直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段pid控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計采用微控制器AT89S52完成小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集、計算、顯示、鍵盤設(shè)定等功能。并將非均勻采樣情況下的增量式積分分離PID控制算法應(yīng)用于直流電機(jī)的PWM調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和分段控制，解決了通常低采樣周期時系統(tǒng)的超調(diào)問題。在設(shè)計過程中主要包括了以下兩個方面的內(nèi)容：一是直流電動機(jī)調(diào)速理論的研究及其控制器的

2、理論設(shè)計，二是控制電路的仿真和硬件設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明采用分段PID控制具有算法簡單快速性能好動態(tài)恢復(fù)特性快的特點(diǎn)。對調(diào)速系統(tǒng)的研究及以后同類系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了一定的參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；PID控制；AT89S52；PWM</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This desig

3、n uses microcontroller AT89S52 to complete performances such as sampling， calculating， displaying， and keyboard setting of rotational speed for small DC electromotor. Under situation of non-uniform sampling， the incremen

4、t type integral separation PID control algorithm has been applied in the PWM speed regulation for DC electromotor， which can realize measuring and sectional controlling of the electromotor rotational speed， and has solve

5、d the general overshoot problem with low sampling </p><p>　　Key words　DC speed regulation system; PID control; AT89S52; PWM</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論

6、1</b></p><p>　　1.1 課題來源及研究背景1</p><p>　　1.2 直流電動機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3</p><p>　　1.4 數(shù)字PID技術(shù)概述4</p><p>　　1.5 本文內(nèi)容及章節(jié)安排5</p><p

7、>　　2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段PID控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案6</p><p>　　2.1 整體方案設(shè)計6</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案6</p><p>　　2.1.2 轉(zhuǎn)速測量方案6</p><p>　　2.1.3 電機(jī)驅(qū)動方案7</p><p>　　2.1.4 鍵盤顯示方案7</p

8、><p>　　2.1.5 PWM軟件實(shí)現(xiàn)方案8</p><p>　　2.2 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計8</p><p>　　2.3 本章小結(jié)9</p><p>　　3 硬件系統(tǒng)模塊組成與電路分析10</p><p>　　3.1 速度測量電 路設(shè)計10</p><p>　　3.1.1 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換

9、電路的設(shè)計10</p><p>　　3.1.2 脈沖濾波整形電路的設(shè)計11</p><p>　　3.2 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計11</p><p>　　3.3 LCD顯示電路與單片機(jī)的接口設(shè)計12</p><p>　　3.4 按鈕控制電路設(shè)計13</p><p>　　3.5 本章小結(jié)14</p>

10、<p>　　4 系統(tǒng)程序設(shè)計及實(shí)現(xiàn)15</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計15</p><p>　　4.2 系統(tǒng)各部分子功能程序設(shè)計16</p><p>　　4.2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序設(shè)計16</p><p>　　4.2.2 鍵盤程序設(shè)計18</p><p>　　4.2.3 LCD顯示

11、子程序的設(shè)計19</p><p>　　4.3 PWM信號的單片程序?qū)崿F(xiàn)21</p><p>　　4.4 本章小結(jié)21</p><p>　　5 數(shù)字PID及其算法的改進(jìn)22</p><p>　　5.1 PID控制基本原理22</p><p>　　5.2 三個基本參數(shù)Kp，Ti，Td在實(shí)際控制中作用研究27&l

12、t;/p><p>　　5.3 PID算法的改進(jìn)“飽和”作用的抑制28</p><p>　　5.4 PID控制算法的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)31</p><p>　　5.5 本章小結(jié)31</p><p>　　6 系統(tǒng)的調(diào)試過程與測試32</p><p>　　6.1 轉(zhuǎn)速度測量部分調(diào)試32</p><p&g

13、t;　　6.2 PID各項(xiàng)系數(shù)賦初值33</p><p>　　6.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試和確定PID算法各項(xiàng)系數(shù)34</p><p>　　6.3.1 賦初值調(diào)試分析34</p><p>　　6.3.2 修改PID各項(xiàng)系數(shù)值調(diào)試分析35</p><p>　　6.3.3 PID各項(xiàng)系數(shù)值的確定35</p><p>　　6.

