直线电机控制器设计(附件)
科技的进步促进了生活水平的提高，生活中控制对象越来越多，人们一直在寻找更好的方法去提高控制性能。PID控制是其中最为优越的控制方案。实现起来相对容易、结构比较简单、拥有很好的控制效果是PID控制器的特点，当然，最重要的是PID控制器的稳定性，在工业控制中其表现也是相当不错。PID控制器涉及到的参数浅显易懂，具备一定物理知识基础的人就可以驾驭。理论层面的分析体系也是比较完善，工程中运用的比较多，属于大众化的控制方法。电动机作为众多机械的动力源和控制系统的硬件设备一直是国际上积极研究的重要方向，其中直线电机作为新型结构电机而或得了较高的关注度。凭借自身的特性优势，相比于传统旋转电机结构上省去了旋转的丝杠螺母，减小了机械损失，降低了材料损耗，控制上更直接，尤其在直线运动为主的工业控制中，大大提升了控制精度。在交通运输、起重搬运、车床进给等需要直线运动机械方面有着广阔的发展前景。传统的PID 控制器也存在着一些问题，比如控制器参数整定比较繁杂，如果参数整定不好的话，其控制性能就差强人意,难以适应实际的工作状况。而控制对象系统的特性发生变化时，控制系统就难达到最佳的控制要求。而鉴于比例积分微分控制目前依然是主流控制方式，所以PID控制参数整定方法的研究具有较高的应用价值。这篇文章根据稳定边界法则利用MATLAB缩短直线电机控制器参数的整定时间，提高参数的优化质量和效率。关键词 直线电机 ，MATLAB， 参数整定 ，系统仿真
目 录
1 引言3
2 直线电动机进给系统研究现状4
2.1 国外研究成果 4
2.2 国内研究成果 5
3 直流直线电机的工作原理 6
4 控制方案9
4.1控制器主要硬件10
4.1.1 处理器芯片10
4.1.2 位移传感器10
4.1.3 光电编码器10
5. PID控制简介10
5.1 比例控制11
5.2 积分控制12
5.3 微分控制12
5.4 采样周期12
6 PID参数的整定方法13
6.1 临界比例度法13
6.2 PID参数整定步骤14
7 M *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
ATLAB简介15
8 PID参数的整定和优化17
8.1搭建仿真模型17
8.2设置模块参数18
8.3实验现象分析18
结论 22
致谢 23
参考文献24
1 引言
随着经济水平的提高，科学技术飞速发展，人们对于个性化、便利化的生活的追求日益增加。近代科技进步无不体现一个规律，以机器代替手工，减少人力支出，提高生产效率，优化生产质量。为了让机器更能按照人的意愿工作，人们对于控制的精度和可靠性提出了越来越高的要求，对传统的成熟的控制理论(包括现代控制理论和经典控制理论两种)和技术在实际应用中产生了严峻的挑战[1]。尤其在机器人等高精尖控制领域，技术问题矛盾突出，急需新的活力注入到自动控制领域。智能控制是控制领域的新的发展方向，强调控制过程的高效率，人性化，个性化，控制程序不仅仅是硬件的驱动，如今更是多领域的综合产品。因此智能控制能够像人一样去解决传统控制方法下所无法解决的控制问题。
目前比例积分微分（PID）控制方式依然是工业控制的主流控制方法。不论是实现的便利性，控制的效果还是系统的稳定性都比较优秀。PID控制方法于1932年由英国的Callender和Stevenson等人发明，从此之后便成为了过程控制和运动控制的主流控制方法[2]。但在实际系统设计过程中,繁杂的参数整定方法对工程师造成了很大困扰,PID的三个控制参数相互影响，调试繁琐，如果不能达到理想的控制效果，原因就是其控制参数整定不佳。如今随着计算机技术的和虚拟仿真技术的发展，PID参数的整定优化又有了新的解决办法。
MATLAB是由美国Mathworks公司发布的一种仿真软件，数值分析、矩阵计算、可视化科学数据以及动态非线性系统等等[3]，都可以在一个简单易懂，操作人性便利的视图窗口中完成模型建立和仿真分析，在工程设计领域不仅提高了设计水准而且能够节省大量的资源。特别是需要进行有效值计算的科学领域，计算机仿真可以节约不必要的计算劳务时间，大大提高工作效率。而且MATLAB几乎不再需要非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，形成自己的方便实用、综合便捷、具有多样特性的控制系统设计开发环境[4]。那么在PID控制参数的整定问题上，借助于MA TLAB设计环境就可以十分简单迅速准确的调整好其主要参数，而且还能进行十分细致的参数优化工作，以获得最佳的控制效果。
