件，为发挥其作用价值，应以模糊优化为基础对其进行控制。
本文在综述无刷直流电机和模糊优化的基础上，继而直接提出基于模糊优化，PID直流无刷电机的仿真设计，最后指明几点控制策略，以供参考。
关键词：模糊优化；PID直流无刷电机；控制要点引言：随着电子电气技术的不断发展和稀土等永磁材料的广泛应用，无刷直流电机控制已成为近年来的研究热点之一。
无刷直流电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统。
传统PID控制策略的参数不能根据不同的电机环境而改变，这使得PID控制器不能提供良好的控制性能。
PID控制器的性能完全取决于对其增益参数的调节，随时代发展，人们提出运用人工智能控制PID控制器。
模糊PID控制是模糊控制和PID控制的有效结合。
PID控制参数可在线设置，提高控制精度，达到更好的控制效果。
一、直流无刷电机与模糊优化的概述(1)无刷直流电机具有体积小、转矩大、效率高、节能环保、使用寿命长等优点，广泛应用于工业设备、医疗设备和新型工业设备。
无刷直流电机的速度控制系统通常采用传统的PID控制，传统的PID控制器对参数非常敏感。
只有当控制器参数适合受控系统时，才能实现最佳性能。
无刷直流电机是一个多变量非线性系统。
如果系统状态发生变化，传统PID调速系统中的PID设置也会发生变化。
因此，传统PID控制器动态性能差，可能导致电机速度响应慢，控制精度低，难以保证良好的调速效果。
(2)模糊控制的概念最早由L.A提出，国际合作良好。
该算法是一种基于模糊集理论、模糊语言变量理论和模糊逻辑思想的智能控制算法。
模糊控制不需要精确的数学模型，可以方便有效地解决系统的非线性问题，从而提高控制系统的稳定性和灵活性，具有良好的控制效果。
基于无刷直流电机控制系统，提出一种在MATLAB-Simulink环境下的模糊PID控制方案，以替代传统的PID控制器[1]。
基于PI和预测控制的电机电流环设计
基于PI和预测控制的电机电流环设计一、引言电机电流环控制是电机控制系统中的关键环节之一、传统的电机电流环控制方法主要有比例控制和PID控制。
然而，这些方法不能针对电机的非线性、时变特性进行控制，容易导致系统的性能下降。
为了克服这些问题，基于预测控制的电机电流环控制方法逐渐被研究和应用。
本文将探讨基于PI和预测控制的电机电流环设计。
PI控制方法是目前应用最广泛的控制算法之一、其基本原理是根据系统当前状态和误差信号，通过比例和积分两个参数对输出信号进行调节。
在电机电流环中，PI控制主要用于改善电机电流的跟踪性能。
1.系统建模首先需要建立电机电流环的数学模型，可以采用电压模型或电流模型进行建模。
对于直流电机而言，可以使用基本的电机电流控制方程进行建模，如下所示：ua(t) = Ra * ia(t) + L * da(t)/dt + Vb(t)其中，ua(t)为电机的电压信号，Ra为电机的电阻，ia(t)为电机的电流信号，L为电机的感应电感，da(t)/dt为电机的电流变化率，Vb(t)为电机的电压源。
2.控制算法设计基于PI控制的电机电流环设计过程中，首先需要确定PI控制的比例和积分参数Kp和Ki。
Kp参数主要用于实现误差的快速补偿，Ki参数主要用于消除误差的累积。
为了实现最佳控制性能，可以使用试探法或者优化算法确定最佳参数值。
3.控制器实现确定了Kp和Ki参数后，需要将其实现为控制器的形式。
可以使用硬件电路或者软件程序实现PI控制器。
在实现过程中，需要考虑采样周期和系统输出的离散化处理，以确保控制器的稳定性和实时性。
4.性能评估在完成控制器的实现后，需要对其进行性能评估和测试。
可以通过仿真或实验的方式验证控制器的跟踪性能、稳定性和鲁棒性等指标。
基于预测控制的电机电流环设计是一种高级的控制方法，可以克服传统控制方法的非线性和时变特性。
预测控制主要是通过预测电机未来的状态和输出值，基于预测结果进行控制。
无刷直流电机PI控制系统的设计及分析
无刷直流电机PI控制系统的设计及分析杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【摘要】Traditional software controllers have such problems as slow running speed, low precision, poor immunity from interference, and high cost. A PI control system of BLDCM is presented based on complex programmable logic device to solve these problems. This system is composed of all hardware and adopts trapezoidal commutation control strategy. It has advantages of high response speed and strong immunity from interference. At the same time, the effect of different PWM modulation modes on armature current and electromagnetic torque of brushless current motor is analyzed, and the H-PWN—L-PWM modulation mode is selected to achieve the desired control effect. Finally, an experimental platform is built. The driver reaches stable state after 25.6 ms at the set speed of 2500 r/min. The results show that the system has good dynamic response performance.%针对传统软件控制方式运行速度慢、精度低、抗干扰能力差、成本高等问题,设计一种以复杂可编程逻辑器件(CPLD,complex programmable logic device)为核心的无刷直流电机PI控制系统.系统采用全硬件电路设计和梯形换向控制的策略,具有高响应速度和抗干扰能力.同时,分析不同脉冲宽度调制(PWM,pulse width modulation)方式对无刷直流电机续流回路和电磁转矩的影响,选取H-PWN—L-PWM的调制方式以达到理想的控制效果.最后搭建实验平台,控制系统在设定转速为2 500 r/min的情况下,经过25.6 ms到达稳定状态,结果表明该系统具有良好的动态响应性能.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2019(033)001【总页数】7页(P81-87)【关键词】无刷直流电机;可编程逻辑器件;PI控制系统;梯形换向控制;脉冲宽度调制【作者】杨林;刘曰涛;沈宝民;仲伟正【作者单位】山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049;山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言无刷直流电机具有质量轻、体积小、扭矩大、寿命长等优点,在工业控制、医疗器械、家用电器等领域有广阔的应用前景[1]。
PID控制PWM调节直流电机速度
