异步电机控制系统PI参数计算
基于PI控制算法的电机速度调节系统设计与实现
基于PI控制算法的电机速度调节系统设计与实现标题：基于PI控制算法的电机速度调节系统设计与实现摘要：本文通过使用PI控制算法来设计和实现电机速度调节系统，使得电机能够准确地调整转速以适应各种工况。
首先介绍了PI控制算法的原理和特点，然后介绍了电机速度调节系统的组成以及系统的建模过程。
接下来详细阐述了PI控制算法在电机速度调节系统中的应用，包括参数调节方法和调节过程。
最后进行了系统实验验证，结果表明该电机速度调节系统基于PI控制算法具有较好的性能和鲁棒性。
1. 引言电机速度调节是现代工业自动化中常见的任务之一，它要求电机能够精确地调整转速以适应工况的变化。
PI控制算法是最常用的控制算法之一，它结合了比例控制和积分控制的优点，具有较好的控制效果和稳定性。
2. PI控制算法的原理和特点PI控制算法通过比例控制和积分控制来实现对系统的调节。
比例控制根据当前偏差的大小进行调整，而积分控制则根据历史偏差的大小进行调整，从而消除系统的静差。
3. 电机速度调节系统的组成和建模电机速度调节系统主要由电机、编码器、控制器和执行机构等组成。
系统的建模过程包括对电机的动态特性进行建模和对控制环节进行建模。
4. PI控制算法在电机速度调节系统中的应用PI控制算法通过对系统的偏差信号进行处理，得到控制量，并通过控制器对电机进行控制。
参数调节是PI控制算法的关键部分，常用的方法有经验法和自整定法等。
5. 系统实验验证为了验证该电机速度调节系统的性能和鲁棒性，进行了一系列实验。
实验结果表明，该系统能够准确地调节电机的转速，并能够适应不同的负载变化。
6. 结论本文通过使用PI控制算法设计和实现了电机速度调节系统。
实验结果表明，该系统具有较好的性能和鲁棒性，能够准确地调节电机的转速，并能够适应不同的工况变化。
进一步的研究可以考虑其他控制算法的应用以及系统的优化改进。
基于改进PSO算法的电机控制系统PID参数优化
电动 机 控 制 电压 到转 速 的 传 递 函 数 的 模 型 为
Ｑ（ 引
一
１ ｃｔ ／ ，
将 代 入 一 个 与求 解 问题 相 关 的 目标 函数 ，即
・
（） Ｔｓ＋位 移 的 传递 函 数 模 型 为
（ 引
１ Ｃ。 ／
一
可 计 算 出相 应 的适 应 值 。用 ｐ ｅ 。 ＝ ，…， 记 录第 ｂｓ １ ） ｔ ２ ｉ 粒 子 自身 搜 索 到 的最 优 位 置 ，用 ｇｅ 记 录 该 种 个 ｂｓ ｔ
中图 分 类 号 ：ＴＰ ７ ￣５ ２ ３ ． 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ Ｏ — １ ８ ２ ０ ） ６ ０ ７ 一 Ｏ Ｏ３ ８ Ｘ（ ０ ７ ０ － １ ６ ３
一
Ｏ 引 言
对 于 以 Ｐ Ｄ作 为控 制 器 的 电机 控 制 系 统 ，其 性 Ｉ 能 的 优 劣 主 要 决 定 于 控 制 参 数 的 合 理 性 。 国 内 外
机 粒 子 ，通 过 迭 代 找 到 最 优 解 。
假 定 一 个 包 含 ｍ个 粒 子 的 粒 子 群 在 Ｄ维 目标 空
１ 直 流 电动 机 的数 学模 型
电 枢 控 制 直 流 电动 机 简化 后 的微 分 方 程 为
＋ ｋｆ：ＫＵ （ 一 ２ （ ａ（ ） Ｉ ） ＫＭ ） ｆ ｆ
群 体 。 每 个 粒 子 性 能 优 劣 程 度 取 决 于 待 优 化 问题 目 标 函 数 确 定 的适 应 值 ，每个 粒 子 由一 个 速 度 决 定 其 飞行 的 方 向和 速 率 的大 小 ，粒 子 们 追 随 当前 的最 优
粒 子 在 解 空 间 中 进 行 搜 索 。Ｐ Ｏ 初 始 化 为 一 群 随 Ｓ
异步电动机调压调速系统
（5-4）
Tema x 21Rs
3npUs2 Rs212(LlsL'lr)2
（5-5）
由图5-4可见，带恒转矩负载工作时， 普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点 为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超 过 0 ~ sm ，调速范围有限。如果带风机类 负载运行，则工作点为D、E、F，调速范 围可以大一些。
U TVC——双向晶闸管交流调压器
n2
A A’ 闭环变压调速系统的近似动态结构图
’’ 现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图5-12中曲线c），起动时间
也短于一级降压起动。
U 根采变据用化图 普 时5通静-6异差a所步率示电很的机大原的（理变见图电图，压5-5可调）以速，画时开，出环调静控速态制范结很围构难很图解窄，决，如这采图个5用矛-7高所盾转示。子。电阻的力矩电机可以增大*n调3速范围，但机械特性又变软，因而当负载
为此，对于恒转矩性质的负载，要求调 速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈 的闭环控制系统（见图5-6a）。
1. 系统组成
~
+
U*n +
GT ASR Uc
Un
M 3~
n
T-G-
a)原理图
图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
2. 系统静特性 异步电机近似的传递函数
由图5-4可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超过 0 ~ sm ，
