計算機控制實驗課程設(shè)計報告-直流電機轉(zhuǎn)速pid控制

1、<p>　　基于89c52單片機的PWM直流電機PID控制調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　實驗報告</b></p><p><b>　　系統(tǒng)總體方案設(shè)計</b></p><p>　　直流電機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取</p><p>　　對直流電機轉(zhuǎn)速的控制有一般有兩種方式，一種是

2、開環(huán)控制，一種是閉環(huán)控制。開環(huán)控制的優(yōu)點是簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點是精度通常較低，無自動糾偏能力；閉環(huán)控制的優(yōu)點是控制的精度可以達到很高，而且對外界的干擾和系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的抑制作用，且可以通過輸出反饋控制系統(tǒng)的控制過程。缺點是存在穩(wěn)定性，振蕩，超調(diào)等一系列問題，對系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計遠比開環(huán)控制麻煩。</p><p>　　經(jīng)過利

3、弊的取舍，本次試驗選擇的是閉環(huán)控制，因為準備應(yīng)用PID算法控制電機的轉(zhuǎn)速，故而需要有實際轉(zhuǎn)速進行反饋與給定的轉(zhuǎn)速形成對比，進而通過算法輸出PWM波形來控制直流電機。</p><p>　　既然選擇了直流電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，可根據(jù)反饋機制大概做出其控制模型。</p><p>　　直流電機調(diào)速方式的選取</p><p>　　直流無刷電機由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路

4、三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動機定子繞組供電，電動機轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。在應(yīng)用實例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來實現(xiàn)。電機的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個。為了提高電機的特性，電機采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的

5、工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。</p><p>　　基于直流電機的特性,本次試驗使用的是PWM脈寬調(diào)制方法。脈寬調(diào)制 (PWM)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM 具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺

6、陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。PWM對調(diào)速系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標比較好;電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡單。</p><p><b>　　PWM的原理：</b></p><p>　　理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效

7、果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。</p><p>　　用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖1所示為脈

8、沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。</p><p>　　直流電機測速裝置的選取</p><p>　　經(jīng)過查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)目前常用的測速裝置有三種。</p><p><b>　

9、　直流測速發(fā)電機測速</b></p><p>　　直流測速發(fā)電機可分為勵磁式和永磁式兩種。勵磁式由勵磁繞組接成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵磁電源，也不因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣。</p><p>　　根據(jù)已學(xué)過的直流發(fā)電機的工作原理知，電刷兩端的感應(yīng)電勢 ：</p><p>　　Ea = Ceфn=Ke

10、n可知</p><p>　　1.電刷兩端的感應(yīng)電勢與電機的轉(zhuǎn)速成正比。</p><p>　　2.直流發(fā)電機能夠把轉(zhuǎn)速信號換成電勢信號，從而用來測速。</p><p>　　自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)動機的要求為：1.輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線為線性。2.輸出特性的斜率要大。3.溫度變化對輸出特性的影響要小。4.輸出電壓的波紋要小。5.正反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致。</

11、p><p>　　圖中實線為直流測速發(fā)電機的理想輸出特性，虛線為實際輸出特性，實際特性與要求的線性特性之間存在誤差，且該誤差與負載電阻有關(guān)。</p><p>　　直流測速發(fā)電機的優(yōu)點是原理簡單，且在一定范圍內(nèi)能夠滿足系統(tǒng)的需求。缺點是其輸出的是電壓值，如果使用在數(shù)字信號電路里是必須得用AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。而且其需要處于線性區(qū)，但是現(xiàn)實中線性的系統(tǒng)基本上很少，故而現(xiàn)在已經(jīng)不常用。鑒于本實驗

12、使用的是單片機控制系統(tǒng)，故而此測速方式不適用。</p><p><b>　　霍爾傳感器測速</b></p><p>　　霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強得多，利用這現(xiàn)象

13、制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。</p><p>　　電機每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2脈沖,且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖

14、的寬度,則電機的實際轉(zhuǎn)速為： </p><p><b>　　V=N*30;</b></p><p>　　V:速度 R/min</p><p>　　N:每秒采樣的脈沖個數(shù)</p><p>　　霍爾傳感器輸出的是脈沖，可以直接將輸出脈沖接入單片機外部計數(shù)器，故而非常簡單實用。</p><p><