模板本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的应用，纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID 控制技术对直流电机转速的控制。
其设计思路为：以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。
同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。
在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。
因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。
软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。
本次设计系统的主要特点：（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；（4）128×64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；（5）利用Proteus软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，避免不必要的损失；（6）采用数字PID 算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点； （7）系统性能指标：超调量≤8％；调节时间≤4s ；转速误差≤±1r/min 。
1 PID 算法及PWM 控制技术简介PID 算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。
直流电机调速PI参数设计
将不同组的PI参数分别应用到仿真模型中，进行仿真实验，记录电 机的转速、转矩、电流等关键性能指标。
性能指标对比
将不同PI参数下的性能指标进行对比分析，包括稳态误差、超调量 、调节时间等。
结果分析与讨论
结果展示
将仿真实验结果以图表 形式展示，包括转速曲 线、转矩曲线、电流曲 线等。
结果分析
02 03
积分控制（I控制）
对转速误差进行积分，并根据积分结果调整控制量，以消 除静差。积分控制能够提高系统的无差度，但可能降低系 统的稳定性。
PIቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制
结合比例控制和积分控制，既能够快速响应误差变化，又 能够消除静差，提高系统的控制精度和稳定性。在直流电 机调速中，PI控制器通常用于构成转速闭环控制系统，实 现对电机转速的精确控制。
根据性能指标对比结果 ，分析不同PI参数对电 机性能的影响规律，找 出性能较优的PI参数组 合。
讨论与改进
针对实验结果中存在的 问题和不足，进行讨论 并提出改进措施，如优 化PI参数设计方法、改 进控制策略等。
05
实验验证与实际应用
实验平台搭建及测试方法
实验平台搭建
采用基于微控制器的直流电机驱动系统，包括电源、电机、驱动器、控制器等 组成部分。
03
通过对比实验，验证了所提出 的PI参数设计方法在直流电机 调速系统中的优越性和实用性 。
未来研究方向展望
01
进一步研究直流电机调速系统的动态性能和稳定性，以提高系统的控 制精度和响应速度。
02
探索更加先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，在直流电 机调速系统中的应用。
03
研究直流电机调速系统的多目标优化问题，如同时考虑系统的动态性 能、稳态性能和鲁棒性等。
直流电机PI控制器稳态误差分析
直流电机PI控制器稳态误差分析直流电机是一种常见的电动机类型，广泛应用于各个领域。
在控制直流电机运动过程中，PI控制器常用于控制其转速或位置。
在设计PI控制器时，稳态误差是一个重要的性能指标。
本文将对直流电机PI控制器稳态误差进行分析，并介绍如何通过调整PI控制器参数来减小稳态误差。
首先，我们需要了解什么是稳态误差。
稳态误差是指在控制系统达到稳定状态时，输出信号与期望信号之间的差异。
对于直流电机控制，稳态误差通常用来衡量电机的速度或位置达到设定值时的偏差。
1.积分动作的作用不足。
PI控制器通过积分动作来消除稳态误差，但如果积分时间过长或增益过小，积分动作可能无法完全消除误差。
2.系统本身的特性。
直流电机控制系统的稳态误差还受到电机动力学特性的影响，例如电机的阻尼特性和惯性特性等。
对于直流电机的速度控制，我们可以将系统的传递函数表示为：G(s)=K/(s(Ts+1))其中，K是系统的增益，T是系统的时延。
对于PI控制器，传递函数可以表示为：C(s)=Kp+Ki/s其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益。
为了分析PI控制器的稳态误差，我们可以采用闭环传递函数的方式。
将直流电机的传递函数G(s)与PI控制器的传递函数C(s)相乘，得到闭环传递函数：T(s)=G(s)C(s)=(Kp+Ki/s)(K/(s(Ts+1)))通过计算T(s)的极点和零点，可以得到闭环系统的稳态误差特性。
对于速度控制系统而言，我们通常关注的是零频率处的稳态误差。
T(0)=(Kp+Ki/0)(K/(0(T0+1)))=Kp/K由上式可知，速度控制系统的稳态误差与比例增益Kp有关，而与积分增益Ki无关。
这意味着通过增大比例增益Kp，可以有效减小稳态误差。
但是，过大的比例增益Kp可能导致系统不稳定，因此在实际应用中需要进行适当的选择。
一种常用的方法是根据系统的响应特性进行调整。
当然，在实际控制过程中，我们还需要考虑到系统的动态特性。
如果系统的响应速度过慢，可能会导致误差积累较大。
永磁无刷直流电机控制系统设计
永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立：建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。
永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性，常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。
简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础，通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。
这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。
电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量，用微分方程的形式描述电机的动态特性。
这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。
2.控制器设计：经典的控制方法包括比例积分控制器（PI）和比例积分微分控制器（PID）。
比例积分控制器是最简单的控制器，通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。
这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。
比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项，通过调节微分时间来控制系统的阻尼比，提高系统的稳定性和动态响应。
