基于先进PID控制的电动机调速系统研究

摘 要：文章简要介绍了先进PID控制算法的原理及实现过程，阐述了常规PID控制算法的局限性，并分析了该先进PID控制算法与常规的PID控制算法的不同。实验验证主要采用半硬件仿真的方式，使用STM32系列单片机做微控制器，用16个MOS管构成H桥作为直流电动机的驱动板，用100线的编码器作为速度传感器反馈电机的实时转速。系统运行时，微控制器通过串口向PC机发送系统的状态信息，用以显示系统的各种性能指标，比较控制算法的优劣。

关键词：先进PID控制；STM32；半硬件仿真

引言

在工业生产过程中，直流电动机被广泛地应用于各种工业拖动领域。对直流电动机转速的有效控制也一直都是工程技术及科研人员研究的热门课题之一。目前虽然各种现代控制直流电动机调速系统的控制算法以PID控制为主。PID控制具有原理简单，使用方便等优点。但在环境快速变化，实时性及控制精度要求高的场合，PID控制器的参数整定往往十分繁琐复杂，需要反复调整。为了能够更好地适应各种工业控制领域，需要对PID控制算法做一些改进。而对常规PID控制算法的改进就称之为先进PID控制。

1 常规PID控制器的原理

常规PID控制器的控制规则：设误差信号为e（t），作为输入变量，则PID控制的输出量u（t）为：

（1）

在式（1）中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。在实际设计PID控制器时，通常是在微控制器中实现的，因此需要对式（1）做离散化处理。离散后得：

（2）

为了简化参数，调试方便，可以将式（2）改写为：

（3）

在式（3）中，KP、Ki和Kd分别是比例系数、积分系数和微分系数。

PID控制器的本质就是一个在频域上的滤波器。在确定使系统稳定的参数时，这一思想很有用，如果参数选用不当，很可能导致系统反复震荡，无法达到最终的设定值。PID控制器传递函数的一般形式是：

H（s）=■ （4）

2 常规PID控制器效果分析

当直流电动机空载运行时，将目标转速设定为300r/min，系统调节时间很短，能够很快的到达并稳定在目标转速。在运行的过程中，也没有明显的超调。此时，系统的控制效果较佳。在其他条件都相同的情况下，将目标转速1000r/min，系统的调节时间有所增加，超调量较大，但基本在可接受的范围内。当给直流电动机加额定负载时，保持该调速系统PID参数不变，将目标转速设定为300r/min，在运行过程中，系统的调节时间大幅增加且系统出现了较大的稳态误差。将目标转速设定在1000r/min时，系统控制指标出现明显的恶化。由此可以看出，当控制器参数固定时，PID控制算法的调速范围并不宽，且直流电动机的负载一旦变化，就会对整个系统的控制效果产生不利的影响。因此常规的PID控制算法并不是适用于这种直流电动机调速系统。

3 先进PID控制器的设计

在电动机调速系统中，常规的PID控制算法暴露出一些问题。第一个是当直流电动机负载运行时，稳定状态下的系统出现了较大的稳态误差。为了减小稳态误差，必须加大积分系数，以提高控制精度。但在直流电动机启动、停止和大幅度改变目标速度时，短时间内系统出现了较大的误差，造成积分累积，引起系统出现较大的超调，这在实际的生产中是不允许的。为了解决这一问题，文章采用了一种新的PID控制算法――积分分离PID控制算法。当电动机启动、停止或者买标书速度大幅改变，电动当前的转速与目标转速之间的偏差变大时，取消积分作用，以免使系统的超调量增大，稳定性降低。当电动机当前转速与目标转速较为接近时，再引入积分作用，用以消除系统的稳态误差，提高控制精度。根据电动机的实际情况，通常将目标速度的30%作为阈值。具体实现过程如下：

设定阈值？茁>0；

当误差？驻>？茁时，采用PD控制；

当误差？驻？燮？茁时，采用PID控制。

采用这种控制算法后，可以解决上述常规PID控制算法控制精度不高或者超调量较大的问题。

经过改进后，还有另一个问题是调速的范围不能很宽，否则系统的控制动态指标将出现明显的恶化。造成这个问题的根本原因是PID控制器的一组固定参数并不能适用于对各种目标速度的控制。针对这一缺陷，可以采用动态参数的PID控制算法。具体实现方法是，将可能需要调速的范围划分为若干个区间，对每个区间采用不同的控制参数，这样可以降低PID控制器参数调节的难度，较好的适应各种不同的目标速度，以达到最佳的控制效果。

4 先进PID控制器效果分析

为了与常规PID控制算法做对比，测试时均与常规PID控制算法的测试做参照。首先在电动机空载时，将电动机目标转速设置为300r/min，加入分离积分和动态参数的PID控制算法与常规PID控制算法没有什么差别。将电动机的目标转速设置为1000r/min后，调节时间略有增加，但并没有很明显的超调。电机额定负载运行时，当目标速度为300r/min时，该调速系统的调节时间和超调量有所增加，但系统几乎不存在稳态误差；当目标速度为1000r/min时，与常规PID控制算法相比，调节时间、超调量和稳态误差均较小。

5 结束语

通过上述分析验证可以发现，常规的PID控制器在直流电动机调速系统中暴露出很多问题，诸如鲁棒性不够好，适应性较差，参数调节困难等。而在常规PID控制算法的基础上做一些改进可以明显地提高系统的静态及动态性能，系统的鲁棒性也大幅提高。

综上所述，基于动态参数和分离积分方式的PID控制器可以用于直流电动机的调速系统中，且实际的控制效果较好。

参考文献

[1]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]杨智，朱海锋，黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述[J].化工自动化及仪表，2005，5.

[3]陶永华.新型PID控制及其应用[J].工业仪表与自动化装置，1998，1.

[4]李卓，萧德云，等.基于神经网络的模糊自适应PID控制方法[J].控制与决策，1996，3.