14、4 本章小結(jié)35</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p>　　社會經(jīng)濟(jì)效益分析38</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　　附錄

15、Ⅰ符號表41</b></p><p>　　附錄II 元器件清單42</p><p>　　附錄Ⅲ 單片機(jī)程序43</p><p>　　附錄Ⅳ 硬件原理圖53</p><p>　　附錄Ⅴ PCB圖54</p><p><b>　　緒 論</b></p><p

16、><b>　　課題來源及研究背景</b></p><p>　　目前見到的許多關(guān)于直流電機(jī)的測速與控制中雖然能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無級調(diào)速，但還存在一些問題如無法與計算機(jī)直接接口許多較為復(fù)雜的控制算法無法，在不增加硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)控制器的人機(jī)界面不理想?？偟膩碇v控制器的智能化程度不高可移植性差。雖然采用PWM芯片來實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級調(diào)速的方案成本較低，但當(dāng)控制器針對不同的應(yīng)用場合增加多種附加功能

17、時，其靈活性不夠而且反而增加硬件的成本。還有一些使用PLC控制器或高檔處理器芯片（如DSP器件）的文獻(xiàn)，它們雖然具有較高的控制性能，但由于這些高檔處理器價格過高需要更多的外圍器件因此也不具備在通常情況下大規(guī)模使用的條件。從發(fā)展趨勢上看，總體的研究方向是提出質(zhì)量更高的算法和調(diào)速方案以及在考慮成本要求的前提下，選擇適合這種算法的核心控制器。直流電動機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通開環(huán)控制或單閉環(huán)的直流電動機(jī)可靠性差

18、需要經(jīng)常維護(hù)；開環(huán)控制加負(fù)載時電流增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將加大轉(zhuǎn)速只能降下來，影響了直流電動機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動加速時間又過長，為了克服直流電機(jī)開環(huán)工作時增加負(fù)載而導(dǎo)致速度降過大或閉環(huán)啟動時加速時間過長等不利因素，</p><p>　　伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)它要求實(shí)現(xiàn)快、穩(wěn)、準(zhǔn)的位置控制。普通的伺服電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較高而轉(zhuǎn)矩較小，在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件去拖動負(fù)載時都必須經(jīng)過齒輪減速裝置，但由于齒隙

19、的影響往往使系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性下降。因此為了減小甚至消除誤差簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高精度和穩(wěn)定性達(dá)到少用或不用減速器的目的，就研制并應(yīng)用了力矩電動機(jī)。它具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度等特點(diǎn)可以滿足伺服系統(tǒng)更高性能要求。另外采用雙閉環(huán)控制電路控制電機(jī)運(yùn)行可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性同時也符合“無刷化、稀土化、同步化”的發(fā)展趨勢。</p><p>　　直流電動機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　一個多世紀(jì)以來

20、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一直被廣泛應(yīng)用著電動機(jī)，作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。電動機(jī)主要類型有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)與直流電動機(jī)三種，其容量小到幾瓦大至上萬千瓦。但它們工作的時候都離不開速度調(diào)節(jié)或是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。眾所周知直流電動機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)再加上制造成本高

21、及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多數(shù)均采用三相異步電動機(jī)。</p><p>　　隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展人們生活水平的提高需要不斷地開發(fā)各種新型電動機(jī)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)更促進(jìn)了電功機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新。針對上述傳統(tǒng)直流電動機(jī)的弊病早在本世30年代就有人開始研制以電子換向來代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)，并取得了一定成果但由于當(dāng)時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段沒

22、能找到理想的電子換相元器件，使得這種電動機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段而無法推廣使用。1955年美國D.哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代直流無刷電動機(jī)的雛形，但由于該電動機(jī)尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化后，又經(jīng)過人們多年努力借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換相的直流無刷電動機(jī)。終于在1952年問世，從而開創(chuàng)了直流無刷電動機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。70年代以來隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件如GTRM

23、OSFET， IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料如釤鈷、鐵硼等的問世均為直流無刷電動機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。由于直流無刷電動機(jī)既具備交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)</p><p><b>　　直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求調(diào)速采用PID控制器