3.参数调节：在控制器设计中，参数调节和整定是非常重要的环节，主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数，并进行优化。
参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。
其中，试探法和经验法是相对简单的方法，通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。
优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行，通过优化目标函数和约束条件，得到最合适的控制器参数。
总结起来，永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。
在设计过程中，需要根据系统的要求选择合适的控制器，通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。
直流无刷电机转速控制
一、 直流无刷电机转速控制1. 模拟PID 控制1.1 模拟PID 控制原理在模拟控制系统中，最常用的控制器就是模拟PID 控制器。
以下图所示直流电机控制系统为例，说明PID 控制器控制电机转速的原理。
图中)(0t n 为转速设定值，)(t n 为转速反馈值，)()()(0t n t n t e -=为偏差信号，偏差信号通过PID 控制器后产生控制作用作用于直流电机从而控制电机转速到设定值。
常见的模拟PID 控制系统如下图所示。
PID 控制器由比例、积分、微分的线性组合构成。
控制规律如下：])()(1)([)(0⎰++=td i p dtt de T d e T t e K t u ττ *其中： p K ——控制器的比例系数 i T ——控制器的积分系数d T ——控制器的微分系数1) 比例部分比例部分的数学表达式：)(t e K p 。
比例部分的作用是对偏差信号做出快速反应，一旦控制器检测到偏差，比例部分就能迅速产生控制作用，且偏差越大，控制作用越强。
但仅存在比例控制的系统存在稳态偏差。
比例系数越大，响应越快，过渡越快，稳态偏差也越小，但系统也越不稳定，因此比例系数必须选择恰当。
2) 积分部分积分部分的数学表达式：⎰tip d e T K 0)(ττ。
从积分部分表达式可以看出，只要系统输出与设定值存在偏差，积分作用就会不断增加，知道偏差为零，因此积分部分可以消除稳态偏差。
但积分作用会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。
积分常数越小，积分作用越强，过渡过程容易产生震荡，但回复时间减小；积分常数越大，积分作用越弱，过渡过程不产生震荡，但回复时间增长。
因此应根据具体情况选取积分常数。
3) 微分部分微分部分的数学表达式： dtt de T K dp )(。
微分作用能阻值偏差的变化。
它根据偏差的变化趋势进行控制。
偏差变化越快，微分作用越强，能在偏差变化之前就行控制。
微分作用的引入有助于减小超调量，克服振荡；但微分作用对噪声很敏感，导致系统的错误响应，使系统不稳定。
直流电机双闭环PID调速系统仿真设计
目录直流电机双闭环PID调速系统仿真 (1)1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及工作原理 (2)2 双闭环调速系统的动态数学模型 (2)3 调节器的设计 (4)3.1 电流调节器的设计 (4)3.2 转速调节器的设计 (6)4 搭建模型 (8)5 参数计算 (10)5.1 参数的直接计算 (10)5仿真具体参数 (13)6 仿真结果 (13)7 结束语 (14)8 参考文献 (16)直流电机双闭环PID调速系统仿真摘要在工程的应用中，直流电动机的占有很大的比例，同时对于直流系统的调速要求日益增长。
在直流调速系统中比较成熟并且比较广泛的是双闭环调速系统，本文对于直流双闭环的PID调速系统作简要的设计，同时利用Matlab/Simulink 仿真软件进行仿真处理。
关键词: 直流双闭环 PID调速在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频率的无级快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。
在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求，在应用广泛地双闭环直流调速系统中，PID控制已经得到了比较成熟的应用。
Matlab是目前国际上流行的一种仿真工具，它具有强大的矩阵分析运算和编程功能，建模仿真可视化功能Simulink是Matlab五大公用功能之一，他是实现动态系统仿真建模的一个集成环境，具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点，可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。
Simulink提供了丰富的模型库供系统仿真使用，它的仿真工具箱可用来解决某些特定类型的问题，也包括含有专门用于电力电子与电气传动学科仿真研究的电气系统模型库。
此外，用户可根据自己的需要开发并封装模型以扩充现有的模型库。
pi环路控制器参数设计
pi环路控制器参数设计
设计PI（比例-积分）环路控制器参数涉及选择适当的比例增益和积分时间。
通常，您可以按照以下步骤进行设计：
系统模型分析：了解被控对象的动态特性，获取其传递函数或模型。
这可以通过实验或数学建模获得。
确定性能要求：确定您的系统对于稳态误差、响应时间和阻尼比等方面的性能要求。
比例增益选择：选择比例增益，通常可以通过试错法或使用经验法则（Ziegler-Nichols法则等）进行。
确保增益足够大以快速响应，但避免引起系统不稳定。
积分时间选择：选择积分时间，以确保系统对于长期误差具有足够的抑制力。
开始时，可以将积分时间设为零，逐步增加以观察系统响应。
调整：在实际系统上进行调试，观察并调整控制器参数以满足性能要求。
使用模拟工具或试验台可以帮助优化参数。
稳定性分析：对系统进行稳定性分析，确保所选的控制器参数不引起不稳定振荡或其他问题。
请注意，每个系统都是独特的，因此可能需要进行多次调整和测试以找到最佳的PI控制器参数。
基于Matlab的直流无刷电机IP控制的设计与仿真
0.643
-0.512
处理方法以满足更多的数据处理需求，将是下一步
0.352
-0.309
-0.317
0.339
0.477
发提高了实验的工作效率，促进了实验室的发展，
两相绕组工作。
(
)
JLs + J ( R s + G c ( s ) β ) s + 1.5K t α + G c ( s ) K p s + 1.5K t G c ( s ) K p
3
2
（2）
相 对 于 PI 控 制 策 略 的 无 刷 直 流 电 机 调 速 系
统，IP 控制策略的闭环传递函数具有相同的特征方
真结果表明该系统速度环的抗干扰能力提高了。
2
83
舰 船 电 子 工 程
无刷直流电动机控制
节器的速度环控制系统，如图 3 所示。电流环作为
普通的无刷直流电机采用三相电压型逆变器
为，β(s) 为电流环反馈回路传递函数。
速度环的内环，其中 G c (s) 为控制器传递函数表示
供电，其定子绕组为星型接法，如图 1 所示，其中
响应能力增强。根据幅频响应曲线可知增大 IP 控
制器比例增益可以提高系统响应带宽，而稳定裕度
变换很小，保留了原系统的鲁棒性。
5
结语
［5］黎永华，皮佑国. 基于磁定位原理的永磁同步电机转子
初始位置定位研究［J］. 电气传动，2010，40（3）：28-31.
