文献综述（或调研报告）：

1、本项目是在已有的全数字直流电机调速器通信接口基础上，实现电机调速与移动客户端相结合，设计一个电机设备控制方案。

2、在通信上，选择的是利用蓝牙进行通信，因蓝牙通信在传输数据上低功耗、低代价、更灵活和更稳定和蓝牙在短距离数据传输上抗干扰性强的特点，在设计中使用手机与调速器之间使用蓝牙进行通信，完成通过手机实现调速器的参数设置，在手机对电机调速的相关数据进行显示。

3、在手机客户端中，利用蓝牙传输的关于电机调速的相关数据进行算法处理，将得到的结果进行图表显示，同时利用手机客户端上的APP对电机进行运行、停止等发送命令进行控制，实现移动客户端控制电机。

4、在PI参数整定中，使用移动客户端向电机设备发送不同的整定命令，调节电机励磁调节，运用飞升曲线法，对PI参数进行整定，完成PI参数整定实验。

5、在数据处理方面，励磁调节可近似为一阶系统进行处理，从而整定PI参数，但是由于实际操作中的损耗和系统误差，实际电机调速系统为一非线性化系统。在这一方面，可采用合适的线性化方法对数据进行处理。

6、在调速器PI控制整定方面，PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，可使系统稳定，还有足够的稳定裕度。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的此刻现状，而积分调节器的输出则记录了输入偏差量的全部历史。一方面，积分控制在无静差的角度是优于比例控制的，在另一方面，从控制的快速性上看，积分控制又不如比例控制，因此把两者相结合，兼顾了比例控制规律和积分控制规律的优点，选择调速器PI控制。比例部分能迅速响应控制作用，积分作用则最终消除稳态误差，PI控制参数整定就是为了消除警察和提高系统响应的快速性^[13][15]。除此之外，比例积分调节器还可以提高系统稳定性的校正装置。

7、对于蓝牙技术原理方面，蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球段距离无线标准之一，全新的蓝牙4.0版本将三种蓝牙技术（即传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙技术）合而为一。^[3][10]使用蓝牙传输数据，蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种设备能够实现无缝资源共享，正好本次设计将电机设备与移动客户端互传数据的目标相吻合^[2]。蓝牙技术是一种点对多点的通信协议，蓝牙设备间的数据传输不仅能够点对点，也支持点对多点的方式。蓝牙组网时最多可以有256个蓝牙单元设备连接形成微微网，其中1个主节点和7个从节点处于工作状态，其他处于空闲模式。多个微微网可以组成发散网。换句话说，一个蓝牙设备最多可以同时连接另外七个蓝牙设备，周围最多可有255个待机设备，因此利用蓝牙设备可将个人身边的设备都连接起来，形成一个个人局域网，现在设计的是一个手机客户端控制一个电机设备，利用蓝牙技术的这种网络特性，可以在之后进行拓展，利用一个手机客户端同时控制多个电机设备^[1]。与此同时，因为蓝牙技术使用全球通用的频段以及它的移动性，使得安全问题极为重要。同其它无线信号一样，蓝牙信号很容易被截取。因此蓝牙协议提供了认证和加密，实现了链路层加密。任何一项应用技术的推广发展都离不开一个好的移动应用平台以及相应的应用软件。Android平台凭着近几年的高速发展，已经向世人证明了其自身的发展潜力以及对应用技术的推动力。因此选择在Android平台下做关于蓝牙通信系统开发工作是一个明智的选择^[6]。

8.对于手机平台和APP编程技术的方面，由于近年来，智能手机已经逐渐成为人们生活中必不可少的一部分。Andriod作为Google公司最具创新的产品之一，正受到越来越多的手机厂商、软件厂商、运营商及个人开发者的追捧^[11][12]，与此同时智能手机的平常化、普通化，而Android 系统是智能手机主要搭载系统之一，因此在手机上进行APP开发是十分必要的。Android系统是基于成熟的linux 内核，具有较强的可移植性和强大的操作性^[5]。在手机APP上进行控制电机设备、传输数据等大大提高了操作的灵活性与电机操作的安全性。在设计程序语言方面，开发选用的是基于Java的Android系统软件开发，一方面Java是程序开发基础语言之一，其浓缩了C 语言的众多优势，而且在难度上，比C 语言更为简练，具有安全、简单、独立以及动态等特点。Android包括 操作系统、用户界面和应用程序等移动电话工作所需的全部组件。与此同时andriod平台的最大特征是免费和开源，利用安卓平台上的资源，我们可以获取到已经趋于完善的andriod软件，从中汲取优秀系统框架以及美化界面的开发经验，这样可以帮助我们节省软件开发的所需要的时间，Android平台的开放性等特点既能促进技术的创新，又有助于降低开发成本^[5]。