24、，因此需要設(shè)計一個閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速使電機(jī)速度等于設(shè)定值并且實(shí)時顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過對設(shè)計功能分解設(shè)計方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測量方案論證，電機(jī)驅(qū)動方案論證，鍵盤顯示方案論證，PWM軟件實(shí)現(xiàn)方案論證。</p><p>　　采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PID調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小

25、等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1.1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小因而加速過程必然拖

26、長。</p><p>　　a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán) b）雙閉環(huán)理想快速啟動過程</p><p><b>　　調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程</b></p><p>　　圖1.1 調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　對于像龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提

27、高生產(chǎn)率的重要因素。為此在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形示1.1b，這時起動電流呈方形波而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。</p><p&

28、gt;　　實(shí)際上由于主電路電感的作用電流不能突跳圖1.1b所示的理想波形，只能得到近似的逼近不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作

29、用。</p><p><b>　　數(shù)字PID技術(shù)概述</b></p><p>　　現(xiàn)代控制理論在興旺發(fā)達(dá)的六七十年代，曾有不少學(xué)者預(yù)言終會有那么一天，現(xiàn)代控制理論給出的新型控制器將會取代經(jīng)典調(diào)節(jié)理論給出的PID調(diào)節(jié)器。然而這三十多年的控制工程實(shí)踐中并沒有應(yīng)驗(yàn)?zāi)切W(xué)者們的預(yù)言。PID調(diào)節(jié)器仍頑強(qiáng)地固守著自己的陣地，現(xiàn)代控制理論提供的控制器卻遇到了不易克服的適應(yīng)性、魯棒性

30、等難題而處于控制工程中的劣勢地位。1990年的一個調(diào)查報告指出，至今在過程控制中用的84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過90%?，F(xiàn)代控制理論的三十多年努力對過程控制的貢獻(xiàn)還不到10%。從某種意義上講，現(xiàn)代控制理論在分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面是成功的，是一個很好的分析工具。然而現(xiàn)代控制理論所提供的控制器設(shè)計方法完全靠對象的數(shù)學(xué)模型，而且還被“微分器物理不可實(shí)現(xiàn)”所束縛。由于不能簡單地提取微分信號而不得不依靠數(shù)學(xué)模型來提取狀態(tài)變

31、量信息。其結(jié)果遇到了適應(yīng)性、魯棒性等難題而應(yīng)用受到了限制?？梢哉f現(xiàn)代控制理論并沒有提供實(shí)用的控制器設(shè)計方法。相反經(jīng)典調(diào)節(jié)理論不從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，而以消除誤差和外擾為目的，用減少誤差和抵消外擾的幾種（固定形式的）不同手段的組合來組成PID控制器。而且經(jīng)典調(diào)節(jié)允許使用微分</p><p>　　針對這些問題，長期以來人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著微處理機(jī)技術(shù)的

32、發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實(shí)。同時現(xiàn)代控制理論研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。近年來出現(xiàn)了許多將現(xiàn)代控制理論與傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)相結(jié)合的新型控制器，如自適應(yīng)PID控制器、智能PID控制器、模糊PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器等等。由于計算機(jī)的強(qiáng)大處理功能和程序調(diào)整的靈活性是傳統(tǒng)的模型控制器所不能比擬的，所以現(xiàn)在應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)不但推出了許多新型的控制器和控制設(shè)備，而且許多傳統(tǒng)控制器已被改造

33、成計算機(jī)控制器。模擬化設(shè)計法把計算機(jī)系統(tǒng)假想為連續(xù)控制系統(tǒng)，這種設(shè)計方法可以利用成熟的連續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，進(jìn)行綜合設(shè)計把連續(xù)控制器的數(shù)學(xué)模型變換到離散域，再由計算機(jī)來完成控制器的任務(wù)。因?yàn)楦鞣N變換方法都是采用近似逼近法，所以這種方法設(shè)計的計算機(jī)控制系統(tǒng)性能只能與原連續(xù)控制系統(tǒng)性能接近但不會超過。逼近的精度與被變換的連續(xù)數(shù)學(xué)模型及采樣周期大小有關(guān)。其中采樣周期的影響更大采樣周期相對較小時逼近程度才較好，所以在應(yīng)用中應(yīng)注意采樣周期的選&