［6］陆华才，徐月同，杨伟民，等. 表面式永磁直线同步电机
loop，and the motor can obtain the speed response without overshoot，and has strong anti-disturbance ability. The simulation results
直流电机PI控制器参数设计
摘要自动控制理论经过数十年的完善和发展，并伴随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，如今已经形成了比较成熟完备的理论体系，并且在许多行业与领域有着广泛的应用。
本次课程设计所运用的直流电机的PI控制就是其一方面的应用，设计过程中结合设计要求分析PI控制系统对单位阶跃和单位斜坡输入的响应，计算其动态性能和跟踪性能。
完成上述分析与计算需要借助功能强大的数学计算软件MATLAE,精确模拟系统的响应。
可见，要完成本次课程设计不仅要掌握自动控制原理的基本知识，还要有熟练运用MATLAB^件的能力，因此在做设计之前要做好充分的准备，查找充分的资料，才能全面的、准确的完成课程设计。
关键词：PI控制MATLAB直流电机PI 控制器参数设计1. 系统结构分析系统组成为比例环节、比例积分环节、惯性环节和单位负反馈，在比例环节和 惯性环节之间加入了扰动信号比较点。
其中，比例环节与惯性环节是该系统的可 变部分。
扰动信号输入时要经过一个比例环节。
WR Y图1-1直流电机PI 控制结构图2. 设计原理对于系统的结构图，R和W都是施加于系统的外作用。
R是输入信号，W是扰动信号，丫是系统的输出信号。
为了研究输入信号R对系统的输出信号丫的影响，需要求有输入作用下的闭环传递函数丫/R。
在W=0的条件下，求得输入信号下闭环传递函数丫/R。
3. 数学模型3.1PI模型建立t由设计要求：PI表达式为：v a= (k p e - k| edt)，其中e=r-ysK 亠K故做拉氏变换可得D的表达式：D = K p+0二」一-s s3.2以R为输入的直流电机控制系统微分方程图3-1 W=0时的系统结构图当W=C时，以R为输入的控制系统如上图3-1所示，有开环传递函数：严…_600(K P+ KJ右⑷叫・)=—TTeo—*同时，当W=0时，以R为输入的控制系统闭环传递函数：忌『、丫⑴600K * s + SOOKj<P ( s ) — ____ —________ £__________ I ___ tR g s2+(60 + 600K p)s + 600K t闭环函数可化为：[s2-(60 4- 600K)s + 600KJ Y/s：l= (600K p* s + 600KP R ,s 由上面所求等式、传递函数与微分方程的相同性，用d/dt替换s，可以得到系统的微分方程：d2y (t) f、dy(t)——-——+(60+ 600K +600K. *y(t)dt k x dtdr (t)=600K r-------------- +600K. * r (t)卩dt3.3W到Y的传递函数控制系统除了承受输入信号作用外，还经常处于各种扰动下。
直流电机pi调节原理
直流电机pi调节原理直流电机是一种常见的电动机，广泛应用于工业生产和家庭电器等领域。
而PI调节是一种常用的控制算法，被广泛应用于直流电机的速度和位置控制中。
PI调节是一种比例-积分控制器，其原理是根据偏差信号来调整输出信号，以实现对系统的控制。
在直流电机控制中，PI调节器通常用于调节电机的转速或位置，使其达到期望的目标。
在直流电机控制中，PI调节器的输入是偏差信号，即期望值与实际值之间的差异。
通过比例控制和积分控制来调整输出信号，进而实现对电机的控制。
在比例控制中，输出信号与偏差信号成正比。
偏差信号越大，输出信号就越大，从而加快电机的响应速度。
而在积分控制中，输出信号与偏差信号的积分成正比。
积分控制的作用是消除系统的稳态误差，使电机能够更好地跟踪期望值。
当偏差信号较小时，比例控制占主导地位，输出信号的变化主要由比例控制器决定。
而当偏差信号较大时，积分控制逐渐起作用，输出信号的变化主要由积分控制器决定。
通过调节比例参数和积分参数，可以实现对电机控制的精确调节。
比例参数决定了输出信号对偏差信号的敏感程度，而积分参数决定了输出信号对偏差信号积分的敏感程度。
通过合理选择和调节这两个参数，可以使电机控制系统达到较好的性能。
在实际应用中，PI调节器常常与速度传感器和位置传感器配合使用，以获取实际值和期望值。
传感器将实际值反馈给PI调节器，PI调节器根据偏差信号进行调节，并将输出信号送往电机驱动器，控制电机的转速或位置。
总的来说，直流电机PI调节的原理是通过比例控制和积分控制来调整输出信号，实现对电机的精确控制。
通过合理选择和调节比例参数和积分参数，可以使电机控制系统达到较好的性能。
这种控制方法在直流电机的速度和位置控制中被广泛应用，并取得了良好的效果。
自动控制原理—直流电机PI控制器参数设计
yss (t ) t
1 120 和瞬态分量
1 60t 1 60t e cos 60t e sin 60t 120 120
组成。 系统误差响应为 e(t ) r (t ) y(t ) 。当时间 t 趋于无穷时，误差响应 e(t ) 的稳态值为稳态 e ( ) 误差，以 ss 标志。对于此处单位斜坡响应时，其稳态误差为 1 ess () t y () 120 误差响应为
目录