15、b>　　光電編碼器測速</b></p><p>　　其效果跟霍爾測速一致，但是霍爾元件利用的是電磁產(chǎn)生脈沖，光電編碼器利用的是光產(chǎn)生脈沖。它的原理是通過電動機的轉(zhuǎn)動帶動碼盤的轉(zhuǎn)動，碼盤上有很多縫隙，縫隙每經(jīng)過紅外管一次就會產(chǎn)生一個脈沖，進而直接輸入單片機，經(jīng)過算法處理得到實際轉(zhuǎn)速。</p><p>　　經(jīng)過分析，本次試驗選取的是光電碼盤測速。首先是因為同時測量霍爾元件和光

16、電編碼器，發(fā)現(xiàn)光電編碼器的靈敏度更高，且其價格便宜。最關(guān)鍵的是它很好用。</p><p><b>　　系統(tǒng)控制算法的選取</b></p><p>　　控制算法是微機化控制軟件系統(tǒng)的一個重要組成部分，可以說整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實線。所以控制算法的好壞直接決定了這個系統(tǒng)的好壞。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制，稱為PID控制。它能滿足相當

17、多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最廣的控制算法。由于是用單片機控制的系統(tǒng)，故而我們采用數(shù)字PID控制。</p><p>　　模擬PID控制規(guī)律的離散化</p><p>　　數(shù)字PID控制器的差分方程</p><p>　　式中 稱為比例項</p><p><b>　　稱為積分項</b>

18、</p><p><b>　　稱為微分項</b></p><p><b>　　常用的控制方式</b></p><p>　　1、P控制 </p><p>　　2、PI控制 </p><p>　　3、PD控制 </p>

19、<p>　　4、PID控制 </p><p>　　PID算法的兩種類型</p><p>　　1、位置型控制――例如圖5－1－5調(diào)節(jié)閥控制</p><p>　　2、增量型控制――例如圖5－1－6步進電機控制</p><p>　　由于控制的是直流電機，當執(zhí)行機構(gòu)采用控制直流電機的直流PWM裝置和晶閘管整流裝置時，可以采

20、用數(shù)字PID位置型控制算法；當執(zhí)行結(jié)構(gòu)采用步進電機，每個采樣周期控制輸出的控制量時，是相對于上次控制量的增加，故此時要采用數(shù)字PID增量型控制算法。</p><p>　　由于此實驗控制的是直流電機，故而采用數(shù)字PID位置型控制算法。</p><p>　　數(shù)字PID控制器主要參數(shù)是Kp，τi，τD和采樣周期Ts。系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)是選取合適的PID控制器參數(shù)使整個系統(tǒng)具有滿意的動態(tài)特性，并滿足穩(wěn)

21、態(tài)誤差要求。具體的參數(shù)選取要靠matlab仿真，仿真結(jié)果見下文matlab篇。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p><p>　　用AT89C52單片機作為控制核心；用uln2003驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，用pwm波來控制此芯片間接控制電機轉(zhuǎn)速；用光電編碼器測速進行反饋；用復(fù)位開關(guān)進行電機給定速度的調(diào)節(jié)，由加速鍵，減速鍵和清零鍵構(gòu)成。如圖：</p>

22、;<p><b>　　第二章、硬件設(shè)計</b></p><p>　　2.1 AT89C52芯片介紹</p><p>　　AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MC

23、S-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　其主要功能特性:</b></p><p>　　1、兼容MCS51指令系統(tǒng)</p><p>　　2、8k可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM；</p><p>　　3、32

24、個雙向I/O口；</p><p>　　4、256x8bit內(nèi)部RAM；</p><p>　　5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；</p><p>　　6、時鐘頻率0-24MHz；</p><p>　　7、2個串行中斷，可編程UART串行通道；</p><p>　　8、2個外部中斷源，共8個中斷源；</p>

25、<p>　　9、2個讀寫中斷口線，3級加密位；</p><p>　　10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；</p><p>　　11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。</p><p>　　AT89C52為40 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上

26、與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5

27、V電源的正負端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。</

28、p><p>　　2.2直流電機驅(qū)動芯片ULN2803的設(shè)計</p><p>　　此驅(qū)動芯片采用的是高電壓大電流八達林頓晶體管陣列,該陣列的八個NPN達林頓管連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機和其他類似負載間的接口的理想器件。廣泛應(yīng)用于計算機，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流二極管。ULN2803的設(shè)計與標準TTL系列兼容，而UL

