1 引言

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好^[1]，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、 轻工等工业部门中得到广泛应用。因此，对直流电机的速度控制方法进行研究仍然有必要^[2]。采用虚拟仪器技术构建测试仪器，不仅测试精度、稳定性和可靠性高，而且开发效率高，可维护性强，有很高的性价比，节省投资，利于设备更新和功能的转换与补充^[3]。因此，虚拟仪器在生产过程控制中和产品性能测试，设备故障诊断都得到广泛的应用，其研究的意义非常重大。

2 硬件系统的设计

本论文研究的直流电机速度控制系统的硬件系统如图1所示，包括PC机，NI ELVIS 平台工作站和原型实验板。其中实验板上的器件包括1k 电阻、10k 电阻、红外线发光二极管（IR LED）、直流（DC）小电机。其中两个电阻是为了分压的作用，10k 电阻更是作为考察的对象，红外线发光二极管是一对发射红外线和接受红外线的器件，万用表等测量工具。硬件系统实现了功能：通过计算机运行程序，启动数据采集卡，从ELVIS工作平台上采集到模拟数据，然后进行采样，量化，输送到计算机程序界面上，之后程序根据实际情况与需要达到的目的进行比较，发出控制信号，传输到ELVIS 工作平台上，从而实现了速度控制。

工作原理：当光线被挡住时，传感器接收边接收不到光信号，使右边形成短路，电阻上电压为低电平，当光线不被挡住时，传感器接收边接收到光信号，使右边形成通路，电阻上输出高电平。右边是电机，转轴上安装一个突出薄板，薄板随电机转轴仪器旋转，没转一圈就挡住光电传感器的光线，使传感器输出一个脉冲。这样电机每转一圈，就会产生一个脉冲信号给PC机上的数据采集卡，通过数据采集，利用LabVIEW强大的子VI库中的Pulse Measurements vi，测试脉冲持续时间或波形的周期。

3 控制系统的软件设计

直流电机速度控制系统的软件系统设计包括LabVIEW的前面板设计和框图设计，前面板提供了可视化的控制界面，框图提供了详细的程序控制过程，下面是程序设计的结果。

3.1 控制系统前面板程序设计

图2为直流电动机速度控制系统前面板的设计。实现的功能：通过在前面板设置PID控制系数以及电压，启动运行，然后通过框图的各部分功能的实现，从而得到了实时的速度图形，以及过程速度变化情况。

3.2 控制系统控制程序框图

    图3为直流电机速度控制系统后置板的流程框图。实现的功能：通过接受控制电压和PID 系数后，采集电机的转速，与预期值进行比较，从而超前性的输出控制电压，控制电机的转速。

4 PID控制器的设计

由于直流电机速度控制中，很难调到等幅振荡状态，因此，针对本次控制系统设计，采用4：1衰减法进行整定实验。

4.1 4:1衰减法

    4:1衰减法的基本原理是先把积分时间放到最大，微分时间放到零。待调节系统稳定后，逐步增大比例增益，观察输出电压（电流）和调节过程的波动情况， 直到出现4:1衰减过程为止^[4]。记录4:1 比例增益和操作周期，根据表1所列的经验公式，求得调节器各个参数的具体数值，然后把三个参数加到控制器上进行控制。观察调节过程， 如发现记录曲线不理想，可进行少量调整。

（1）按纯比例系统整定：比例增益，调节器，，待系统稳定后，逐步增大比例增益，直到出现4:1的衰减曲线，假设此时的调节器比例增益为，振荡周期为。

（2）按表1经验公式， 计算、、 数值． 

（3）整定、、参数，观察调节过程曲线，曲线不理想时，可适当进行调整。

表1 4:1衰减法经验公式^[5]

4.2 4:1衰减法的在线实时控制过程

按照上面所讨论的整定步骤进行整定：

5 结束语

通过研究直流电机的结构，建立控制模型，然后设计出PID控制器，最后较好的对直流电机速度进行控制。本文所研究的控制方法对于其他类似控制，乃至工业锅炉控制等也有着积极地意义。

参考文献

[1] 蒋达,梁庆辉,蒋清丰.无刷直流电机PWM调速控制系统的建模与仿真[J].数字技术与应用,2012 (2):144-148．

[2]岳学磊,白鹏,杨瑞坤,华伟民,三相8极无刷直流电机控制系统设计[J].电子技术应用,2016(4):114-118．

[3]李亚康,谢志远,聂盛阳.毕亭亭.基于虚拟仪器的分布式直流电机PID控制系统设计[J].河北大学学报(自然科学版),2015(4):58-62． 

[4]杨世勇,徐国林.模糊控制与PID控制的对比及其复合控制[J].自动化技术与应用,2011（11）：102-106．

[5]刘慧博,王静.吴彦合.无刷直流电机模糊自适应PID控制研究与仿真[J]．控制工程，2014(4)：31-33．

作者简介

张建平（1983--） 女  副教授 研究方向：信息处理及通信技术