基于LabVIEW的直流电机速度控制系统的设计与分析.docx

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1、本科生毕业论文（设计）题 目： 基于LabVIEW的直流电机速度控制系统的设计与分析院 系：机电工程学院专 业：班 级：学生姓名：姜京元指导教师：二O一五年五月学术诚信声明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料均真实可靠。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本论文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生姓名：姜京元 日期：2015年6月18日写在前面的话这篇论文与其理解为一个基于LabVIEW

2、的直流电机速度控制系统设计与分析的学术论文，倒不如理解其是一个LabVIEW新手指导教程。本论文详细介绍了 LabVIEW 基本操作方法，Simulation & Control Design工具包、PID工具包中的各种工具和使用方法，DAQ系统的建立和使用方法。这是一个非常适合本科大学生初次使用LabVIEW时进行学习的材料。我在写这篇论文的过程中走了很多弯路但是好在最终结果还算令人满意。在这里我把我总结的LabVIEW各部件作用及使用方法系统的介绍给大家，方便大家学习和使用 LabVIEW。摘要直流电机由于具有传动比分级精细，转速型谱宽，电机结构紧凑，承受过载能力强，等优势，实现对直流电机

3、的精确速度和位置控制一直是国内外研究的焦点。本次实验设计借助NI公司的LabVIEW2013软件构建直流电机速度控制程序实现直流电机的速度控制。设计过程主要分为四部分，第一部分为虚拟电机模型的构建。通过对电机的电气方程和机械方程的拉数学处理求得电机转速与输入电压之间的传递函数。查阅直流电机用户手册上的相关参数值代入传递函数获得电机数学模型。第二部分为模型匹配过程，通过向真实电机和虚拟电机发送相同的控制信号，并比对响应波形进行模型参数调整达到模型匹配要求。第三部分为PID控55制器设计，即PID参数试凑部分，借助于虚拟电机传递函数进行PID参数的试凑，获得一套可以使电机控制系统性能指标达到设计要

4、求的PID参数。第四部分为真机测试，将P1D试凑获得的参数代入实际控制系统的PID控制器中进行实际电机速度控制，观察分析响应波性是否达到设计指标。上述四部分中，后面三部分都需要在LabVIEW软件上面进行，通过编写相应的VI达到功能要求。需要掌握的基础知识有：LabVIEW基本操作方法，利用Simulation & ControlDesign工具包、PID工具包构建控制系统，DAQ系统的建立和使用，PID参数的整定方法,DCMCT实验板的硬件结构及使用方法。关键词：直流电机；速度控制；LabVIEW； PID； DAQ； DCMCTAbstractFor the reason that DC

5、motor equips the advantages of fine transmission ratio classification,wide speed type spectral, compact motor structure and overload bearing, the research of precisevelocity and position control of DC motor has always been the experimenting focus. Thisexperiment established DC motor velocity control

6、 system based on the LabVlEW2013 by NIcompany.The overall system design process can be divided into 4 sections. The first section is modelconstruction. By the mathematical deductions on the motor electrical equations and mechanicalequations of the motor, the transfer function with parameters is obta

7、ined, following the referenceof the user manual of DCMCT in order to find out the parameter values, which helped to buildup the mathematical model. The second part is model validation, in which the model and the realmotor receive the same input signal. By comparing the differences between the output

8、s of modeland read motor, the parameter values of the model are determined. The next is PID controllerconstruction and the most important part in this stage is the estimation of PID gains. Finally, thelast part of this experiment is the realization of control system. The PID gains calculated are put

9、into the real control system and the final result of the control system is analyzed.In the four sections above, all of the last three stages are operating on Lab VIEW. Byprogramming different Vis to accomplish the requirements respectively. The demands of thisexperiment are that students should mast

10、er the operation of Lab VIEW basic functions, as well asthe use of Simulation & Control Design toolkit, PID toolkit, NI DAQmx, QNET DCMCT andthe method of parameter setting.Keywords: DC motor; velocity control; Lab VIEW; PID; DAQ; DCMCT第1章绪论01.1 本课题的研究背景和意义01.2 课题的研究现状01.3 本课题的工作内容11.4 本文的结构安排1第2章硬件

11、介绍32.1 DCMCT 实验板32.1.1 实验板基本组件介绍32.1.2 实验板DAQ系统介绍52.2 Nl ELVIS II62.2.1 Nl ELVIS II 结构介绍6第3章 虚拟仪器与LabVIEW介绍73.1 虚拟仪器73.1.1 虚拟仪器简介73.1.2 虚拟仪器的优势73.2 LabVIEW73.2.1 LabVIEW 概述73.2.2 LabVIEW 编程语言8第 4 章 Nl - DAQmx104.1 DAQmx 简介104.1.1 传统 DAQmx 工具104.1.2 传统虚拟通道建立过程124.2 DAQ助手的使用14第5章基本控制系统和PID控制器的构建165.1

12、基本控制系统的构建165.1.1 使用Simulation选项卡工具构建控制系统165.1.2 使用Control Design选项卡工具构建控制系统185.2 PID控制器的构建215.2.1 基本的PID控制器构造215.2.2 使用CD工具构造PID控制器22第6章直流电机模型的构建和模型匹配过程246.1 建立直流电机仿真模型246.1.1 直流电机的电气方程和机械方程246.1.2 建立开环模型256.1.3 查阅参量数值并带入传递函数关系式266.2 模型匹配276.2.1 模型匹配VI简介276.2.2 模型匹配过程介绍296.2.3 模型匹配触发波形幅值选择306.2.4 可变

13、参数传递函数构建306.2.5 电机停转控制31第7章直流电机控制器设计与控制结果分析337.1 控制器设计337.1.1 确立系统类型337.1.2 建立闭环传递函数347.2 PID参数整定347.2.1 参数整定VI介绍347.2.2 PID参数试凑法357.2.3 动态系统方框图及系统性能指标自动计算377.3 直流电机控制器实现397.3.1 电机速度手动控制系统响应分析397.3.2 电机速度控制系统响应分析407.3.3 LabVIEW中波形发生器实际频率求取437.3.4 系统响应结果分析437.3.5 结果分析447.3.6 簇的构建45第8章结论47致谢47参考文献48第1

14、章绪论1.1 本课题的研究背景和意义虚拟仪器技术(Virtual instrument)就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。错判未找到引用源。因此，其研究的意义非常重要。直流电机(direct curr

15、ent machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。直流电机的定子是一个固定磁场，直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场，从而在定子内转动。在工业企业中，由于直流电源相对比较可靠，直流电机一般用于要求能够可靠运行的备用机械或保安机械；而由于直流电机随着输入电压的变动转速也能变动，所以需要经常调速的地方采用直流电机也不少，如电车、电力机车等等。错恻未找到引用源。在此基础上，研究直流电机的基于虚拟仪器的速度控制将有极大的意义。1.2 课题的研究现状直流电机由于具有传动比分级精细，选择范围广，转速型谱宽，电机结构紧凑，体积小，造型美观，承受过载能力强，能耗低，性能优越，振动小，噪音低等优势，实现对直流电机的精确速度和位置控制一直是国内外研究的焦点。但是在NI公司的LabVIEW软件面世之前，直流电机的控制系统设计和研究由于体系不规范，通用性不强等原因，普通高校通常情况下并没有涉足。我国基于LabVIEW和QNE