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Procedia Engineering 170 (2017) 404 – 409

工程物理国际会议，EPIC 2016

基于PID控制器的单相异步电动机调速离心纺丝装置

Yogie Sanjaya^a,b, Ahmad Fauzi^a,b, Dhewa Edikresnha^a,b, Muhammad Miftahul Munir^a,b,*,

Khairurrijal^a,b

^a数学与自然科学学院物理系

^b生物科学与生物技术研究中心，

万隆市加内萨10号，万隆市，Teknologi Bandung研究所，邮编：40132，印度尼西亚

摘 要

离心纺丝（RFS）是一种简单的高生产率、低成本的纤维制备方法。它可以通过改变聚合物浓度，溶液流速和感应电动机的速度来改变纤维的形态。电动机的速度变化会影响纤维的直径分布。因此，必须使用PID（比例积分微分）控制器，以保持纤维生产过程中速度的稳定性。用一个调光电路来控制交流电压，将此交流电压提供给感应电动机；使用带有信号调理器的旋转编码器来测量电动机速度，以此来调节电动机速度。通过应用Ziegler-Nichols整定的第二法则，得到PID控制器常数，即K_p，T_i和T_d。它们的值分别为0.001242、5和1.25。从控制系统对16,000到28,000 转/分范围内设定响应点，可以看出控制系统响应迅速。另外，通过控制系统还获得了在24,000 转/分处的最大超调345 转/分和在28,000 转/分处的最大稳态误差335 转/分。在给控制系统5 s干扰时，速度可以在34 s内恢复至其原始状态。因此，该调速系统可被认定为一种良好的控制系统。

copy;2017作者。由Elsevier Ltd.发布。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

copy;2016作者。由Elsevier Ltd.发布

2016年工程物理国际会议组委会负责的同行评审

关键词：调速；单相感应电动机；调光器；比例积分微分；旋转力旋压。

介绍

离心纺丝（RFS）是一种相对较先进的纤维制造方法，具有较高的生产率和较低的生产成本，因此非常适合纤维的批量生产[1]。另外，RFS方法的组成很简单，前体溶液的电导率不会影响形成的纤维质量，这与静电纺丝是矛盾的[2]。RFS法可以通过改变聚合物浓度，溶液流速和感应电动机的速度来控制纤维的形态。此外，聚合物浓度的变化会影响纤维的直径，而电机速度的变化会影响纤维直径分布[3]。

但是，由于纤维形态的控制参数有限，需要对这些参数进行优化以获得高质量的纤维。可以优化的参数之一是感应电动机的速度，而电动机速度可以通过改变交流电压值来调节[4]。此外，感应电动机速度的稳定性会影响到纤维的直径分布，因此控制感应电动机速度是十分必要的。所以，我们需要适当的控制系统来调节感应电动机的速度。为了保持所需的系统输出，可以使用PID（比例积分微分）控制器[5-7]。

本文研究了RFS中使用的单相感应电动机的调速系统的设计和开发。为了调节提供给感应电动机的交流电压，使用了具有相位切割法的调光电路。

*通讯作者。电话： 62-022-2500834；传真： 62-022-2506452。

电子邮件地址：miftah@fi.itb.ac.id

1877-7058copy;2017作者。由Elsevier Ltd.发布。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

2016年工程物理国际会议组委会负责的同行评审

doi:10.1016/j.proeng.2017.03.065

PID控制器用于使感应电动机维持速度稳定。控制器常数使用Ziegler-Nichols整定的第二法则确定。调速系统的响应速度也通过对电动机施加干扰来进行测试。

1. 调速系统设计

图1中显示了将应用于RFS的调速系统。该系统的工厂部分由一个单相感应电动机（220V，50Hz，350W）和一个旋转编码器组成，该旋转编码器使用光耦合器作为检测器，并设计了基于运算放大器LM 358的信号调理器器。该系统还具有使用微控制器（ATmega 8A，Atmel）的调光器电路，产生PWM（脉冲宽度调制）波的最小系统（Mikro AVR 8535，Creative Vision），由100kOmega;电阻与1mu;F的电容器构成的DAC（数模转换）电路和一个显示器（计算机）。

computerr

Mikro A VR 8535

DAC

Circuit

图

plant

ATmega8A

ADC

电

PWM

UART

Dimmer

Circuit

INT1

Rotary

Encoder

Induction

Motor

图1.调速系统框图

图2.调光器电路

调速系统中使用的调光器电路如图2所示。调光器电路是从常用电路[8]修改而来的。该电路用于调节提供给感应电动机的交流电压。其操作如下：通过二极管电桥（BR1）对220V交流电压进行整流，以形成峰值为220V的全波整流直流电压。全波整流的直流电压通过4N35光耦合器（U2）转换为5V脉冲。LM358比较器（U3：A）用于减小脉冲宽度。二极管电桥（BR1）以及4N35光耦合器（U2）和

LM358比较器（U3:A）称为过零检测器。LM358比较器生成的5V脉冲作为ATmega 8A（U1）的外部中断信号，以开始切相过程。在相切过程中，MOC3021三端双向可控硅开关驱动器（U4）和BT136三端双向可控硅开关（U5）用作将交流电压提供给感应电动机（M1）并控制其功率的开关。为了触发双向可控硅驱动器（U4），使用了来自Atmega 8A的INT 1端口的信号。缓冲电路由1kOmega;电阻（R9）和100nF电容器（C4）组成，用于保护双向可控硅不受电动机产生的感应电流的影响。由100kOmega;电阻（R5）和1mu;F电容器（C3）组成的低通滤波器（LPF）充当图1所示的DAC电路。