29、N2804可使6至15伏高電平CMOS或PMOS優(yōu)化。它的最大額定值為如下表：</p><p>　　ULN2803是一個7路反向器電路，即當輸入端為高電平時ULN2803輸出端為低電平，當輸入端為低電平時ULN2803輸出端為高電平，繼電器得電吸合。</p><p>　　本次試驗驅(qū)動電路如下：</p><p>　　通過在1B接口輸入PWM波形，1C口輸出相反電平。

30、</p><p>　　2.3 數(shù)顯管顯示給定速度和實際速度模塊</p><p>　　此處用的是共陰極數(shù)顯管，為四位數(shù)顯管。其段選接在P0口，由于P0口是高阻態(tài)，故而接在單片機上時要接上拉電阻，一般上拉電阻定為10k。其位選接在P2口。驅(qū)動數(shù)顯管的芯片有很多，有一個很流行的是74HC573鎖存器，但是由于單片機的接口充足，所以這里沒有采用驅(qū)動裝置，用的是小的數(shù)顯管，也不需要用三極管放大電流，

31、所以側(cè)重它的編程。顯示的方法是應(yīng)用的動態(tài)顯示，應(yīng)用人的視覺暫留來顯示數(shù)值。</p><p><b>　　此模塊電路圖如下：</b></p><p>　　2.4 按鍵模塊設(shè)計</p><p>　　鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤?？寇浖幊虂碜R別的鍵盤稱為非編碼鍵盤，在單片機組成的各種系統(tǒng)中，用的較多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨立鍵盤和行列式鍵

32、盤。</p><p>　　單片機檢測按鍵的原理是：單片機I/O口既可作為輸出也可作為輸入使用，當檢測按鍵時用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機的某個I/O口相連，開始時先給該I/O口賦以高電平，然后讓單片機不斷的檢測該I/O口是否變?yōu)榈碗娖?，當按鍵閉合時，既相當于該I/O口通過按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測到I/O口變成低電平則說明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。</p>

33、<p>　　但是在按鍵按下的時候，由于按鍵是彈性的，這過程會產(chǎn)生抖動，抖動時間的長短和按鍵的機械特性有關(guān)，一般為5—10ms。</p><p>　　通常我們手動按下鍵然后立即釋放，這個動作中穩(wěn)定閉合的時間超過20ms。因此單片機在檢測鍵盤是否按下時都要加上去抖動操作，有專用的去抖動電路，也有專用的去抖動芯片，但通常我們用軟件掩飾的方法就能很容易的解決抖動問題，而沒有必要再添加多余的硬件電路。</

34、p><p>　　剛開始想用4*4鍵盤輸入給定速度，但是仔細考慮了一下性價比，經(jīng)過慎重選擇，我拋棄了這個鍵盤，改用3個復(fù)位開關(guān)調(diào)節(jié)給定速度。具體過程是：一個復(fù)位開關(guān)決定了速度的加，每一次加一定的速度值；還有一個復(fù)位開關(guān)見決定了速度的減，每一次減一定的速度值；還有一個復(fù)位鍵是用來置零的。加速鍵接在p1.0口上，減速鍵接在P1.1口上，置零鍵接在P1.3口上。</p><p>　　2.5 測速模塊設(shè)

35、計</p><p>　　本實驗應(yīng)用的是紅外管輸入脈沖，深色物的紅外反射率因不同的材料而不同，發(fā)射管發(fā)射出紅外線，在材料上反射回來，由接受管接受。當有信號反射回來時輸出低電平，沒有反射時輸出高電平。</p><p>　　這個光電編碼器整體是買來的實物，在仿真軟件protues中沒有很合適的仿真物，我用可以直接輸出脈沖的直流電機代替了。買的時候我進行了現(xiàn)場的測試，發(fā)現(xiàn)它非常的靈敏，作為電動機轉(zhuǎn)

