2024年6月13日发(作者:)

直流电动机PID控制的仿真研究

直流电机长期以来都在调速系统领域占据主导地位,在磁场一定的条件下,

转速和电枢电压成正比,转矩容易被控制,同时具有良好的启动性能。在分析直

流电机主要性能指标的基础上,提出了通过Matlab对直流电机模型进行仿真,

分析系统参数是否满足设定要求的方法。

标签:直流电机; PID;仿真

中图分类号:TB 文献标识码:A 文章编号:1672

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0 引言

长期以来,直流电机被广泛应用于调速系统中,而且一直在调速系统领域占

居主导地位,这主要是因为直流电机不仅调速方便,而且在磁场一定的条件下,

转速和电枢电压成正比,转矩容易被控制;同时具有良好的启动性能,能较平滑

和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。本文在分

析直流电机主要性能指标,如设定时间,超调量,稳态误差,上升时间,调整时

间,等等。以及控制方法的PID控制,即通过控制比例、积分、微分参数分析

系统的稳态曲线,并且在这个基础上提出了通过Matlab对直流电机模型进行仿

真,分析系统参数是否满足设定要求的方法。

1 直流电机调速方法简介

直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用

恒定直流电压给直流电动机供电,通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种

方法简单易行、设备制造方便、价格低廉;但缺点是效率低、机械特性软,不能

得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场

合。20世纪30年代末期,发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电

动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和

平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困

难。近年来,随着电力电子技术的迅速发展,由晶闸管变流器供电的直流电动机

调速系统已取代了发电机-电动机调速系统,它的调速性能也远远地超过了发电

机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展,

使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

直流电机的转速n和其他参量的关系可表示为 :

n=Ua-IaRaCEφ上式中:

Ua-电枢端电压(V);

Ia-电枢电流(A);

Ra-电枢电路总电阻(Ω);

φ-励磁磁通(wb);

CE-电势系数。CE=pN60a,p为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体

数。

综上所述可以看出,式中Ua、Ra、φ三个参量都可以成为变量,只要改变

其中一个参量,就可以改变电动机的转速

2 PID控制的原理

PID控制是工业过程控制中常用的控制方法,因PID控制器结构简单、实现

简易,且能对相当一些工业对象(或过程)进行有效的控制。PID控制器是一种线

性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差:e(t)=r(t)

-c(t)。

将偏差的比例( P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,进

而对被控对象进行控制,故称PID控制器。其控制规律为:

u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫t0e(t)dt+Tdde(t)dt]

或写成传递函数形式:

U(s)E(s)=Kp(1+1Tis+Tds)

其中,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。

简单说来,三种环节的控制作用如下 :

第一,比例环节。误差一旦产生,控制器立即就有控制作用,使被控制量朝

着误差减小的方向变化,其控制作用的强弱取决于比例系数Kp。比例控制的缺

点是对于系统阶跃响应值为一有限值的被控对象存在静差。加大Kp可以减小静

差,但Kp过大时,会破坏系统的动态性能,甚至使闭环系统不稳定。

第二,积分环节。它能对误差进行记忆并积分,有利于消除静差。积分控制

的缺点在于积分作用具有滞后特性。如果积分控制作用太强就会使系统的动态性

能变差,甚至使系统变得不稳定。

第三,微分环节。它能对误差进行微分,敏感于误差的变化趋势,增大微分

控制可以加快系统响应,使超调量减小,增加系统稳定性。它的缺点是对于干扰

同样敏感,使系统抑制干扰能力降低。在数字控制系统中,使用的是数字PID

控制器。因此有

U(s)=(Kp+Kis+Kds)E(s)

其中,Kp、Ki和Kd分别称为比例增益、积分增益和微分增益。

对上式作z变换得:

U(z)=[Kp+KiT1-z-1+KdT(1-z-1)]E(z)

进一步简化得:

U(z)(1-z-1)=[Kp(1-z-1)+KiT+KdT(1-2z-1+z-2)]E(z)

以离散时域形式表示为:

u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KiTe(k)+KdT[e(k)-2e(k-1)

