電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)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(cè)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(hào)采樣，并完成對(duì)目標(biāo)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(tái)，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(cè)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(cè)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(chǔ)器中內(nèi)建的LabVIEW RT實(shí)時(shí)程序，并實(shí)時(shí)偵聽(tīng)客戶機(jī)“開(kāi)始測(cè)試”的命令；客戶機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測(cè)試項(xiàng)目、設(shè)置測(cè)試參數(shù)后，啟動(dòng)測(cè)試程序；服務(wù)器偵聽(tīng)到客戶端“開(kāi)始測(cè)試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測(cè)試項(xiàng)目以及測(cè)試參數(shù)開(kāi)始實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)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(duì)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(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，分析處理測(cè)試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果；完成測(cè)試后，客戶機(jī)發(fā)出結(jié)束測(cè)試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認(rèn)后，結(jié)束測(cè)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(hào)； 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(jiǎn)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(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) 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(duì)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(huì)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(wú)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(hào)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(guò)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(guò)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(guò)試驗(yàn)比較，采用積分分離式PID控制算法將過(guò)渡過(guò)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(lái)完成對(duì)定標(biāo)參量的控制。

　　該電動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)，并利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控機(jī)對(duì)多路并行工位的遠(yuǎn)程操控以及測(cè)試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；高精度數(shù)字萬(wàn)用表模塊DMM-4070利用四線制測(cè)量電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞阻，測(cè)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(cè)量精度可達(dá)到0.3%。該系統(tǒng)具有測(cè)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(chǎng)，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(cè)試。