1 系统结构分析 .............................................................. 1 2 数学模型 .................................................................. 2 2.1PI 模型建立 ............................................................ 2 2.2 单位反馈传递函数 ...................................................... 2 2.3 扰动下的非单位反馈闭环传递函数 ........................................ 2 2.4 参数计算 .............................................................. 3 3 动态跟踪性能分析 .......................................................... 4 3.1 比例积分控制的分析方法 ................................................ 4 3.2 单位阶跃参考输入 ...................................................... 4 3.3 单位斜坡参考输入 ...................................................... 5 4 数学仿真与验证 ............................................................ 7 4.1MATLAB 中连续系统模型表示方法 .......................................... 7 4.2 单位阶跃输入时的动态性能 .............................................. 7 4.3 单位斜坡输入时的动态性能 .............................................. 8 5 心得体会 ................................................................. 11 参考文献 ................................................................... 12
直流电机PI控制器设计与性能分析
直流电机PI控制器设计与性能分析引言：直流电机在电力系统、机械工程等行业有着广泛应用。
为了实现对直流电机的精确控制和调节，控制器的设计是必不可少的一步。
其中PI控制器是常用的一种控制器，它可以实现电机速度和位置的闭环控制，提高控制系统的稳定性和响应速度。
本文将对直流电机PI控制器的设计和性能进行详细分析。
1.直流电机控制原理：直流电机是一种转矩速度可控的电动机，其控制原理可以简单地描述为：根据给定的输入信号，控制电机的输出转速或转矩。
2.PI控制器原理：PI控制器是一种线性控制器，由比例(P)和积分(I)两个环节组成。
比例环节根据误差的大小对输出信号进行调节，积分环节则根据误差的时间积分来产生输出信号。
PI控制器的输出信号可以表示如下：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫ e(t) dt其中，u(t)为输出信号，Kp为比例增益，Ki为积分增益，e(t)为误差信号。
3.直流电机PI控制器设计过程：(1)系统建模：根据直流电机的动态特性建立数学模型，一般可以使用电机的转速方程或转矩方程进行建模。
(2)设计目标：确定控制系统的设计目标，例如稳态误差、调节时间、超调量等。
(3)参数调整：根据设计目标选择合适的比例增益Kp和积分增益Ki，一般可以通过试验和仿真等方法进行参数调整。
(4)性能分析：对设计好的PI控制器进行性能分析，例如稳态误差、系统稳定性、频率响应等。
4.直流电机PI控制器性能分析：(1)稳态误差：稳态误差是指系统在稳定工作状态下输出与目标值之间的偏差。
对于PI控制器，当控制系统的比例增益Kp和积分增益Ki适当设置时，可使系统的稳态误差几乎为零。
(2)系统稳定性：系统稳定性是指控制系统在各种干扰和变动条件下能否保持稳定。
通过动态特性分析，可确定合适的比例增益Kp和积分增益Ki，以确保系统的稳定性。
(3)频率响应：频率响应是指系统对于不同频率幅度的输入信号的响应能力。
通过频率响应分析，可确定合适的比例增益Kp和积分增益Ki，以满足系统对不同频率幅度输入信号的要求。
无刷直流电机单神经元PI控制器的设计
Ｅ Ｅ Ｔ Ｃ Ｄ Ｉ Ｅ ２ １ Ｖ １ ０ Ｎｏ ８ Ｌ Ｃ ＲＩ Ｒ Ｖ ０ ０ ｏ． ４ ．
无 刷 直 流 电机 单 神 经元 Ｐ 控 制 器 的设 计 Ｉ
高 渊 炯 ， 润 科 ， 军 ， 少 瑞 郝 朱 黄 （ 海 理 工 大 学 光 电 信 息 与 计 算机 工 程 学 院 ， 海 ２ ０ ９ ） 上 上 ０ ０ ３
的不 足 。为 了改 善 单 神 经 元 Ｐ Ｄ控 制 器 在 响 应 Ｉ
的快 速性 方面 的不足 ， 引入 专家 系统 的思 想 ， 立 建 规则 库 ， 根据不 同 的系统运 行状态 ， 采用 不 同的调
摘 要 ： 究 了 一种 基 于专 家 系统 的单 神 经 元 Ｐ 控 制 器 ， 将 其 应 用 于 无 刷 直 流 电 机调 速 系统 中 。控 制 器 研 Ｉ 并
实 现 了 Ｐ 参 数 的 在 线 调 整 ， 具 有 Ｐ Ｄ控 制 器 良好 动 态 性 能 的 同时 ， 少 微 分 项 对 系 统 稳 态 运 行 时 的 影 响 ， Ｉ 在 Ｉ 减 并 较 好 地 克 服 了无 刷 直 流 电机 非 线 性 、 数 易 变 的 影 响 。仿 真 结果 表 明 ， 于 专 家 系统 的单 神 经 元 Ｐ 控 制 器 参 基 Ｉ