+e(k-2)]

特别地,如果最后一个式子中Kd等于零,该控制器即为PI控制器。

3 直流电机的PID控制仿真研究

系统在开环状态下慢慢的达到稳态,但是系统的性能指标不满足设计要求。

如果在此条件下加一个反馈回路,并且设定一个PID控制器来控制系统,此时

系统的方框图如图1所示:

图1 PID控制系统方框图其中PID控制器设计为

Kp+KIs+KDs=KDs2+Kps+KIs

若设定PID控制增益Kp。假设Kp=100,此时闭环系统的带比例控制的阶

跃响应图形如图2所示:

由图2中我们可以看到稳态误差和超调量都太大了,必须重新设定参数让

PID控制器中的Ki和Kd小一点,假设Ki=1,Kd=1,此时的系统图形如图3所

示:

图2 闭环系统的带比例

控制的阶跃响应图图3 重新设定参数后

的阶跃响应图

由图3中可以看到设定时间太长了也不满足要求所以我们必须增加Ki来减

少设定时间,设Ki=200,此时系统图形如图4所示:

由图4我们可以看到响应太快了,也不满足要求,也可从图中分析出很大的

Ki会增大系统的超调量,所以我们需要增加积分环节来减少超调量。改变积分,

使得 Kd=10,此时系统图形如图5所示:

图4 改变Ki后

的阶跃响应图

图5 改变Kd后

系统的阶跃响应图

由图5如果我们设定PID控制器的参数Kp=100,Ki=200,Kd=10我们可以

看到所有我们设定的参数都满足设计要求。

4 结语

在直流调速领域的理论和实践中,我们经常运用的是一些传统的控制算法:

如PID控制根轨迹控制,频率响应,状态空间分析方法等等,这些算法在多数

情况下都能取得较好的控制效果,能够达到我们所期望的控制指标。传统的控制

算法实现简单,运算量小,易学易用,经常是我们在遇到自动控制问题时首先想

到的解决办法。尤其是PID控制,在现代工业现场仍然占有很重要的地位,仍

然具有简单,高效,成本小的优点。本文在提高控制系统的性能、实用性、智能

化方面进行了大量的研究工作,希望对相关研究有所帮助。

参考文献

[1]黄友锐.PID控制器参数整定与实现[M].北京:电子工业出版社,

2010.

[2]舒怀林.PID神经元网络及其控制系统[M].北京:国防工业出版社,

2009.FLASH动画导入会声会影问题和解决策略

端木佩霞 宋相凤

(河南三门峡中等专业学校,河南 三门峡 472000)

