電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.軟件結(jié)構(gòu)及算法
3.1.軟件結(jié)構(gòu)
電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶機(jī)/服務(wù)器(CS)結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為NI cFP分布式I/O體系,利用其內(nèi)嵌的獨(dú)立式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參量的信號采樣,并完成對目標(biāo)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制;客戶機(jī)則采用通用的PC機(jī)結(jié)構(gòu),運(yùn)行Windows 多線程操作系統(tǒng),使用LabVIEW虛擬儀器平臺,借助TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn),與服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信,并提供GUI圖形化用戶界面,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,完成控制參數(shù)的輸入,以及檢測數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算和圖表顯示。
系統(tǒng)操作流程為,上電后服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實(shí)時(shí)程序,并實(shí)時(shí)偵聽客戶機(jī)“開始測試”的命令;客戶機(jī)開機(jī)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測試主程序,完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項(xiàng)目、設(shè)置測試參數(shù)后,啟動(dòng)測試程序;服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后,按照客戶制定的硬件配置、測試項(xiàng)目以及測試參數(shù)開始實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集,并通過TCP/IP協(xié)議將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機(jī);客戶機(jī)發(fā)出PID控制命令,并對服務(wù)器發(fā)送的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,完成PID控制后,按照測試項(xiàng)目進(jìn)行測試,分析處理測試數(shù)據(jù),并以圖表方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果;完成測試后,客戶機(jī)發(fā)出結(jié)束測試的命令,經(jīng)服務(wù)器接收確認(rèn)后,結(jié)束測試。
3.2.PID控制算法
本系統(tǒng)試驗(yàn)了3種PID控制算法:位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法[5]。
1) 位置式PID控制算法
位置式PID控制算法描述為:其中, =0,1,2……為采樣序號; 為第 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值; 為第 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值; 為第 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值; 為積分系數(shù), ; 為微分系數(shù), ; 為比例系數(shù); 為積分時(shí)間常數(shù); 為微分時(shí)間常數(shù); 為采樣周期。該算法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單,只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化,運(yùn)用于計(jì)算機(jī)輔助測量,結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān),計(jì)算時(shí)要對 進(jìn)行累加,計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大;而且,因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置,如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障, 得大幅度變化會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。
2) 增量式PID控制算法
增量式PID控制算法描述為:其中 。該算法的優(yōu)點(diǎn)是,由于計(jì)算機(jī)輸出增量,誤動(dòng)作時(shí)影響小,必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉;手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小,便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換,此外當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí),由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用,故仍能保持原值;算式中不需要累加??刂圃隽?的確定,僅與最近 次的采樣值有關(guān),所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處:積分截?cái)嘈?yīng)大,有靜態(tài)誤差;溢出的影響大。3) 積分分離PID控制算法積分分離PID控制算法描述為:
當(dāng)時(shí),即偏差值 比較大時(shí),采用PD控制,可避免過大的超調(diào),又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng) 時(shí),即偏差值 比較小時(shí),采用PID控制,可保證系統(tǒng)的控制精度。圖4所示緯三種PID控制算法的階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過試驗(yàn)比較,采用積分分離式PID控制算法將過渡過程時(shí)間由位置式的19.5s和增量式的16s,縮短為12s;最大超調(diào)量由位置式的36℅和增量式的25℅,縮小為18℅,具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、遇干擾回復(fù)能力強(qiáng)的特點(diǎn),最后使用了積分分離式PID控制算法來完成對定標(biāo)參量的控制。
該電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對多路并行電動(dòng)工具的自動(dòng)加載,扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測,并利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控機(jī)對多路并行工位的遠(yuǎn)程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享;高精度數(shù)字萬用表模塊DMM-4070利用四線制測量電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻,測量精度可以達(dá)到6 ? 位;功率分析儀使用高精度功率傳感器模塊,測量精度可達(dá)到0.3%。該系統(tǒng)具有測量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)、并行效率高等優(yōu)點(diǎn),已被運(yùn)用于工業(yè)現(xiàn)場,實(shí)際使用中運(yùn)行穩(wěn)定可靠,適用于多種類型電動(dòng)機(jī)耐久性和綜合性能測試。
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