基于预测PI算法控制的直流调速系统研究

摘要

直流电动机具有良好的起、制动性能，能够在宽范围内进行平滑调速，并被广泛应用于需要调速或需要进行转向切换的电力拖动系统中。但带电流截止负反馈的直流调速系统，只是解决了系统的过流保护问题，并没有改善系统的快速性和抗干扰能力，难以适用于对调速系统要求较高的场合。因此，研究直流电机调速系统的控制方法对工业生产具有实际意义。本文基于上述背景，主要研究内容如下：
　　1．通过对直流电机的工作原理分析，采用机理建模方法，建立了转速反馈直流电机调速系统的数学模型。并对带电流截止负反馈的直流调速系统进行静特性分析，在实际应用结果中表明引入电流截止负反馈只能对被控系统起到限流保护作用。
　　2．在传统直流调速控制系统的基础上，提出一种基于预测PI算法与组合积分环节相结合的控制策略。组合积分系统起到对信号的均值滤波作用，根据被控对象设计预测PI控制器，并在SIMULINK中搭建直流调速系统仿真模型，与传统控制方案实时对比仿真，研究结果表明，在预测 PI控制算法下的直流调速系统不仅具有良好的动态性能，且能显著提高系统抗干扰能力，同时也起到了过流保护作用。
　　3．将设计的新型控制算法进行离散化处理，并采用C言对算法进行编写，通过OPT22工控软件实现与MATLAB SIMULINK的通信并进行数据交互，并且还开发了实时监控的人机界面（HMI），用户可以直接在控制界面上清晰观察直流电机调速系统转速的具体数值及其变化波形。
　　4．将设计出的新型控制算法应用在贝加莱公司（B&R）提供的直流电机调速系统的硬件及软件环境下，利用 Automation Studio与simulink实现无缝连接，实验结果表明，基于预测PI与组合积分环节相结合的复合控制策略，可实现对直流电机转速的优良控制。
　　本文创新点在于将组合积分系统引入直流调速系统，用预测 PI控制算法代替传统的PID控制算法，并将组合积分与预测PI控制相结合实现了复合控制。充分利用两种控制方法的优点，组合积分系统相当于均值滤波器，可使输入信号均匀上升，起到限制最大电枢电流的作用，而预测 PI控制算法的快速性好且抗干扰能力强。通过仿真结果及实验表明，相对于传统PID控制算法而言，本文设计的基于预测 PI算法与组合积分复合控制的直流调速系统具有良好的动态性能及抗干扰能力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 直流电动机简述

1.2 研究背景和意义

1.3 国内外直流电动机控制研究现状

1.4 直流电机转速调节方法

1.5 本论文的结构和安排

第二章 直流电动机调速系统数学模型

2.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型

2.2 转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型

2.3 转速反馈控制直流调速系统的限流保护

2.4 本章小结

第三章 预测PI与组合积分环节复合控制策略

3.1引言

3.2 PID控制算法

3.3 Smith预估控制的基本原理

3.4 预测PI控制算法研究现状

3.5 预测PI、Smith预估、PID控制算法的仿真分析

3.6 改进的限流保护控制方案—组合积分环节

3.7 本章小结

第四章 新型直流调速控制系统设计与仿真

4.1 引言

4.2 预测PI直流调速控制系统设计

4.3 预测PI控制器的结构形式

4.4 系统仿真

4.5 本章小结

第五章 基于OPTO22 PAC Project的控制系统工程化设计与实现

5.1 引言

5.2 软件开发平台简述

5.3 软件方案设计

5.4 本章小结

第六章 新型控制算法在贝加莱公司开发的直流电机调速系统中的应用

6.1 引言

6.2 硬件平台和软件平台

6.3 Automation Studio与MATLAB 数据通信过程

6.4 本章小节

第七章 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的专利和论文

致谢