34、lt;/p><p><b>　　本文內(nèi)容及章節(jié)安排</b></p><p>　　第1章是緒論講述直流電機(jī)、數(shù)字PID技術(shù)的背景及工作原理；第2章是講述直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段PID控制的單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計；第3章具體分析了各個模塊和硬件電路；第4章講述了系統(tǒng)各個程序的實(shí)現(xiàn)；第5章講述了數(shù)字PID的算法和改進(jìn)；第6章則對系統(tǒng)的調(diào)試進(jìn)行了改進(jìn)。最后是本文的結(jié)論。</p>

35、<p>　　直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段PID控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案</p><p><b>　　整體方案設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求調(diào)速采用PID控制器，因此需要設(shè)計一個閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速使電機(jī)速度等于設(shè)定值并且實(shí)時顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過對設(shè)計功能分解設(shè)計方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測量方案論證，電機(jī)驅(qū)動方案論

36、證，鍵盤顯示方案論證，PWM軟件實(shí)現(xiàn)方案論證。</p><p><b>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案</b></p><p>　　方案一：采用一片單片機(jī)（AT89S52）完成系統(tǒng)所有測量、控制運(yùn)算并輸出PWM控制信號。</p><p>　　方案二：采用兩片單片機(jī)（AT89S52），其中一片做成PID控制器專門進(jìn)行PID運(yùn)算和PWM控制信號輸出；另一片則系統(tǒng)

37、主芯片完成電機(jī)速度的鍵盤設(shè)定、測量、顯示并向PID控制器提供設(shè)定值和測量值設(shè)定PID控制器的控制速度等。</p><p>　　方案一的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件簡單結(jié)構(gòu)緊湊。但是其造成CPU資源緊張程序的多，任務(wù)處理難度增大不利與提高和擴(kuò)展系統(tǒng)性能，也不利于向其他系統(tǒng)移植。方案二則與方案一相反雖然硬件增加，但在程序設(shè)計上有充分的自由去改善速度測量精度縮短測量周期優(yōu)化鍵盤顯示及擴(kuò)展其它功能。與此同時PID控制算法的實(shí)現(xiàn)可以精益

38、求精對程序算法或參數(shù)稍加改動即可移植到其他PID控制系統(tǒng)中。本設(shè)計選擇方案一。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速測量方案</b></p><p>　　方案一：采用記數(shù)的方法。具體是通過單片機(jī)記單位時間S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù)N每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S×60。</p><p>　　方案二：采用定時的方法。是通過定時器記錄脈沖的周期T這樣每分鐘

39、的轉(zhuǎn)速：M=60/T。</p><p>　　比較兩個方案方案一的誤差主要是±1誤差（量化誤差）設(shè)電機(jī)的最低設(shè)計轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/分則記數(shù)時間S=1s所以其誤差得絕對值|γ|=|(N±1)/S×60-N/S×60|=60（轉(zhuǎn)/分）誤差計算公式表明增大記數(shù)時間可以提高測量精度但這樣做卻增大了速度采樣周期會降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方案二所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差并且使采樣時間降到最短

40、誤差γ=[60/（T±1）-60/T]設(shè)電機(jī)速度在120—6000轉(zhuǎn)/分之間那么0.01s≤T≤0.5s代入公式得：0.00024≤|γ|≤0.6（轉(zhuǎn)/分）。由此明顯看出，方案二在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一所以本設(shè)計采用方案二。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動方案</b></p><p>　　方案一：采用專用小型直流電機(jī)驅(qū)動芯片。這個

41、方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動電路功耗相對較小而且目前市場上此類芯片種類齊全價格也比較便宜。</p><p>　　方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制通過開關(guān)的切換對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。</p><p>　　方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電

42、路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快穩(wěn)定性也極佳是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。</p><p>　　通過比較和對市場因素的考慮本設(shè)計采用方案一使系統(tǒng)的設(shè)計核心在PID控制上。</p><p><b>　　鍵盤顯示方案</b