直线电机主要是指直线电动机，一种能够直接把电能转换成机械能的新型电机。基于相同的电磁原理，直线电机的结构可以根据需求定制，有扁平型、盘型或圆筒型等等，其工作电源涵盖交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源[5]。直线电机可以作为航母上的电磁弹射器将数吨的战机极短时间内加速到几百公里每小时，也可作为机床上的高精度进给系统，控制精度是丝杠结构的上百倍。其应用前景十分广阔。直线电机有很多类，其中直流直线电机就是一种应用广泛的直线电机，应用范围涉及航天、自动化控制、工业检测、信息系统、及其他各个技术领域[6]。近年来，特征优势明显的直线电机在机床进给系统中的应用引起人们极大的关注。相较于传统电动机和直线运输机构，直线直流电动机的优点是运行效率高，拥有较高的功率因数;控制相对便利、灵活度高。直线直流电动机如果和闭环控制系统配合使用，能够对位移，速度和加速度进行十分精准的控制，使得调速效果更佳的平顺[7]。直线电机驱动的进给系统的主要性能包括进给速度、提速制动最大加速度、推力区间、定位精度、重复定位精度、动态性能和热力学性能等[9]。目前直线电机进给系统研究的重心主要在电机的机械结构优化和提高运行程序控制性能两方面，以提升直线进给系统的工作性能[10]。其中，控制技术方面研究侧重于尝试用不同的控制方法，并根据这些方法采用高性能的硬件，设计相对应的控制器。
本文会结合稳定边界法与传统PID控制参数整定法，运用MATLAB仿真技术以实现对PID的参数的整定和优化。同时对比传统PID参数整定法，体现仿真技术支持下PID参数整定的高水准和高效率。
2 直线电动机进给系统研究现状
2.1 国外研究成果
直线电机的概念在1838年法拉第发现电磁感应定律后几乎是和旋转电机的概念同时提出的。1840有人开始试制直线电机，但是以失败告终。由于材料技术、制造技术以及控制技术等各方面的限制，直线电动机的研究与应用一直没有显著的发展。直到1945年，美国西屋电气公司成功研制了一台以7400Kw的直线电机为动力的飞机直线弹射器，其强大的性能可以在4.1秒内将一架重为4535Kg的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速到 188千米每小时。直线电机至此终于开始大显身手，其在直线运动领域的优势愈加明显。此后，各国开始高度重视把直线电机运用到民用工程领域之中，高速列车作为首要的研发方向，并计划予以实施，但受制于当时的科技水平，仍然困难重重。60年代末期，控制技术的进步和许多新材料的成功研制为直线电动机的发展铺实了基础，逐步发明出了例如MHD泵、自动绘图仪、磁头定位装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置、仪表和计算机等基于直线电动机的新型设备。而直线电机在高速机床上的应用是在1993年，在第10届汉诺威的欧洲机床展览会上，德国展出了采用直线电机驱动的XHC240型机床加工中心。其三坐标轴轴均采用德国Indramat公司生产的感应式交流直线伺服电机，最高进给速度为60m/min，最大加速度为1g。与此同时美国Ingersoll铣床公司也研制成功了HVM800和HVM600型高速加工设备，其三坐标轴进给装置均采用美国Anorad公司生产的永磁式直线电机，最高进给速度可达达1.27m/s，加速和制动加速度值最高可达1.5g。而在第12届EMO(汉诺威，1997)上，已有20多家公司展出了采用这种传动装置的机床。像法国Renault Automation的高速加工中心、意大利Saimp的磨床、西班牙Danobat的加工中心、澳大利亚幻Kirby Engineering的晰磨机等都采用了Siemens公司的直线电机作为直线进给的动力源。
目 录
1 引言3
2 直线电动机进给系统研究现状4
2.1 国外研究成果 4
2.2 国内研究成果 5
3 直流直线电机的工作原理 6
4 控制方案9
4.1控制器主要硬件10
4.1.1 处理器芯片10
4.1.2 位移传感器10
4.1.3 光电编码器10
5. PID控制简介10
5.1 比例控制11
5.2 积分控制12
5.3 微分控制12
5.4 采样周期12
6 PID参数的整定方法13
6.1 临界比例度法13
6.2 PID参数整定步骤14
7 M *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
ATLAB简介15
8 PID参数的整定和优化17
8.1搭建仿真模型17
8.2设置模块参数18
8.3实验现象分析18
结论 22
致谢 23
参考文献24
1 引言
随着经济水平的提高，科学技术飞速发展，人们对于个性化、便利化的生活的追求日益增加。近代科技进步无不体现一个规律，以机器代替手工，减少人力支出，提高生产效率，优化生产质量。为了让机器更能按照人的意愿工作，人们对于控制的精度和可靠性提出了越来越高的要求，对传统的成熟的控制理论(包括现代控制理论和经典控制理论两种)和技术在实际应用中产生了严峻的挑战[1]。尤其在机器人等高精尖控制领域，技术问题矛盾突出，急需新的活力注入到自动控制领域。智能控制是控制领域的新的发展方向，强调控制过程的高效率，人性化，个性化，控制程序不仅仅是硬件的驱动，如今更是多领域的综合产品。因此智能控制能够像人一样去解决传统控制方法下所无法解决的控制问题。