36、速的測量綽綽有余了。</p><p>　　第三章、 軟件部分設(shè)計</p><p>　　3.1 數(shù)顯管顯示軟件設(shè)計部分（void SegRefre()）</p><p>　　數(shù)顯管有八位，前四位顯示的是給定速度，后四位現(xiàn)實的是實際測得的轉(zhuǎn)速。假設(shè)前四位數(shù)顯管為管A，后四位為管B,則經(jīng)過分析研究作出數(shù)顯管AB的程序流程圖分別如下：</p><p>

37、;<b>　　程序為：</b></p><p>　　void SegRefre() //數(shù)碼管顯示刷新</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　Data_Buffer[0] = SpeedSet/1000;</p><p>　　Data_Buffer[1] = Spe

38、edSet%1000/100;</p><p>　　Data_Buffer[2] = SpeedSet%100/10;</p><p>　　Data_Buffer[3] = SpeedSet%10;</p><p>　　Data_Buffer[4] = num/1000;</p><p>　　Data_Buffer[5] = num%1000

39、/100;</p><p>　　Data_Buffer[6] = num%100/10;</p><p>　　Data_Buffer[7] = num%10;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.2 外部中斷p3.3計數(shù)程序（void exter0() interrupt 0）</p&g

40、t;<p>　　此外部中斷主要用于對測速產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)。程序流程圖為：</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　void exter0() interrupt 0 //外部中斷脈沖計數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Inpl

41、use++;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.3 定時器0中斷軟件設(shè)計（void timer0() interrupt 1）</p><p>　　定時器0中斷主要用于數(shù)顯管顯示數(shù)值和一定時間間隔內(nèi)對轉(zhuǎn)速進行采樣計算PID控制，初始化中斷時間設(shè)置為2ms。</p><p><b>

42、　　程序流程圖為：</b></p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　void timer0() interrupt 1 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　static unsigned char Bit = 0;//靜態(tài)變量，退出

43、程序后，值保留</p><p>　　static unsigned int time = 0;</p><p>　　static unsigned int aa = 0;</p><p>　　TH0 = THCO;</p><p>　　TL0 = TLCO;</p><p>　　aa ++ ; //100MS串

44、口輸出一次數(shù)據(jù)</p><p>　　if ( aa == 50)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　aa = 0;</b></p><p>　　flag0 = 1;</p><p><b>　　}</b></p&g

45、t;<p>　　cnt ++ ;// PID脈沖周期</p><p><b>　　Bit ++ ;</b></p><p>　　time ++ ;//轉(zhuǎn)速測量周期</p><p>　　if(Bit >= 8) Bit=0;</p><p>　　P2 = 0xff;</p><p&g

46、t;<b>　　//先關(guān)位</b></p><p>　　P0 = Duan[Data_Buffer[ Bit ] ];//開段碼</p><p>　　switch(Bit)//送位碼</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0: P2 = 0XFE; brea

47、k;</p><p>　　case 1: P2 = 0XFD; break;</p><p>　　case 2: P2 = 0XFB; break;</p><p>　　case 3: P2 = 0XF7; break;</p><p>　　case 4: P2 = 0XEF; break;</p><p>　　cas

48、e 5: P2 = 0XDF; break;</p><p>　　case 6: P2 = 0XBF; break;</p><p>　　case 7: P2 = 0X7F; break;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(time >= 500) //1s鐘讀取一次轉(zhuǎn)速<

49、/p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　time = 0;</b></p><p>　　num = Inpluse*10; //計算轉(zhuǎn)速</p><p>　　Inpluse = 0;</p><p>　　PIDControl();// 1s 控制一次&

50、lt;/p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.4 PWM算法程序設(shè)計（void PWMOUT()）</p><p>　　Pwm是通過PID計算出來的偏差來調(diào)整輸出脈沖的寬度還控制電機的轉(zhuǎn)速的。</p><p>&l

51、t;b>　　程序流程圖如下：</b></p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　void PWMOUT() //PWm輸出</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ( cnt < PWMTime )<

52、;/p><p><b>　　{ </b></p><p>　　PWM_FC = 0 ;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p>

53、<p>　　PWM_FC = 1 ;</p><p><b>　　} </b></p><p>　　if ( cnt > 250) cnt = 0 ; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.5 PID控制算法程序設(shè)計（void PIDControl(