43、></p><p>　　方案一：采用4×4鍵盤可直接輸入設(shè)定值。顯示部分使用4位數(shù)碼管優(yōu)點(diǎn)是顯示亮度大缺點(diǎn)是功耗大不符合智能化趨勢而且不美觀。</p><p>　　方案二：使用5個按鍵進(jìn)行逐位設(shè)置。顯示部分是使用支持中文顯示的LCD優(yōu)點(diǎn)是美觀大方有利于人與系統(tǒng)的交互及顯示內(nèi)容的擴(kuò)展；缺點(diǎn)是成本高抗干擾能力教差。</p><p>　　為了系統(tǒng)容易擴(kuò)展、

44、操作以及美觀本設(shè)計完全采用方案二。</p><p><b>　　PWM軟件實(shí)現(xiàn)方案</b></p><p>　　脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本設(shè)計采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。</p><p>　　方案一：采用定

45、時器做為脈寬控制的定時方式這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確誤差只在幾個us。</p><p>　　方案二：采用軟件延時方式這一方式在精度上不及方案一特別是在引入中斷后將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源且對于直流電機(jī)采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍。由于本設(shè)計采用了兩片AT89S52單片機(jī)MCU資源充足因此選擇方案一。</p><p><b>　　系統(tǒng)原理框圖設(shè)計<

46、/b></p><p>　　系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示，是一個帶鍵盤輸入和顯示的閉環(huán)測量控制系統(tǒng)。主體思想是通過系統(tǒng)設(shè)定信息和測量反饋信息計算輸出控制信息。</p><p>　　圖2.1系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章大體介紹了系統(tǒng)各個主要部分的實(shí)現(xiàn)方案，并對其進(jìn)

47、行了論證，從而大體的介紹了本設(shè)計的基本思路。</p><p>　　硬件系統(tǒng)模塊組成與電路分析 </p><p>　　硬件系統(tǒng)主要由4大電路組成，其具體分析如下。</p><p><b>　　速度測量電路設(shè)計</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計</p><p>　　理論上是先將轉(zhuǎn)速

48、轉(zhuǎn)化為某一種電量來測量，如電壓電流等。設(shè)計中將轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)化為電脈沖頻率的測量?；谶@一思想可以采用一對霍爾感應(yīng)傳感器，使輸出信號的一只在轉(zhuǎn)輪一側(cè)固定，另一只則粘在對應(yīng)位置的轉(zhuǎn)輪上，這樣電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈傳感器將會輸出一個脈沖然后將脈沖放大、整形后即可通過單片機(jī)測量其頻率求出轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅鳈z測轉(zhuǎn)速示意圖3.1如下。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動一圈霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機(jī)測量產(chǎn)生脈沖的頻率

49、就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3.1 霍爾傳感器及測轉(zhuǎn)速示意圖</p><p>　　本設(shè)計采用A04E單極性開關(guān)型霍爾傳感器，磁鋼用來提供霍爾能感應(yīng)的磁場，當(dāng)霍爾元件以切割磁力線的方式相對磁鋼運(yùn)動時，在霍爾輸出端口就會有電壓輸出所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。</p><p>　　在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每

50、轉(zhuǎn)動一圈霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機(jī)測量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。本電路已經(jīng)安裝兩個磁鋼，如果要增加測量轉(zhuǎn)速精度可以在圓盤上多增加幾個磁鋼。</p><p>　　脈沖濾波整形電路的設(shè)計</p><p>　　由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動的過程中有很大的晃動，而且本設(shè)計中測量裝置做工粗糙因此所獲得的脈沖信號參雜有高頻噪聲或誤動脈沖。為了提高測量的準(zhǔn)確且盡可能地減少錯誤，設(shè)計中在霍爾傳感器O

51、UT輸出端加一電容接地。為了既能抑制噪聲又不影響測量，電容值C的選擇很重要。根據(jù)實(shí)際測量設(shè)計中所使用的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)6000轉(zhuǎn)/分。其所產(chǎn)生的脈沖周期T=1/(6000/60)S=0.01S一個周期內(nèi)脈沖持續(xù)時間約為1/8T=0.00125S低電平時間約為7/8T=0.00875S，由于接收頭感光導(dǎo)通電阻很小所以電容迅速充電當(dāng)?shù)碗娖降絹頃r開始放電為保證下一個脈沖的檢測放電時間t應(yīng)小于低電平持續(xù)時間7/8T根據(jù)電路t=R2×C