自适 应 能力 好 ， 应 快 ， 棒 性 强 ， 响 鲁 系统 静 态 和 动 态 特 性 良好ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。 关键 词 ： 刷 直 流 电 动 机 ； 家 系 统 ； 神 经 元 ； 无 专 单 比例 积 分 控 制 器
中 图分 类 号 ： ＴＭ３ １ ６ 文献标识码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｌ — ｕ ｏ ｎ ｒ ｌｅ ｎ Ｔｉ ｉ ｇ Ｓｙ ｔ ｍ ｏ ｓ ｇ ｆ Ｓ ｎｇ ｅ ｎｅ ｒ ｎ ＰＩ Ｃｏ ｔ ｏ ｌ ｒ ｉ ｍ ｎ ｓ ｅ ｆ ｒ ＤＣ ｕ ｈ ｅ ｓ Ｍ ｏ ｏ Ｂｒ ｓ ｌ ｓ ｔｒ
直流电机PID控制
直流电机PID控制摘要随着科学技术的发展，生产生活越来越离不开直流电机，特别是在工厂里面，直流电机更是频频出现，直流电机的必要性使直流电机的发展异常迅速，所以对直流电机的研究一直是人们研究的重点，直流电动机与交流电动机相比，直流电机具有很好的调速性能和启动性能。
它的调速范围宽，调速平滑等特点，可以实现频繁的启动和制动；所以在自动化生产系统中，它起着重要的作用，满足各种各样的运行要求。
但直流电机也有它明显的缺点。
一是它的结构复杂，消耗材料比较多，所以生产成本高；二是运行时由于有换向器的存在，容易产生火花，因而直流电机可靠性较差，维护也比较困难。
但是直流电机并不是一无是处，在一些对性能要求不严格的场合下面，直流电机仍然随处可见，特别是当我们找到解决直流电机的转速稳态误差的方法后，直流电机更加的让人们喜爱，再大工厂车间中，直流电机更是无处不在，虽然它有着许多小毛病，但是在某些要求控制性能很高的场合下必须用到直流电机，所以直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。
也一直是人们研究的重点。
这里我们重点研究直流电机的工作原理以及直流电机的各种调速方法，以及有关涉及到直流电机的一些边缘知识，像PWM的结构及原理，PID控制的物理结构模型等等，在调速控制中，我们包含两个大的部分，一个是直流电机的开环控制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又分别介绍转速闭环控制和PID闭环控制，并且对直流电机的每个模型进行建模并仿真，观察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点，我们得到开环直流电机并不能满足我们对生产生活的要求，其最好的解决方法就是进行闭环控制（PID），纵观直流电机的发展史，PID控制虽然有着比开环控制更好的启动型能和稳定性能，但是也还是满足不了社会对直流电机越来越苛刻的需求，所以，在直流电机的控制中，又出现了电流反馈的双闭环调节，这解决了PID 控制中无法控制电流的尴尬情况，与PID控制相比较，有着电流反馈的直流电机启动性能更好，在负荷运行时候也更节能。
手把手教你玩转直流电机PID双环控制
⼿把⼿教你玩转直流电机PID双环控制1.速度闭环控制我们⼀般在速度闭环控制系统⾥⾯，使⽤增量式PI控制。
⽽在我们的微处理器⾥⾯，因为控制器是通过软件实现其控制算法的，所以必须对模拟调节器进⾏离散化处理，这样它只需根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此，我们需要使⽤离散的差分⽅程代替连续的微分⽅程。
假定采样时间很短时（我们的代码中是10ms），可做如下处理：①⽤⼀介差分代替⼀介微分；②⽤累加代替积分。
根据增量式离散PID公式Pwm+=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]e(k)：本次偏差e(k-1)：上⼀次的偏差e(k-2)：上上次的偏差Pwm代表增量输出在我们的速度控制闭环系统⾥⾯只使⽤PI控制，因此对PID控制器可简化为以下公式：Pwm+=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)具体通过C语⾔实现的代码如下：int Incremental_PI (int Encoder,int Target){float Kp=100,Ki=100; //PI参数由电机的种类和负载决定sta ti c int Bias,Pwm,Last_bias;Bias=Encoder-Target; //计算偏差Pwm+=Kp*(Bias-Last_bias)+Ki*Bias; //增量式PI控制器Last_bias=Bias; //保存上⼀次偏差return Pwm; //增量输出}⼊⼝参数为编码器的速度测量值和速度控制的⽬标值，返回值为电机控制PWM。
第⼀⾏代码为PI参数的定义，PI参数在不同的系统中不⼀样，我们的代码中的PID参数，仅针对平衡⼩车之家的电机空载时调试得到。
第⼆⾏是相关内部变量的定义。
第三⾏是求出速度偏差，由测量值减去⽬标值。
第四⾏使⽤增量PI控制器求出电机PWM。
第五⾏保存上⼀次偏差，便于下次调⽤。
最后⼀⾏是返回。
在10ms定时中断⾥⾯调⽤该函数实现我们的控制⽬标：Moto1=Incremental_PI(Encoder,Target_velocity);Set_Pwm(Moto1); //===赋值给对应MCU的PWM寄存器具体请结合完整代码理解，我们的代码基于STM32F103C8控制器，但是把基于C语⾔的PID控制器部分剥离，并放在control.c⾥⾯，故对STM32不熟悉的同学依然可以使⽤记事本打开这个⽂件观看。