54、)）</p><p>　　當電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變,或電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時,會引起偏差的階躍,使e增大,PID的輸出uk將急劇增加或減小,以至于超過控制量的上下限,電機的轉(zhuǎn)速SPEEDSET雖然不斷上升,但由于控制量受到限制,其增長的速度減慢,偏差E將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在較大的偏差值,該程序主要是把設(shè)定的轉(zhuǎn)速減當前測量得到的轉(zhuǎn)速來計算偏差，從而用PWM輸出方式來確定輸出脈沖的寬度。</p>

55、;<p><b>　　程序流程圖如下：</b></p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　void PIDControl() //PID偏差計算</p><p><b>　　{</b></p><p>　　e = SpeedSet -

56、 num ;</p><p>　　duk=( Kp*(e - e1) + Ki*e + Kd*(e - 2*e1 + e2))/100 ;</p><p>　　uk = uk1 + duk ;</p><p>　　out = (int)uk ;</p><p>　　if(out > 250)</p><p>&l

57、t;b>　　{</b></p><p>　　out = 250 ;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(out < 0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　out =

58、0 ;</b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　uk1 = uk ;</p><p><b>　　e2 = e1 ;</b></p><p><b>　　e1 = e ;</b></p><p>　　PWMTim

59、e = out ;</p><p><b>　　} </b></p><p>　　void delay(uchar x)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uint i = 0,j = 0;</p><p>　　for(i = x ;

60、 i > 0 ; i--)</p><p>　　for(j = 50 ; j > 0 ; j--) ;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.6 按鍵程序設(shè)計</p><p>　　由于按鍵與數(shù)顯管的顯示相關(guān)，故其程序流程圖已給，下面只給其算法如下：</p><p&

61、gt;　　void SetSpeed() //按鍵 速度設(shè)定</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ( AddSpeed==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(20) ;//有鍵按下</p><p&g

62、t;　　if( AddSpeed==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SpeedSet=SpeedSet+50 ;</p><p>　　if( SpeedSet>9999) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　S

63、peedSet=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(!AddSpeed);//等待按鍵釋放</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if ( SubSp

64、eed == 0) //速度減</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(20);</p><p>　　if( SubSpeed == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SpeedSet -= 50;</p&

65、gt;<p><b>　　//有鍵按下</b></p><p>　　if (SpeedSet<=0) SpeedSet = 0;</p><p>　　while(!SubSpeed);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b&

66、gt;</p><p>　　if (Stop == 0) //電機停止</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(20);</p><p>　　if(Stop==0)</p><p><b>　　{</b></p><p&g

67、t;　　SpeedSet = 0;</p><p>　　PWM_FC = 1 ;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(!Stop);</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b&g

68、t;</p><p>　　第四章、 基于matlab的PID參數(shù)設(shè)計及仿真</p><p>　　4.1 各部分傳遞函數(shù)參數(shù)的整定</p><p>　　有前面所說的控制模型可知，系統(tǒng)的架構(gòu)模型有PID,PWM,直流電機這3個，故而只需求取PWM,和直流電機的傳遞函數(shù)即可。</p><p><b>　　經(jīng)查資料知道</b>&

69、lt;/p><p>　　Pwm的傳遞函數(shù)為： </p><p>　　直流電機的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　根據(jù)傳遞函數(shù)搭建的仿真模型為：</p><p>　　4.2 PID參數(shù)的整定</p><p>　　下面我們通過仿真來確定離散PID控制器的參數(shù)，一般有兩種方法。</p><p>&l

70、t;b>　　我們用試湊法</b></p><p>　　試湊法要求按照先求出Kp，后求出，最后求出的順序來調(diào)試系統(tǒng)的PID參數(shù)，目標是知道調(diào)到滿意的結(jié)果為止。由于直流電機的純滯后時間為零點零幾秒左右，可以選擇一個足夠短的采樣周期，使其為直流電機對象的純滯后時間的十分之一以下。在此我選擇十分之一，因此Ts是零點零幾秒的數(shù)量級，確定它為0.001s來整定控制參數(shù)。</p><p&g

71、t;　　經(jīng)過整定后發(fā)現(xiàn)當Kp=0.5，Ki=7，Kd=0.001時比較合適。</p><p><b>　　波形如下</b></p><p>　　從仿真波形可知，電機轉(zhuǎn)速的上升時間為0.3s左右，沒有超調(diào)，靜差為0，說明其過度特性很好。也說明1ms的采樣周期很合適。</p><p><b>　　第五章、 結(jié)果分析</b>&l