四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

1、移动客户端设计

手机客户端主要用测量整定过程中现场无法接近现场，采用手机App和借助蓝牙实现各类数据查看和控制。APP功能模块如下图1所示主要实现以下功能：

图1 手机APP界面功能模块

（1）身份验证

用户通过给定的登录名和登录密码来进行手机APP的身份验证，更好地保护用户私密性和数据的安全性。

（2）手机客户端控制电机

通过手机客户端操作人员能控制电机的启动与停止，并且向电机发送整定命令，远程操纵电机，提高了操作的灵活性与人员的安全性。

（3）手机APP数据访问

通过手机访问电机运行数据，将数据整合成图形的形式进行显示，显示励磁电流、电枢电压/电流的数据和时间曲线，同时运用算法对数据进行处理，计算相应的整定PI参数，并将之显示在手机APP中

（4）APP主要界面设计

首先在第一个界面如图2所示，用户进行登录，输入给定的用户名和密码，再点击开启按钮，用户名和密码验证成功后，开启蓝牙，进入下一个界面

用户:

密码:

开启

图2登陆界面

进入如主界面后，从左向右滑动手机，出现如下图3所示的功能界面。左边一栏是折叠在界面中，点出后，可以选则不同的功能控制电机启停、向电机发送整定命令、显示励磁电流、电枢电压/电流的数据和时间曲线、整定PI参数、设置蓝牙连接等。进入新的界面后，之后的界面左边的功能栏仍旧存在，便于用户再次进行选择功能。

图3 APP功能主界面

2、调速器PID整定模块

使用励磁PI调节控制速度环，通过PID控制器控制驱动，以驱动来控制电机，相当于一个开环系统。通过发送不同的整定命令，获取励磁电流、电枢电压/电流的数据和时间曲线，以此来整定相应的励磁调节PI参数。

其结构框图如图4所示。

图4 励磁控制结构框图

3、励磁PI控制参数整定

（1）整定方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心，它是根据被控对象被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间以及微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算来确定控制器的参数。然而这种方法由于理论与实践的误差，所得到PID参数一半血要经过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，而且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛应用。常用的PID控制器参数的工程整定方法有：临界比例度法、反应曲线法以及衰减曲线法。现在一般采用的是临界比例度法。临界比例度法整定步骤如下：（1）输入一个足够短的采样周期让系统工作；（2）只加入比例控制环节，直到系统对输入信号的阶跃信号出现临界振荡，记下此时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

本次设计整定励磁PI控制参数，使用的是飞升曲线法进行整定，根据两个不同阶跃信号的输出响应来计算控制系统的比例系数，根据飞升曲线的图形以及PI调节时间特性使用相关的公式来计算积分时间。

（2）计算

控制器可近似为一阶系统，输入信号为阶跃信号r(t)=1(t)，其拉氏变换为,系统的输出为,飞升曲线如下图5所示

图5飞升曲线

对输出进行拉氏反变换，可得一阶系统的单位阶跃响应为

一阶系统跟踪单位阶跃信号时，输出量和输入量的位置误差随着时间的增大逐渐减小，最后趋于零。输出量和输入量之间的位置误差为

稳态位置误差为

可设分别输入两个稳态值不同的阶跃信号,经过PI控制器的作用分别输出，输出信号的稳态值分别为，因此控制器的比例系数。

设一阶系统输出响应达到10%稳态值的时间为t₁，达到90%稳态值的时间为t₂，则有

解得：

因此可求得PI控制器的时间系数T。

（3）整定流程图

开始

输入信号次序为1

Y N

y₁ y₂

得到两个输出

N

Y

结束

图6整定控制器比例系数

可设分别输入两个稳态值不同的阶跃信号,经过PI控制器的作用分别输出，输出信号的稳态值分别为，因此控制器的比例系数。

开始

取得第一个时间参数t₁

y

Y N

取得两个时间参数t₁、t₂

N

Y

结束

图7整定控制器时间系数

设一阶系统输出响应达到10%稳态值的时间为t₁，达到90%稳态值的时间为t₂，则有

解得：

因此可求得PI控制器的时间系数T。

五、进度安排：