52、<0.00875代入R2值解不等式可得：C<0.000017F。單位換算得C<0.017μF 為了方便整形實(shí)際設(shè)計中C=0.001μF 。由于單片機(jī)中斷I/O口的需要輸入信號是正規(guī)的矩形脈沖，所以電路的脈沖整形電路采用74系列反向器74LS04進(jìn)行反向后輸入單片機(jī)。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計</b></p><p>　　本設(shè)計采

53、用目前市場上較容易買到的74LS04反向器，支持5.5V到7V的電機(jī)控制電壓在直流運(yùn)轉(zhuǎn)條件下它滿足了一般小型電機(jī)的控制要求。其引腳如圖3.2。驅(qū)動電路見圖3.3。PWM控制信號由in1、in2輸入。如果in1為高電平in2為低電平時電機(jī)為正向轉(zhuǎn)速反之in1為低電平in2為高電平時電機(jī)為反向轉(zhuǎn)速。本設(shè)計將in2直接接地即采用單向制動的方式。通過實(shí)驗(yàn)本設(shè)計中不必使用雙向制動也可達(dá)到設(shè)計要求。</p><p>　　圖3

54、.2 74LSO4引腳圖</p><p>　　圖3.3直流電機(jī)驅(qū)動圖</p><p>　　LCD顯示電路與單片機(jī)的接口設(shè)計</p><p>　　設(shè)計中采用的LCD——1602是一種內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字庫和128個16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器它主要由行驅(qū)動器/ 列驅(qū)動器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示也可以顯示7.

55、5×2個(16×16點(diǎn)陣)漢字與外部CPU接口采用并行或串行方式控制。本設(shè)計采用并行方式控制LCD與單片機(jī)的通訊接口電路如圖3.4所示采用直連的方法這樣設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是在不影響性能的條件下還不用添加其它硬件簡化了電路降低了成本。</p><p>　　圖3.4 LCD硬件接線圖</p><p><b>　　按鈕控制電路設(shè)計</b></p>

56、<p>　　控制電路采用了5個按鈕來實(shí)現(xiàn)功能按1為高速狀態(tài)下勻速旋轉(zhuǎn)，按2為中速狀態(tài)下勻速旋轉(zhuǎn)，按3為低速下勻速旋轉(zhuǎn)，按4為加速，按5為減速。見圖3.5。</p><p>　　圖3.5 按鈕控制電路圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章具體介紹了硬件系統(tǒng)的各個模塊的實(shí)現(xiàn)和功能并對各模塊所對應(yīng)的電路進(jìn)

57、行了分析，設(shè)計了硬件系統(tǒng)的各個電路。</p><p><b>　　系統(tǒng)程序設(shè)計及實(shí)現(xiàn)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計</b></p><p>　　系統(tǒng)程序程序框圖如圖4.1所示概述了程序的總體結(jié)構(gòu)和工作過程。</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)總程序框圖</p>

58、<p>　　系統(tǒng)各部分子功能程序設(shè)計</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序設(shè)計</p><p>　　設(shè)計中考慮到電機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣因此除了硬件外，從程序上除了要更高的精確度也需要進(jìn)行更多的抗干擾設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)軟件的大范圍檢錯、糾錯或丟棄錯誤等。在程序的設(shè)計過程中對嚴(yán)重不符合要求的測量數(shù)據(jù)（如大于6000轉(zhuǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)）進(jìn)行了丟棄處理而對于正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)錯誤采用了采5取3求

59、平均的算法（即采集5個數(shù)據(jù)去掉 一個最大值一個最小值然后將剩余3數(shù)據(jù)求平均）。實(shí)驗(yàn)表明此方法降低了系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速中出現(xiàn)的錯誤。對于轉(zhuǎn)速的測量方法是通過速度脈沖信號下降沿，觸發(fā)單片機(jī)的外中斷，中斷服務(wù)子程序在某一個脈沖的下降沿開啟定時器記時，然后在下一個下降沿關(guān)閉定時器通過對定時器數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，可以得到信號周期進(jìn)而得到速度值。其程序框圖如圖4.2?？梢钥闯龃朔椒ㄏ碌牟蓸又芷谑请S轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)速越高采樣越快。通過這種非均勻的速度采樣方式可以