72、t;/p><p>　　這里主要分析的結(jié)果是電機啟動到電機達到給定轉(zhuǎn)速所需要的時間：</p><p><b>　　仿真開始：</b></p><p><b>　　達到給定速度時：</b></p><p>　　可知其所需要的時間為31秒，比想象中的長，但是誤差很小，基本上達到指定速度后就不會再改變了。<

73、;/p><p>　　我也試著改進參數(shù)使其時間變得更短，但是實際操作起來發(fā)現(xiàn)當你改變參數(shù)的時候，它的超調(diào)會很大，而且波動很強，不適合作為pid參數(shù)，綜上，pid參數(shù)還是matlab仿真得來的參數(shù)最好的。但是用matlab仿真發(fā)現(xiàn)電機達到穩(wěn)態(tài)所需的時間僅為0.3s左右，本人認為用proteus仿真出來的更具有實用性，matlab仿真的主要目的還是選擇最合適的pid參數(shù)。</p><p>　　第六章

74、、實驗總結(jié)及感想</p><p>　　這次實驗周期很長，從6月25號開始做一直到7月7號才結(jié)束，期間也碰到了許多難題，在此簡要總結(jié)一下。</p><p>　　由于本人單片機基礎(chǔ)很不牢固，但是這個課程設(shè)計要用到單片機，所以首先做的是不斷琢磨單片機的基本功能和基本外設(shè)，如定時器計數(shù)器的使用，數(shù)顯管的顯示和鍵盤的輸入，剛開始認真研究單片機的時候基本上遇到的問題都是問題，舉步維艱，也曾到圖書館翻了

75、很多關(guān)于單片機的書，經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)，最后考慮到有一定的c語言基礎(chǔ)，而匯編語言短時間內(nèi)學(xué)不扎實，果斷選擇了用c語言編程。進過幾天不斷的學(xué)習(xí)，對單片機的理解也越來越深，知道的也越來越多，這為做此課程設(shè)計打下了很扎實的基礎(chǔ)。</p><p>　　開始做此課設(shè)時考慮到要輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，但是這期間走了很多彎路。剛才是準備使用4*4矩陣鍵盤進行給定轉(zhuǎn)速的輸出，最后鑒于本人的單片機基礎(chǔ)有限，發(fā)現(xiàn)此程序很復(fù)雜，進過很長時間的研

76、究，最后明智的拋棄了他，而選擇速度增加鍵減少鍵和清零鍵取代。數(shù)顯管剛開始想選用74HC573鎖存器來進行動態(tài)數(shù)顯管的顯示，但是發(fā)現(xiàn)數(shù)顯管的前4位后后四位如果不使用同一個顯示算法的話會簡單很多，而且最后發(fā)現(xiàn)單片機的I/O口很充足，所以就直接用16個I/O來進行數(shù)顯管的顯示了，這樣很適合自己想的算法，然后省下了很大的麻煩。</p><p>　　大的范圍就遇到這兩個問題，小的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了很多細節(jié)上的理解錯誤，比如數(shù)據(jù)類

77、型的設(shè)定，當設(shè)定的速度通過subspeed鍵減小到0的時候再減會出現(xiàn)數(shù)顯管上顯示436的數(shù)字，這很不符合邏輯，因為開始已經(jīng)設(shè)定當setspeed小于0的時候永遠為0。進過仔細分析發(fā)現(xiàn)setspeed的數(shù)據(jù)類型不能為unsigned，而是singed，因為當你小于0的時候，unsigned雖說不輸出負數(shù)，但是會輸出它的反碼，反碼會對應(yīng)一個值，如果signed的話就不會這么做，直接為0。事實上改過來之后就解決了這個問題，讓我了解到了數(shù)據(jù)類型

78、是多么的重要。還遇到的問題比如數(shù)顯管其他位都很正常，但是只有第二位總是閃，這讓我難為了很久也找不到毛病，最后無意間刪掉了一段沒有用的程序后一切都好了，這讓我了解到程序一定要精簡，不然你永遠不會知道它會出現(xiàn)什么不可預(yù)知的錯誤。其他小的問題也有很多，但是都被我經(jīng)過仔細的研究慢慢的克服，最后仿真結(jié)果和硬件都很合適。</p><p>　　總之單片機是個很細致的學(xué)科，我們要堅持做完，碰到問題一定要仔細想，這樣才能發(fā)現(xiàn)它的強