“会声会影”是一套操作简单、功能强大的视频编辑软件.从“会声会影9.0”以

后的版本都支持Flash动画的导入使用,但是从Flash动画到视频,Flash动画有

什么变化?是否保持了我们在Flash播放器中看到的动画效果?提出了Flash导入

会声会影可能存在的问题和解决策略。

标签:会声会影;视频;FLASH

中图分类号:TB 文献标识码:A 文章编号:1672

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1 “会声会影”FLASH文件的导入

“会声会影”的Flash应用丰富,可以从“视频”或者“装饰/ Flash”导入Flash动

画。但有时候遇到Flash不能导入到“会声会影”中,系统提示“文件格式不匹配”。

这时首先要检查系统是否安装Quick-time,因为Flash属于二维动画,任何视频

处理软件要导入,都必须安装Quick-time。其次打开C:\WINDOWS\system32

\Macromed\Flash下的(如果是其它版本的flash也可能文件名有差别,

也可能是或者其它,不过需要注意的是后面的扩展名只有一个,认准

它就行了,如果看不到扩展名就打开文件夹选项的查看里,有一个“隐藏已知文

件类型的扩展名”前面的小勾去掉就能看到了);复制这个文件,将其名改为

.放在同一目录下。如果目录下有一个文件名是那么复制它改

名为,这个目录下和是并存的;复制改了名的

到C:\Program Files\Ulead Systems就是“会声会影”的安装目录。最后

重新打开“会声会影”。

2 “会声会影”FLASH文件的使用

导入的Flash动画可以放在视频主轨道,也可以放在覆叠轨道上。然后调整

一下参数就可以了。其中对Flash文件的参数调整包括两方面,一个是文件播放

时间长度的调整,另一个则是对Flash文件画面中,动画内容的大小和位置的属

性调整。但在使用的实际过程中,我们发现不同的Flash文件可以分为两类,它

们分别适用于前景和背景的使用。其中用于前景的Flash文件,我们最好将它放

在覆叠轨上,此时画面的背景大多需要变成透明的,这个工作对于黑色背景的

Flash文件来说,系统是将默认其背景为透明的;而如果导入了自己的Flash文件,

并且这个文件的背景不是黑色时,就需要进行一下抠像处理了。相比之下,用于

背景的Flash文件则简单得多,一般直接把它放在视频轨上,稍作调整就可以了。

3 FLASH导入“会声会影”后画面一闪而过,只有一桢

透明一桢的Flash在Flash播放器中播放却没有问题 而导入视偏软件中就一

闪而过,无论是在视频轨还是在覆叠轨,都不能形成动画效果。一桢的Flash是

作者为了节省步骤 把每个动作都设定了循环 也许循环一次,也许两次,也许很

多次,所以它只是由一个或多个只有一帧的小动画组成的可以正常播放的动画,

Flash本身没问题,只是显示方式本身和视频模式不同。解决办法用“硕思闪客之

锤”重新对Flash动画进行第二次编辑。即增加动画帧,具体多少帧,就看需要

了。“硕思闪客之锤” 是一个非常好用的Flash反编译工具,它可以将SWF格式

直接转换为FLA格式。

4 FLASH导入“会声会影”后声音问题的处理

会声会影常见的MP3、WAV、WMA、AC3等音频文件基本都支持,Flash

只支持wma,和mp3格式的音频,Flash可以导入,播放也正常,就是Flash里

的声音不能一起导入,几乎所有的视频编辑软件都无法导入Flash文件中的声音。

解决办法还是用“硕思闪客之锤”把swf的声音抽出来 再用会声会影把Flash里的

声音导入,把声音文件放到音乐位置。“硕思闪客之锤”可以分析并批量导出SWF

动画中的资源,包括向量图、变形向量图、图片、声音、字体、文字、动画、按

钮、动画影格及ActionScript脚本等。

5 FLASH文件在“会声会影”中的剪辑问题

在制作视频素材过程中,有时候需要部分的Flash文件,可能是的片头,也

可能是局部,这时可以把Flash文放在“会声会影”视频主轨道上,像处理一般视

频素材一样进行剪辑,截取需要的部分,然后将需要的部分拉到覆叠轨道上使用。

对于Flash文件中片头LOGO和按钮Play,Stop等的删除,则需要反编译软件“硕

思闪客之锤”重新对Flash动画进行第二次编辑。

6 FLASH导入在“会声会影”中的清晰度问题

Flash中的图像一般为矢量图像,放大多少倍都不影响画面的质量,做成的

Flash在暴风中清晰度很好,但是导入“会声会影”后就变的模糊了,尤其是边缘

都有毛刺,这是分享时(也就是做成视频时),选择的是分辨率小的视频了,Flash

做好,导出SWF透明文件,导入会声会影,如果做的是小动画,请导入视频轨

道2,导入时会生成默认大小,然后调整大小,调整清晰度,越小越清晰。如果

要发布到网络播客或者QQ传给好友分享的,那么最终生成的视频文件肯定首选

WMV格式。

7 Flash文件ActionScript脚本在“会声会影”无法显示

会声会影是视频软件,只要帧,没有指令,Flash是带ActionScript脚本指令

的动画,会声会影只能读出Flash中场景下的帧,会声会影读出来的只能以不带

号令的帧的形式。

参考文献

[1]刘树安.多媒体教学课件制作方法探讨[J].甘肃科技纵横,2007.

[2]叶海燕.家庭DV影片处理典型实例[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[3]杨静远.如何在会声会影中应用好FLASH 动画[J].电脑知识与技术,

2006,(3).