ua VT2
a)
ub
VT3
uc
Ua0 a
b 0
c 负载
•型接法
ia ua b) ub
异步电机控制系统pi参数计算【可编辑】
异步电机控制系统PI 参数计算对于一个控制系统，在设计PI 调节器的参数时，应该先根据系统的传递函数计算出PI 参数的数量级，然后根据系统的响应性能进一步优化PI 参数值。
下面以异步电机控制系统电流环PI 参数推导为例，讲解异步电机控制器PI 参数的设计方法。
1. 异步电机的矢量控制电流环和转速环异步电机的矢量控制电流环和转速环如上图所示。
上述控制量的传递过程是：给定转速与反馈转速进行转速PI 调节输出sq *i ，给定电流与反馈电流经过电流控制器的PI 调节后生成给定电压信号sq *U ，此电压信号用于产生转子磁链，要计算控制器的PI 参数值，首先要计算出相关的传递函数，再利用PI 调节器对系统进行校正，根据给定的ξ和n ω计算出K P 和K i 值。
下面推导电流环sq *U 与rd ϕ的传递函数。
矢量控制系统已有几种方案获得成功应用，包括转子磁场定向矢量控制、气隙磁场矢量控制、定子磁场矢量控制，所谓磁场定向就是规定d 轴与磁场方向的关系，当取d 轴与转子磁场方向重合时，就是转子磁场定向当取dq 坐标系的旋转速度与定子磁场同步旋转速度相同时，此时转子磁通在q 轴的分量为零，目前应用最广泛的就是按转子磁场定向的矢量控制。
此时：r rm rd ϕϕϕ== 2.38 0rt rq ==ϕϕ 2.39ωωω-=1s 2.40磁链方程：rd m sd s i L i L +=sdϕrq m sq s i L i L +=sq ϕ 2.41rd r sd m i L i L +=rd ϕ 0sq =+=rq r sq m i L i L ϕ由以上四式解出rd i 、rq i 与sd i 、sq i 的关系：rsq m rq L i L i -= 2.42)(1sd m rd rrd i L L i -=ϕ 2.43根据文件上《异步电机dq 坐标系上的数学模型推导》得出：sq dqs sd sd s sd P i R u ϕωϕ-+=sd dqs sq sq s sq P i R u ϕωϕ-+=0=+=rd rd r rd P i R u ϕ 2.440=+=rd dqr rq r rq i R u ϕω在鼠笼式异步电机中rd u 、rq u 为0。
三相异步电动机双速可逆变频调速PLC控制
三相异步电动机双速可逆变频调速PLC控制异步电动机变频调速所要求的变频电源几乎都采用静止式变频器。
利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序，即可以达到对输出进行换相的目的，很容易实现电动机的正、反转切换。
本文介绍了PLC在三相交流异步电动机变频调速系统方面的设计，说明了系统的控制策略和工作原理，探讨三相异步电动机双速可逆变频调速PLC控制。
1、PLC在三相交流异步电动机变频调速系统设计三相交流异步电动机变频调速系统，以可编程序控制器PLC 作为核心控制部件，通过速度传感器将电动机的转速信号传给PLC, PLC经过控制规律的运算后，给出控制信号，改变电动机输入电压的频率，来调节电动机的转速，从而构成了一个闭环的速度控制系统。
如图1 所示。
2、三相异步电动变频器电路连接的要点2.1变频器前面一定要加接触器输入侧接触器的作用。
一般说来，在断路器和变频器之间，应该有接触器。
a. 可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电。
b. 发生故障时可自动切断变频器电源，如：变频器自身发生故障，报警输出端子动作时，可使接触器KM迅速断电，从而使变频器立即脱离电源。
另外，当控制系统中有其他故障信号时，也可迅速切断变频器电源。
2.2变频器与电动机之间是否接输出接触器并不要求和工频进行切换时，变频器与电动机接触器，则有可能在变频器的输出频率较高的致变频器跳闸。
a. 当一台变频器只控制一台电动机，且并不要求和工频进行切换时，变频器与电动机之间不要接输出接触器。
因为如果接入了输出接触器，则有可能在变频器的输出频率较高的情况下启动电动机，产生较大的启动电流，导致变频器跳闸。
b. 必须接输出接触器的情况有两种：当一台变频器接多台电动机时，每台电动机必须要有单独控制的接触器。
另外，在变频和工频需要切换的情况下，当电动机接至工频电源时，必须切断和变频器之间的联系。
通用变频器，一般都是采用交、直、交的方式组成，利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正、反转切换，必须利用触器等装置对电源进行换相切换。
基于模糊自整定的异步电机PI控制系统设计
２模 糊逻 辑 控制
本文 中的模糊逻辑控 制系统框 图如图１ 所示。 主模糊控 制部分作为速度控 制器 ， 模糊 自整定则 用来测定主模糊控制的输出［ ５ １ 。 模糊控制的输出是递增 型 的。 能影响系统效果的是积分器 输出 ， 所 以系统必须 能够有效管理过剩 的积分输 出。 因此， 需要有抗饱和环 节。 这个环节可 以通 过模 糊规则的设定来达到 。
ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｄ ｄ ｅ ｎ ｃ ｈ ａ ｎｇ ｅ ｉ ｎ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｃ ｅ ． Ｔｈｅ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍｐａ ｒ ｅ ｄ ｔ ｏ ＰＩ —ｆ ｕｚ ｚ ｙ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ． Ｒｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ．
ｎ ｔ ｕ ｎ ｉ ｎ ｇ ， ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｈ ｏ ｏ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇ ｉ ｔ ｎ Ｒ ｅ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｉ ｔ ｖ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｏ ｐ ｏｖ ｒ ｉ ｄ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ， ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｏ ｖ ｅ ｓ ｒ ｈ ｏ ｏ ｔ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｔ ｏ ｄ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ａ ｎ ｃ ｅ
PID基本概述和参数调整口诀
PID基本概述和参数调整口诀（一）PID基本概述：1、PID是一个闭环控制算法。
因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。
比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。
2、PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。
但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。
我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。
现在知道这只是最简单的闭环控制算法。
3、比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。
但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。
积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。
4、控制器的P,I,D项选择：根据实际的目标系统调试出最佳的PID参数。
（二）常用控制规律的特点：1、比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。
如：水泵房冷、热水池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。
2、比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。
积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
PI和PID调节PWM
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制.
* 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期
* 在PWM控制寄存器中设置接通时间
* 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚
* 启动定时器
* 使能PWM控制器
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
1.3 SPWM法
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
异步电机控制系统PI 参数计算
对于一个控制系统，在设计PI 调节器的参数时，应该先根据系统的传递函数计算出PI 参数的数量级，然后根据系统的响应性能进一步优化PI 参数值。
下面以异步电机控制系统电流环PI 参数推导为例，讲解异步电机控制器PI 参数的设计方法。
1. 异步电机的矢量控制电流环和转速环
异步电机的矢量控制电流环和转速环如上图所示。
上述控制量的传递过程是：给定转速与反馈转速进行转速PI 调节输出sq *i ，给定电流与反馈电流经过电流控制器的PI 调节后生成给定电压信号sq *U ，此电压信号用于产生转子磁链，要计算控制器的PI 参数值，首先要计算出相关的传递函数，再利用PI 调节器对系统进行校正，根据给定的ξ和n ω计算出K P 和K i 值。
下面推导电流环sq *U 与rd ϕ的传递函数。
矢量控制系统已有几种方案获得成功应用，包括转子磁场定向矢量控制、气隙磁场矢量控制、定子磁场矢量控制，所谓磁场定向就是规定d 轴与磁场方向的关系，当取d 轴与转子磁场方向重合时，就是转子磁场定向当取dq 坐标系的旋转速度与定子磁场同步旋转速度相同时，此时转子磁通在q 轴的分量为零，目前应用最广泛的就是按转子磁场定向的矢量控制。