79、大。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　我的參考文獻很少，自己買的其中一本書就是很著名的郭天祥老師書叫《51單片機c語言教程》外加全套開發(fā)板，另外圖書館里的單片機書基本上都翻過。電機部分參考自控原理書里的電機傳遞函數(shù)。還有keil教程和proteus教程</p><p>　　附錄一 硬件系統(tǒng)電路原理圖</

80、p><p><b>　　附錄二：程序源代碼</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#

81、define THCO 0xf8</p><p>　　#define TLCO 0x30 //2ms</p><p>　　uchar code Duan[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};//共陰極數(shù)碼管，0-9段碼表</p><p>　　uchar Data_Buffer[8]

82、={0,0,0,0,0,0,0,0};//數(shù)碼管顯示數(shù)值，數(shù)組變量定義</p><p>　　uchar Data[4]={0,0,0,0};</p><p>　　uchar Arry[4]={0,0,0,0};</p><p>　　bitflag1 = 0 ;</p><p>　　bit flag0 = 0;</p>

83、<p>　　unsigned char i = 0 ;</p><p>　　sbit AddSpeed=P1^1;</p><p>　　sbit SubSpeed=P1^2;</p><p>　　sbit Stop=P1^3;//按鍵調(diào)速</p><p>　　sbit PWM_FC=P1^0;//PWM控制端<

84、/p><p>　　int e=0,e1=0,e2=0;//PID偏</p><p>　　float uk=0,uk1=0.0,duk=0.0;//PID輸出值</p><p>　　float Kp=0.5,Ki=7,Kd=0.001;//PID控制系數(shù)</p><p>　　int out=0;</p><p&g

85、t;　　signed int SpeedSet=500;</p><p>　　uint cnt=0;</p><p>　　uint Inpluse=0,num=0; //脈沖計數(shù)單元</p><p>　　uint PWMTime=0;//脈沖寬度</p><p>　　void PIDControl();</p>

86、<p>　　void SystemInit();</p><p>　　void delay(uchar x);</p><p>　　void PWMOUT();</p><p>　　void SetSpeed();</p><p>　　void SegRefre();</p><p>

87、　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SystemInit() ;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　SetSpeed

88、() ;</p><p>　　SegRefre() ;</p><p>　　PWMOUT() ;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void PIDControl() //PID偏差計算</p>

89、<p><b>　　{</b></p><p>　　e = SpeedSet - num ;</p><p>　　duk=( Kp*(e - e1) + Ki*e + Kd*(e - 2*e1 + e2))/100 ;</p><p>　　uk = uk1 + duk ;</p><p>　　out = (

90、int)uk ;</p><p>　　if(out > 250)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　out = 250 ;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(out < 0)</p>

91、<p><b>　　{</b></p><p><b>　　out = 0 ;</b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　uk1 = uk ;</p><p><b>　　e2 = e1 ;</b></p>

92、;<p><b>　　e1 = e ;</b></p><p>　　PWMTime = out ;</p><p><b>　　} </b></p><p>　　void delay(uchar x)</p><p><b>　　{ </b><

93、/p><p>　　uint i = 0,j = 0;</p><p>　　for(i = x ; i > 0 ; i--)</p><p>　　for(j = 50 ; j > 0 ; j--) ;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void PWMOUT()

94、 //PWm輸出</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ( cnt < PWMTime )</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　PWM_FC = 0 ;</p><p><b>　　}&l

95、t;/b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　PWM_FC = 1 ;</p><p><b>　　} </b></p><p>　　if ( cnt > 250) c

96、nt = 0 ; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　void SystemInit()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD = 0x21;//定時器0,計數(shù)器的初始化</p><p>　　TH0 = THCO

97、 ;</p><p>　　TL0 = TLCO ;</p><p><b>　　TR0 = 1 ;</b></p><p><b>　　ET0 = 1 ;</b></p><p><b>　　EX0 = 1 ;</b></p><p><b>

98、　　IT0 = 1 ;</b></p><p>　　PCON = 0x00 ; //方式一,8位數(shù)據(jù)位，一位起始位和一位結(jié)束位</p><p>　　SCON = 0x50 ; //串口通信控制寄存器 模式一,收發(fā)使能</p><p>　　TH1= 0xfd ;//波特率為9600,11.0592HZ</p><