图3. PID控制器的框图

图3中显示了应用于速度调节系统的PID控制器。E（t）表示测得的速度B（t）与期望速度R（t）之间的差值，G（t）表示控制器输出，它是比例，积分和微分控制动作的求和结果。来自调光器的交流电压的变化用C（t）表示。为了获得在PID控制器中使用的控制器常数，采用了Ziegler-Nichols整定的第二法则。

测试结果与讨论

通过提供220V电压和50Hz频率的交流电源线来检查二极管电桥和过零检测器。一对电阻器R1和R2（见图2）限制了施加到二极管电桥的交流电源。图4（a）和（b）分别显示了二极管电桥（BR1）和过零检测器（LM358）的输出。出于安全考虑，使用具有降压变压器的示波器来减小其峰值，以捕获图4（a）中给出的全波整流DC电压。图4（a）中显示，经全波整流的直流电压的频率为100 Hz。图4（b）显示了一系列脉冲，其峰值为5V，频率为100Hz。因此，图4（a）和4（b）已确认二极管电桥和过零检测器正常工作。

图4.（a）全波整流的直流电压和（b）过零脉冲

调光器电路和旋转编码器通过改变感应电动机的速度进行了测试。图5（a）显示了调光器电路输出交流电压（黄色/上线）和旋转编码器输出信号（蓝色/下线），处于低速状态。图5（b）显示了调光器电路输出的交流电压和旋转编码器的输出信号，处于高速状态。旋转编码器的输出信号已确认了感应电动机速度的变化。通过比较图5（a）和5（b）可以看出，当感应电动机速度变大时，旋转编码器输出信号的频率变高，并且提供给感应电动机的功率增加。高速和低速时的功率差异是由切掉的交流电压的相位引起的，其中，低速时的切入相位大于高速时的切入相位。当交流电压的截止相位变大时，提供给感应电动机的功率变小。

图5.（a）低速和（b）高速时，调光器电路（黄线/高线）和旋转编码器（蓝线/低线）的输出

设定点（所需速度）由计算机确定，测得的速度也发送到计算机。PID控制器能够根据误差确定提供给感应电动机的交流电压，该误差为速度设定值与测量值之间的差。如果测量值低于设定值，则交流电压的截止相位变小，提供给感应电动机的功率变大。当感应电动机的速度随着所提供功率的增加而增加时，速度将接近设定点。当感应电动机速度达到设定点时，提供给电动机的功率将减小，直到感应电动机速度达到设定点为止。PID控制器常数会影响速度调整过程中达到设定点的时间，超调量以及稳态误差值。采用Ziegler-Nichols整定的第二法则来得到合适的PID控制器常数。

图6. K_p为0.00207的系统响应，用于调整PD控制器

在确定PID控制器常数时，首先要做的是通过反复试验方法更改比例常数（K_p=0.00207）的值来测试系统响应。所获得的系统响应必须为如图6所示的周期波的形式。通过改变K_p值进行调速系统响应测试，在20000转/分时将Kp分别更改为0.001、0.002、0.00205、0.00207、0.0021和0.003。系统响应是每个K_p值处的周期波，但在K_p=0.00207处获得了稳定的周期波，如图6所示。该结果用于调整控制器常数，以便控制系统的输出在短时间内以较小的超调量达到设定点。根据稳定的周期波，可以确定极限增益（K_u）为0.00207，极限周期（T_u）为10 s。通过Ziegler-Nichols整定的第二法则[7]给出的公式，可以获得PID控制器常数的值。表1列出了获得的PID控制器常数。

然后将获得的P1ID控制器常数应用于PID控制器。控制系统对设定点16,000、20,000、24,000和28,000 转/分的响应如图7所示。实验表明，其稳定时间为25、36、50和69 s，上升时间分别为23 、28、35和47 s。控制系统在设定点24,000 转/分时有最大345 转／分超调，在设定点28,000 转/分时有335 转/分的稳态误差。由于它们只需要很短的时间就能达到稳定，这意味着控制系统具有快速响应的能力，可以被认定为一个好的控制系统[6]。

图7.控制系统对设定值16,000、20,000、24,000和28,000 rpm的响应

图8显示了速度调节系统在受到干扰时的抗扰性。将控制系统设置为20,000 转/分的速度，并在50 s时给出5 s的干扰。感应电动机的速度降低到其初始速度的65％，并且可以在34 s内恢复到其原始状态。由于它能够快速恢复，可以证明控制系统具有良好的抗扰性。

图8.带有干扰的控制系统响应

结论

本文成功开发了用于离心纺丝设备中的单相感应电动机的调速系统。应用了PID（比例积分微分）控制器，以将感应电动机的速度保持在所需值。通过使用Ziegler-Nichols整定的第二法则，获得PID控制器常数（K_p，T_i和T_d）；它们分别是0.001242、5和1.25。观察到控制系统对设定点在16,000到28,000 rpm范围内的响应，发现控制系统具有快速响应的能力。此外，控制系统在设定值24,000 转/分时有345 转/分的最大超调，在设定值28,000 转/分时有335 转/分的最大稳态误差。当给控制系统施加5 s的干扰时，速度可以在34 s内恢复到其原始状态。因此，该调速系统被认为是一种良好的控制系统。

致谢

在2016年，这项工作得到了“ Unggulan Perguruan Tinggi（PUPT）

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