此时：
r rm rd ϕϕϕ== 2.38
0rt rq ==ϕϕ 2.39
ωωω-=1s 2.40
磁链方程：rd m sd s i L i L +=sd
ϕ
rq m sq s i L i L +=sq ϕ 2.41 rd r sd m i L i L +=rd ϕ
0sq =+=rq r sq m i L i L ϕ
由以上四式解出rd i 、rq i 与sd i 、sq i 的关系：
r
sq m rq L i L i -
= 2.42
)(1
sd m rd r
rd i L L i -=ϕ 2.43
根据文件上《异步电机dq 坐标系上的数学模型推导》得出：
sq dqs sd sd s sd P i R u ϕωϕ-+=
sd dqs sq sq s sq P i R u ϕωϕ-+=
0=+=rd rd r rd P i R u ϕ 2.44
0=+=rd dqr rq r rq i R u ϕω
在鼠笼式异步电机中rd u 、rq u 为0。
下面把转子磁链用sd i 表示。
sd r m rd
i P T L 1
+=ϕ 2.46 转差频率为：
rd
r sq m dqr dqs s T i L ϕωωωωω=
-=-=1 2.45
式中r T 为转子时间常数，r
r
r R L T =
将（2.38）、（2.39）、（2.41）代入（2.44）化简后可得：
sq s s rd r
m
sd s sd s sd i L L L P Pi L i R u σωϕσ-++= 2.47
)()(2
sq r
m sq s s sd m rd r m sd s sd s sd i L L
i L i L L L P Pi L i R u --++=ωϕ 2.48
式中：s r m L L L
2
1-=σ
转矩方程：
21rd s r
p rd sq r
m p e R n i L L n T ϕωϕ=
=
下面将sd u 表示成rd ϕ的形式，即sd i 化为rd ϕ的表达式，由 2.46式得
rd m
r sd L P T i ϕ1+=
sq s s rd r
m
sd s sd s sd i L L L P Pi L i R u σωϕσ-++=
其中sq s s sdc
i L u σω-=为与sq i 的耦合项，可以在电压逆变器的输入中加入
定子电压的补偿量sdc u ，这样就可以通过控制sd u 、sq u 独立控制sd i 、sq i 。
所以电压方程可以写为：
rd r
r m rd r m rd m r s rd m r s rd
r
m
rd m r s rd m r s rd
r
m
sd s sd s sd
L P T L P L L P L P T P L L P T R L L P L P T P L L P T R L L P Pi L i R u ϕϕϕϕϕϕσϕϕσ）（11111+-++++=++++=++=
得磁通环开环传递函数：
1)(1
)()(1
)(1
222
2
+++=
+++=
+
++=
+
++=
S S R L S S R L R L L R S L R S R L R L L R S L R S L L u r s r s s
m r s s
r
s
s
m
m
s
m s r s s m s
r s m
s
m s r s m r
s sd
rd
τττσττττστττστττσϕ
其中s τ、r τ分别为定转子时间常数：s
s
s L R =
τ，r
r r L R =
τ
PI 调节器的传递函数为：
s
s K y p ττ)
1(+=
引入PI 调节器后的传递函数为：
)
1)(()
1(2++++=
S S s R s K L u r s r s s
p m sd rd
τττστττϕ
此传递函数为三阶系统，进行因式分解化为二阶系统。
因式分解后的表达式为：
)
1)(1()1()
1)(()
1(21212+++=
++++=
s T s T R s T T K L S S s R s K L u r s s
p m r s r s s
p m sd
rd
ττστττττστττϕ
其中：
r
s r s r s r
s r
s r s r s r
s T T τσττττττσττσττττττστ4)()(24)()(22221-+++=
-+-+=
化为二阶系统时要消去离虚轴较近的极点，以提高系统的响应速度，因为21T T ≤，所以令1T =τ
，
此时的传递函数为
)1(22
+=
s T R T K L u r s s
p m sd
rd
τστϕ
令s
p m R T K L a
2
=
，
r s b τστ=
得
)1(2+=
s T b a
u sd
rd
ϕ
系统的闭环传递函数为：
b
T a S T S b
T a
a
bS bS T a
s 2222221)(+
+=
++=
φ 计算阻尼和自然振荡频率：
b
a T b
a T T
b T a n 222
22*
21
*21=
=
=ξω 二阶系统带宽b ω与自然振荡频率n ω的关系式为：
2
1222]
1)21()21[(+-+-=ξξωωn b
将a 、b 的值代入2
n ω的关系式得s
r s p m n
R T T K L τστω222
=
计算得2
22T L R T K m s
r s n p
τστω=
τ
p
i K K =
代入给定的ξ、b ω的值即可计算出p K 、i K 值。
《异步电机矢量控制系统设计及其PI 控制器参数优化研究》。