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学号：课程设计题目直流电机控制器设计学院自动化学院专业自动化班级自动化1002姓名指导教师肖纯黄亮2012 年12 月20 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1002 指导教师： 肖 纯 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流电机控制器设计 初始条件：一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y 为电机转速，a v 为电枢电压，W 为负载转矩。
令电枢电压由PI 控制律求取，PI 表达式为：)(0⎰+=tI p a edt k e k v ，其中e=r-y 。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 写出以v a 和W 为输入的直流电机系统微分方程；（2） 试求k P 和k I 的值，使闭环系统的特征方程的根包括20j 20±-；（3） 计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃扰动输入、单位斜坡扰动输入时系统的稳态误差；（4） 用Matlab 验证上述答案，并给出系统响应曲线；（5） 分析只采用P 控制规律的情况，对比分析P 和PI 控制规律的最大不同点。
（6） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析的过程，附Gc(s)20021+sRYave+ -+1200W-Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：任务时间（天）指导老师下达任务书，审题、查阅相关资料 2分析、计算 2编写程序 1撰写报告 2论文答辩 1指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要控制理论经过数十年的发展,并伴随计算技术的快速发展,如今已经形成相当成熟的理论,并在各个行业和领域得到广泛的应用。
本文所述的直流电机的PI控制就是其一方面的应用，文中将结合实例分析PI控制系统对单位阶跃输入和单位斜坡输入的响应，计算其动态响应和跟踪性能。
完成上述工作需借助功能强大的数学计算软件MATLAB，精确模拟系统的响应。
关键词：PI控制MATLAB目录1系统结构分析 (1)2数学模型 (2)2.1PI模型建立 (2)2.2单位反馈传递函数 (2)2.3扰动下的非单位反馈闭环传递函数 (2)2.4参数计算 (3)3动态跟踪性能分析 (4)3.1比例积分控制的分析方法 (4)3.2单位阶跃参考输入 (4)3.3单位斜坡参考输入 (5)4数学仿真与验证 (7)4.1MATLAB中连续系统模型表示方法 (7)4.2单位阶跃输入时的动态性能 (7)4.3单位斜坡输入时的动态性能 (8)5心得体会 (11)参考文献 (12)1系统结构分析1.1系统结构如下.图1-1 直流电机PI 控制结构图系统组成为比例积分环节、比例环节、惯性环节和单位负反馈，在比例环节与惯性环节之间加入扰动信号比较点。
其中，比例环节与惯性环节是系统部可变部分。
扰动信号输入时也经过一个比例环节。
Gc(s)20021 sRYa ve + -+1200W-2数学模型2.1PI 模型建立由设计要求可以得出，)(0⎰+=tIp a edt k e k v其中e=r-y 。
故做拉氏变换可得)(s G C 的表达式：IP a K S K S E S V 1)()(Gc(s)+==2.2写控制系统微分方程令图1中的)(S W 输入为零，可以得到方程：)(201)(200S Y S S Va =+两边同时乘以20+s 可得：)(20)()(200S Y S SY S Va += 最后进行拉式反变换得：(200)(20)('t va t y t y =+ 令图1中的)(R S 输入为零,可以得到方程 )(201)(W 1200S Y S S =+ 两边同时乘以20+S 可得：)(20)()(W 1200S Y S SY S +=最后进行拉式反变换得：)(1200)(20)('t w t y t y =+2.3扰动下的非单位反馈闭环传递函数控制系统除了承受输入信号作用外，还经常处于各种扰动下。
本系统的扰动信号为电机的负载转矩W 。
设负载转矩W 的拉氏变换为()W s ,若令输入()0R s =则可计算得出扰动的输出即W 到Y 的输出：)(w )(Gw 11)(Gw 1200S S S φ=+其中IP I w K S K S S SK SKp S S S Y S G 200)20020(200**2011201)()(2+++=++++=带入)(s G w ，则：IP K S K S SS 200)20020(1200)(w 2+++=φ2.4参数计算由闭环传递函数得系统特征方程为：IP K S K S 200)20002(D(s)2+++=根据设计需要，因单位反馈闭环传递函数特征根包括20j 20±-，则根据特征根，可推断0)2020)(2020(D(s)=-+++=j S j S继而化简得0800402=++S S因此4020200=+Kp800200=Ki即1.0=Kp ，4=Ki 。
从而闭环系统的传递函数为8004040s 20)(2+++=S S S ）（φ3动态跟踪性能分析3.1比例积分控制的分析方法采用分析法研究比例积分控制系统的动态和跟踪性能。