60、使電機(jī)在高速情況下實(shí)現(xiàn)高速度高精度的控制。</p><p>　　圖4.2外中斷0服務(wù)子程序框圖 </p><p><b>　　鍵盤程序設(shè)計</b></p><p>　　鍵盤程序設(shè)計的任務(wù)是賦予各按鍵相應(yīng)的功能，完成速度設(shè)定值的輸入和向PID控制器的發(fā)送。5只按鍵一只用來位循環(huán)選擇告訴單片機(jī)要調(diào)整的是設(shè)定值的個位、十位、百位還是千位。第二、三只按

61、鍵分別是減1、加1減。在沒有位選擇的情況下對設(shè)定值整體進(jìn)行減1、加1；在有位選擇的情況下僅對相應(yīng)位進(jìn)行減1、加1并且當(dāng)按著不釋放按鍵時可以實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)減1、加1同時允許循環(huán)減、加（既當(dāng)某位為0時在減1則為9某位為9時加1則為0）。最后一只按鍵是確認(rèn)發(fā)送鍵按下它后單片機(jī)將設(shè)定值送給PID控制器從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定控制。程序框圖如圖4.3。</p><p>　　圖4.3鍵盤電路程序框圖

62、 </p><p>　　LCD顯示子程序的設(shè)計</p><p>　　LCD的詳細(xì)使用過程可參閱對應(yīng)型號的使用手冊。僅在本小節(jié)強(qiáng)調(diào)以下內(nèi)容：LCD 使用的關(guān)鍵是根據(jù)顯示需要正確地對其進(jìn)行初始化設(shè)置，而一般情況下不用考慮如何向它讀寫指令或數(shù)據(jù)，因?yàn)橹圃鞆S商所給的使用資料里就附有驅(qū)動程序如果沒有也可以從網(wǎng)上搜索下載

63、得到。然而我們必須清楚那些初始化設(shè)置之間的關(guān)系以及它是如何利用設(shè)置讀取、顯示數(shù)據(jù)字符的不然就會發(fā)生一些不可預(yù)料的錯誤例如表4.1所示。因此熟讀LCD驅(qū)動芯片使用手冊也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在LCD中CGRAM字型與中文字型的編碼只可出現(xiàn)在每一Address Counter的開始位置圖表中，最后一行為錯誤的填入中文碼位置其結(jié)果會產(chǎn)生亂碼象。</p><p>　　表4.1 LCD中文字型的編碼寫入地址對照</p>

64、;<p>　　通常LCD的初始化包括復(fù)位設(shè)置、清除顯示、地址歸位、顯示開關(guān)、游標(biāo)設(shè)置、讀寫地址設(shè)置、反白選擇以及睡眠模式等等。實(shí)際中根據(jù)需要正確、靈活地修改這些設(shè)置可以達(dá)到較為滿意的顯示效果。LCD 中所有漢字、數(shù)字和字符都可以通過它的ASCII碼來訪問顯示；圖象的顯示是通過將相關(guān)軟件（提取漢字、圖象點(diǎn)陣數(shù)據(jù)程序）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照LCD手冊的要求完成響應(yīng)設(shè)置后寫入即可。由于本設(shè)計中沒有使用到圖形顯示所以沒有詳述。對于系統(tǒng)使用

65、的漢字、字符和數(shù)據(jù)的LCD顯示初始化程序和寫數(shù)據(jù)程序框圖見圖4.4。</p><p>　　圖4.4 LCD顯示初始化程序和寫數(shù)據(jù)程序框圖</p><p>　　PWM信號的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)</p><p>　　理論上只要PWM脈沖的周期正比于PID控制算法的輸出結(jié)果結(jié)果。具體實(shí)現(xiàn)過程中取u(k)的整數(shù)部分（記為：UT）保存然后用PWM信號的周期值減去UT所得值即為定時器

66、1的初值（記為：INIT）。其程序框圖見圖4.5。</p><p>　　圖4.5產(chǎn)生PWM控制信號程序框圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　具體介紹了系統(tǒng)軟件部分各個模塊程序的實(shí)現(xiàn)方式并對應(yīng)了程序框圖，直觀的介紹了軟件程序方面的設(shè)計。</p><p>　　數(shù)字PID及其算法的改進(jìn)<