99、;p>　　TL1= 0xfd ;</p><p><b>　　ES = 1 ;</b></p><p>　　TR1= 1 ;</p><p><b>　　EA = 1 ;</b></p><p><b>　　e = 0 ;</b></p><p&

100、gt;<b>　　e1 = 0 ;</b></p><p><b>　　e2 = 0 ;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void SetSpeed() //按鍵 速度設(shè)定</p><p><b>　　{</b>&

101、lt;/p><p>　　if ( AddSpeed==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(20) ;//有鍵按下 延時10ms</p><p>　　if( AddSpeed==0)</p><p><b>　　{</b></p&

102、gt;<p>　　SpeedSet=SpeedSet+50 ;</p><p>　　if( SpeedSet>9999) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　SpeedSet=0;</p><p><b>　　}</b></p><p

103、>　　while(!AddSpeed);//等待按鍵釋放</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if ( SubSpeed == 0) //速度減</p><p><b>　　{</b></p>

104、<p>　　delay(20);</p><p>　　if( SubSpeed == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SpeedSet -= 50;</p><p><b>　　//有鍵按下</b></p><p>　　if (Sp

105、eedSet<=0) SpeedSet = 0;</p><p>　　while(!SubSpeed);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (Stop == 0) //電機停止</p><p>&

106、lt;b>　　{</b></p><p>　　delay(20);</p><p>　　if(Stop==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SpeedSet = 0;</p><p>　　PWM_FC = 1 ;</p>&l

107、t;p><b>　　}</b></p><p>　　while(!Stop);</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void SegRefre() //數(shù)碼管顯示刷新</p><p&g

108、t;<b>　　{ </b></p><p>　　Data_Buffer[0] = SpeedSet/1000;</p><p>　　Data_Buffer[1] = SpeedSet%1000/100;</p><p>　　Data_Buffer[2] = SpeedSet%100/10;</p><p>　　

109、Data_Buffer[3] = SpeedSet%10;</p><p>　　Data_Buffer[4] = num/1000;</p><p>　　Data_Buffer[5] = num%1000/100;</p><p>　　Data_Buffer[6] = num%100/10;</p><p>　　Data_Buffer[7]

110、= num%10;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void exter0() interrupt 0 //外部中斷脈沖計數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Inpluse++;</p><p><b>　　}

111、</b></p><p>　　void timer0() interrupt 1 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　static unsigned char Bit = 0;//靜態(tài)變量，退出程序后，值保留</p><p>　　static unsigned int time =

112、 0;</p><p>　　static unsigned int aa = 0;</p><p>　　TH0 = THCO;</p><p>　　TL0 = TLCO;</p><p>　　aa ++ ; //100MS串口輸出一次數(shù)據(jù)</p><p>　　if ( aa == 50)</p>

113、<p><b>　　{</b></p><p><b>　　aa = 0;</b></p><p>　　flag0 = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　cnt ++ ;// PID脈沖周期</p><p>&l

114、t;b>　　Bit ++ ;</b></p><p>　　time ++ ;//轉(zhuǎn)速測量周期</p><p>　　if(Bit >= 8) Bit=0;</p><p>　　P2 = 0xff;</p><p><b>　　//先關(guān)位</b></p><p>　　P0 =

115、Duan[Data_Buffer[ Bit ] ];//開段碼</p><p>　　switch(Bit)//送位碼</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0: P2 = 0XFE; break;</p><p>　　case 1: P2 = 0XFD; break;</p

116、><p>　　case 2: P2 = 0XFB; break;</p><p>　　case 3: P2 = 0XF7; break;</p><p>　　case 4: P2 = 0XEF; break;</p><p>　　case 5: P2 = 0XDF; break;</p><p>　　case 6: P2

117、= 0XBF; break;</p><p>　　case 7: P2 = 0X7F; break;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(time >= 500) //1s鐘讀取一次轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　{</b></p><p

118、><b>　　time = 0;</b></p><p>　　num = Inpluse*10; //計算轉(zhuǎn)速</p><p>　　Inpluse = 0;</p><p>　　PIDControl();// 1s 控制一次</p><p><b>　　} </b></p>&