PI 控制开环传递函数形如：G(s)=)2()1()2)(11(n ii p i nip s s T k k s T s k Ts k εωεω++=++令ii p n T k k =2ω则)12()1(2)(++=ni nss s T s G εωεω令z=T1，可得闭环传递函数为)2()(222nn d ns z s zs ωωεωφ+++=其中znd 2ωεε+=由上式可知，PI 控制系统不改变系统自然频率，但可以增大系统阻尼比。
因ξ与n ω均和Tk k i p 有关，所以适当选择开环增益和积分时间常数，既可以减小系统在斜坡输入时的稳态误差，又可以使系统在阶跃输入时有满意的动态性能。
3.2单位阶跃参考输入结合上述分析，当输入是阶跃函数时，本系统输出为：400)20(20S1)80040S(40s 20)(Y 22+++-=+++=S S S S S ）（因znd 2ωεε+=<=0.707,对上式进行拉氏反变换，得单位阶跃响应tt t20sin 1)(Y 20--=l由上式可以看出，系统为稳态分量yss(t)=1和瞬态分量t S t 20sin )(Y 20--=l 组成。
系统阶跃时间响应为振荡衰减函数，稳态值趋于1。
将阶跃响应对t 求导，有峰值时间1178.0)1arctan(201=-=p t把峰值时间带入y(t)得9589.0)(=tp Y根据超调量定义，可得()()%100% 6.7%()p y t y y σ-∞=⨯=∞。
令∆表示实际响应与稳态输出之间的误差，由t S t 20sin )(Ytt 20--=l 可以得不等式ttt 202020sin --≤-=∆ll若取0.05∆=，由上式可解出s In 05.06020ts ==3.3单位斜坡参考输入当输入为单位斜坡函数时，系统输出为：400)20(4020400)20(10020401S1)80040(S 40s 20)(Y 2222++-++++-=+++=S S S sS S S ）（因系统阻尼比为0.707，属于欠阻尼系统。
以下为欠阻尼系统的单位斜坡响应分析。
对上式进行反拉氏变换，得斜坡输入的时间响应)20sin 20(cos 401401)(Y 20t t t t t-+-=-l由上式可知系统单位斜坡响应由稳态分量401)(yss -=t S 和瞬态分量 )20sin 20(cos 401)(Ytt 20t t et t-=-组成。
系统误差响应为()()()e t r t y t =-。
当时间t 趋于无穷时，误差响应()e t 的稳态值为稳态误差，以()ss e ∞标志。
对于此处单位斜坡响应时，其稳态误差为401)()(=∞-=∞y t ess误差响应为)420cos(402401)20sin 20(cos 401401)(2020π+-=--=--t et t et e tt将上式对t 求导的误差响应的峰值时间0786.040)0arccos(201tp ===π将pt 带入误差响应函数可得最大误差0303.0)420cos(402401Mp 20=+-=-πtp et4数学仿真与验证4.1MATLAB 中连续系统模型表示方法MATLAB 是数学计算领域非常强大的一个软件,在很多领域有着极其重要的作用,比如自动控制领域。
在此将借用MATLAB 来对系统性能进行分析计算，验证理论结果。
MATLAB 为各种信号的建模提供了极其方便的表示方法，对于连续时间系统的时域分析的表示也很简单。
对于连续系统多项式模型G(s)=nn n nm m m m a s a sa s ab s b sb sb ++++++++----11101110......MATLAB 表示方法为： 分子多项式：num=[1b 2b ,...1-m b ,m b ] 分母多项式：den=[1a ,2a ...1-n a ,n a ]建立传递函数模型：sys=tf(num,den)此外，可以使用MATLAB 中的LTI Viewer 求取系统的各项性能指标。
4.2单位阶跃输入时的动态性能下面借助LTIViewer 计算本PI 控制系统单位阶跃响应时的性能指标和追踪性能。
在MATLAB 命令框中输入程序： num=[20,800]; den=[1,40,800]; step(num,den); sys=tf(num,den); ltiview;敲击回车键后在弹出的LTIViewer 框中导入sys 函数，然后对绘制的曲线进行相应的设置后可以得到阶跃响应的各项指标点，如上升时间r t、峰值时间pt 和调节时间s t,效果如下图所示：图4-1 PI系统单位阶跃响应曲线当光标移到对应点后，在浮出的文本框中可读出数据，列出如下：上升时间：ts=0.019s峰值时间：tp=0.0389s峰值：Mp=1.07超调量：%σ%=7.6∆=）调节时间：ts=0.0497s （0.054.3单位斜坡输入时的动态性能对于系统的单位斜坡输入响应，可以采用同样的方法。
首先在命令框中输入程序如下：num=[20,800]; %分子相关系数den=[1,40,800]; %分母相关系数t=0:0.01:2;subplot(2,1,1);u=t; %输入单位斜坡信号plot(t,u);hold onlsim(num,den,u,t); %斜坡响应输入程序并运行后，会自动弹出绘制的跟踪曲线，如下所示：图4-2 PI 系统单位斜坡输入响已知系统单位斜坡误差响应为：)80040(20)800402080040201(401222+++=++++++-=s s s s s s s s s s ess反拉氏变换后得E(t)=)420cos(40240120pi t et+--由Ess 形式可知，欲求)(t e ，可求)800*40*()20()(+++=s s s s s E 的阶跃响应。