目前比例积分微分（PID）控制方式依然是工业控制的主流控制方法。不论是实现的便利性，控制的效果还是系统的稳定性都比较优秀。PID控制方法于1932年由英国的Callender和Stevenson等人发明，从此之后便成为了过程控制和运动控制的主流控制方法[2]。但在实际系统设计过程中,繁杂的参数整定方法对工程师造成了很大困扰,PID的三个控制参数相互影响，调试繁琐，如果不能达到理想的控制效果，原因就是其控制参数整定不佳。如今随着计算机技术的和虚拟仿真技术的发展，PID参数的整定优化又有了新的解决办法。
MATLAB是由美国Mathworks公司发布的一种仿真软件，数值分析、矩阵计算、可视化科学数据以及动态非线性系统等等[3]，都可以在一个简单易懂，操作人性便利的视图窗口中完成模型建立和仿真分析，在工程设计领域不仅提高了设计水准而且能够节省大量的资源。特别是需要进行有效值计算的科学领域，计算机仿真可以节约不必要的计算劳务时间，大大提高工作效率。而且MATLAB几乎不再需要非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，形成自己的方便实用、综合便捷、具有多样特性的控制系统设计开发环境[4]。那么在PID控制参数的整定问题上，借助于MA TLAB设计环境就可以十分简单迅速准确的调整好其主要参数，而且还能进行十分细致的参数优化工作，以获得最佳的控制效果。
直线电机主要是指直线电动机，一种能够直接把电能转换成机械能的新型电机。基于相同的电磁原理，直线电机的结构可以根据需求定制，有扁平型、盘型或圆筒型等等，其工作电源涵盖交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源[5]。直线电机可以作为航母上的电磁弹射器将数吨的战机极短时间内加速到几百公里每小时，也可作为机床上的高精度进给系统，控制精度是丝杠结构的上百倍。其应用前景十分广阔。直线电机有很多类，其中直流直线电机就是一种应用广泛的直线电机，应用范围涉及航天、自动化控制、工业检测、信息系统、及其他各个技术领域[6]。近年来，特征优势明显的直线电机在机床进给系统中的应用引起人们极大的关注。相较于传统电动机和直线运输机构，直线直流电动机的优点是运行效率高，拥有较高的功率因数;控制相对便利、灵活度高。直线直流电动机如果和闭环控制系统配合使用，能够对位移，速度和加速度进行十分精准的控制，使得调速效果更佳的平顺[7]。直线电机驱动的进给系统的主要性能包括进给速度、提速制动最大加速度、推力区间、定位精度、重复定位精度、动态性能和热力学性能等[9]。目前直线电机进给系统研究的重心主要在电机的机械结构优化和提高运行程序控制性能两方面，以提升直线进给系统的工作性能[10]。其中，控制技术方面研究侧重于尝试用不同的控制方法，并根据这些方法采用高性能的硬件，设计相对应的控制器。
本文会结合稳定边界法与传统PID控制参数整定法，运用MATLAB仿真技术以实现对PID的参数的整定和优化。同时对比传统PID参数整定法，体现仿真技术支持下PID参数整定的高水准和高效率。
2 直线电动机进给系统研究现状
2.1 国外研究成果
直线电机的概念在1838年法拉第发现电磁感应定律后几乎是和旋转电机的概念同时提出的。1840有人开始试制直线电机，但是以失败告终。由于材料技术、制造技术以及控制技术等各方面的限制，直线电动机的研究与应用一直没有显著的发展。直到1945年，美国西屋电气公司成功研制了一台以7400Kw的直线电机为动力的飞机直线弹射器，其强大的性能可以在4.1秒内将一架重为4535Kg的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速到 188千米每小时。直线电机至此终于开始大显身手，其在直线运动领域的优势愈加明显。此后，各国开始高度重视把直线电机运用到民用工程领域之中，高速列车作为首要的研发方向，并计划予以实施，但受制于当时的科技水平，仍然困难重重。60年代末期，控制技术的进步和许多新材料的成功研制为直线电动机的发展铺实了基础，逐步发明出了例如MHD泵、自动绘图仪、磁头定位装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置、仪表和计算机等基于直线电动机的新型设备。而直线电机在高速机床上的应用是在1993年，在第10届汉诺威的欧洲机床展览会上，德国展出了采用直线电机驱动的XHC240型机床加工中心。其三坐标轴轴均采用德国Indramat公司生产的感应式交流直线伺服电机，最高进给速度为60m/min，最大加速度为1g。与此同时美国Ingersoll铣床公司也研制成功了HVM800和HVM600型高速加工设备，其三坐标轴进给装置均采用美国Anorad公司生产的永磁式直线电机，最高进给速度可达达1.27m/s，加速和制动加速度值最高可达1.5g。而在第12届EMO(汉诺威，1997)上，已有20多家公司展出了采用这种传动装置的机床。像法国Renault Automation的高速加工中心、意大利Saimp的磨床、西班牙Danobat的加工中心、澳大利亚幻Kirby Engineering的晰磨机等都采用了Siemens公司的直线电机作为直线进给的动力源。
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