数字PID控制器在升降机调速系统中的应用

液压升降机

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PID调节是工业过程控制中应用最广泛的一种自动控制方法。某些恒转矩调速系统如升

降机、电梯等机电设备在运行过程中对动态性能和静态性能要求较高，而这些系统具有多变量、非线性和大惯性等特点，模拟PID控制常常不能满足系统稳定鲁棒性和品质鲁棒性的要求。随着计算机控制技术的发展和应用，数字信号处理芯片DSP以其运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势用于工业生产过程，在异步电动机调速系统中实现参数可调的数字PID控制，从而获得与直流调速系统同样优良的动、静态性能。

SDD系列智能型自动施工升降机具有双吊笼结构，其传动机构由两套独立工作的拽引机组组成，各吊笼分别由一台异步电动机独立控制。电动机拖动主动轮，每个主动轮再与两个从动轮、拽引钢丝绳配合构成绳传动机构，带动吊笼上下垂直运动。

拽引机构的电气和机械特性：

定子电压与转子特性参数之间、定子电流的励磁分量与转矩分量之间存在耦合关系；定子电压、电磁转矩、电源频率之间也存在耦合关系。因此定子绕组电阻r．、电抗x．以及转子折合电阻r2 、电抗x：等电机参数可作为控制系统电流环的动态参数，它们是控制电流变化率的依据；机械参数T、CT等作为速度环的参数，也是决定系统稳定性的主要依据。

调速系统模型：

该自动施工升降机是一种电梯式绳传动提升机构，其功能是在小高层或高层建筑施工中对施工材料、机具、预制构件等重物进行上下垂直运输。为了满足升降机系统控制目标，对调速性能有如下要求：① 定位精确，跟随误差小，无超调；② 响应速度快，当控制信号改变(扰动)时，系统应能快速响应，恢复时间短且无振荡；③调速范围宽，低速时能输出额定转矩。

能够直接反映升降机动态特性的主要参数之一是电动机的速度，由于开环调速系统存在起动转矩小、低速性能差、稳态精度低、动态性能不理想等缺点，实际工程应用中常常采用速度反馈、电流反馈、位置反馈等构成一个控制策略优良的闭环调速系统来保证达到控制要求。在变频调速的控制方式中，U／F控制比较简单，但在低频时，最大转矩T一会随着频率的降低而减小，而转矩太小会限制调速系统的负载能力，不能保证恒转矩输出。目前较为理想的方法是采用矢量控制，矢量控制变频调速(包括有速度和无速度传感器)理论已经非常成熟。其基本原理是：速度给定信号rg(k)和速度反馈信号rf(k)相比较后，经过PID调节，产生类同于直流电机的励磁电流分量和电枢电流分量，再经过坐标变换实现定子电流的励磁分量与转矩分量的解耦，从而对其励磁分量与转矩(转速)分量进行独立控制，然后再经过相应的坐标反变换获得三相电流控制信号，与控制器产生的频率控制信号一起，通过逆变器在异步电机定子三相绕组上施加基波频率为f的SPWM电压，以达到调节电机转速的目的。

采用矢量控制型通用变频器，其数字给定分辨率可达Q0o1Hz，最高输出频率120--650Hz，可用于标准的异步电动机，对于动态指标要求比较高的升降机械设备非常适合。

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升降机调速系统的组成和原理：

由于单片机无法满足大量数字信号的实时运算和处理，而高速数字信号处理芯片DSP非常适合在数字系统中进行各种运算和坐标变换，并能够方便地实现各种复杂的控制算法。因此本系统由单片机和DSP作为主控器，采用速度传感器矢量控制，数字PID调节方式，实现变频调速及传动系统的自动控制，以满足系统对调速性能的要求，达到智能控制的目的。

PID调节过程如下： 电机按照给定的梯形速度轨迹运行，在速度环中，由微机实时提供每点的转速，作为给定速度信号rg(k)，与实测的反馈转速rf(k)进行比较，求得的误差信号e(k)，经PID运算、限幅处理、矢量控制的坐标变换与反变换后，获得电动机三相电流(转矩电流)给定值，输出U。(t)，作为电流环的输入给定信号；② 电流环采用PI控制，前级给出的电流信号与实际测得的电流反馈信号比较得到误差e。(k)，再经过PI调节，输出三相电流控制信号，与频率信号一起构成三相变频电流，最后提供给电动机。

调试前根据建筑物各楼层高度、层数设置好位置传感器，分为单层上、下运行调试和连续多层上、下运行调试。调试步骤为：①先按照以前手动控制时的运行经验，给定升降机某一类运行方式的理想速度图，调整各运行参数和调节参数，直到动态性能和静态性能均符合系统要求，然后测出电动机运行参数，用来计算和整定两级PID调节系统的参数范围；② 改变运行方式、负载大小等反复调试以确定不同工况下的最佳PID参数；(最后由计算机根据升降机实际运行状态逐点计算并据此绘制出运行速度图，作为给定的速度参数存入主控器的ROM中。整机调试阶段，主控制器将系统每次运行的结果与控制目标函数比较，并自动计算和整定PID参数，建立数据库存入R0M。运行时，用查表指令MOVC A，@A DPTR可以实时调用不同工况下的参数。

实际操作的一般步骤为：① 操作人员发出指令如：自动上(或下)到第n层(或地面)等控制命令后，主控制器调出相应的电机运行速度数据作为给定信号；②将反馈信号与给定信号比较后由DSP运算，经过相应的PID调节，送出控制量；③ 等待下一个给定速度的到来，再运算，再调节，直到货物被运送到指定位置，系统将终端状态反馈到微控制器，本次任务完成。

数字PID控制器在变频调速系统中的应用，针对智能型施工升降机的控制要求和特点，给出了一种科学合理的控制策略。DSP结合矢量控制变频调速方法用于升降机系统的控制后，大大提高了建筑施工机械的自动化程度，满足了系统动、静态性能指标。其中的PID调节参数需要针对具体的工程要求，在现场调试测量，以获得理想的控制效果，这也正体现了数字PID控制系统参数可调的优点。

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