67、/p><p><b>　　PID控制基本原理</b></p><p>　　PID控制即比例（Proportional）、積分（Integrating）、微分（Differentiation）控制。在PID控制系統(tǒng)中完成PID控制規(guī)律的部分稱為PID控制器。它是一種線形控制器用輸出y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時間函數(shù)e(t) = r(t) - y(t)。PID控制器

68、框圖如圖5.1。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求靈活地采用不同的控制組合如：</p><p>　　圖5.1 PID控制算法框圖</p><p>　　當(dāng)今的自動控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的是變量并與期望值相比較以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測量與比較后如何用于系統(tǒng)的糾正

69、與調(diào)節(jié)。</p><p>　　在過去的幾十年里PID控制也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天在工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)而且許多高級控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）、和微分單元（D）組成它的基本原理比較簡單基本的PID控制規(guī)律可描述為：</p>

70、<p><b>　　(5.1)</b></p><p>　　PID控制用途廣泛使用靈活已有系列化控制器產(chǎn)品使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（KpKI和KD）即可。在很多情況下并不一定需要三個單元可以取其中的一到兩個單元不過比例控制單元是必不可少的。</p><p>　　PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　原理簡單使用方便PID參數(shù)Kp

71、KI和KD可以根據(jù)過程動態(tài)特性變化PID參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整與設(shè)定。</p><p>　　適應(yīng)性強(qiáng)按PID控制規(guī)律進(jìn)行工作的控制器早已商品化即使目前最新式的過程控制計算機(jī)其基本控制功能也仍然是PID控制。PID應(yīng)用范圍廣雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過適當(dāng)簡化也可以將其變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)就可以進(jìn)行PID控制了。</p><p>　　魯棒性強(qiáng)即其控制品質(zhì)對被控

72、對象特性的變化不太敏感。 但不可否認(rèn)PID也有其固有的缺點(diǎn)。PID在控制非線性、時變、偶合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不缺點(diǎn)的復(fù)雜過程時效果不是太好；最主要的是：如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程無論怎么調(diào)參數(shù)作用都不大。</p><p>　　在科學(xué)技術(shù)尤其是計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法但PID仍因其自身的優(yōu)點(diǎn)而得到了最廣泛的應(yīng)用，PID控制規(guī)律仍是最普遍的

73、控制規(guī)律。PID控制器是最簡單且許多時候最好的控制器。</p><p>　　在過程控制中PID控制也是應(yīng)用最廣泛的一個，大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達(dá)二三百個甚至更多其中絕大部分都采用PID控制。由此可見在過程控制中PID控制的重要性是顯然的下面將結(jié)合實(shí)例講述PID控制。</p><p>　　比例控制P是一種最簡單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸

74、出存在穩(wěn)定誤差。比例控制器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(5.2)</b></p><p>　　式中Kp稱為比例系數(shù)或增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（Proportional Band PB）來取代比例系數(shù)Kp比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)比例帶也稱為比例度。</p><p>　　對于單位反饋系統(tǒng)0型系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)際

75、階躍信號R01(t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益K近視成反比即：</p><p><b>　　(5.3) </b></p><p>　　對于單位反饋系統(tǒng)I型系統(tǒng)響應(yīng)勻速信號R1 (t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益KV近視成反比， 即:</p><p><b>　　(5.4)</b></p><p>　　P控制只

76、改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計中P控制一般不單獨(dú)使用.</p><p>　　具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.2所示.</p><p>　　圖5.2 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</

77、p><p>　　系統(tǒng)的特征方程式為:</p><p>　　D(s)=1+H(s)=0 (5.5)</p><p>　　比例微分(PD)控制環(huán)節(jié)具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱為PD控制，PD的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　s (5.6)<

78、/p><p>　　其中，Kp為比例系數(shù)，為微分常數(shù)，Kp與兩者都是可調(diào)的參數(shù).</p><p>　　具有PD控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 具有比例微分控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　PD控制器的輸出信號為：</p><p>　　u(t)=

79、 (5.7)</p><p>　　在微分控制中控制器的輸入與輸出誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制反映誤差的變化率只有當(dāng)誤差隨時間變化時，微分控制才會對系統(tǒng)起作用而對無變化或緩慢變化的對象不起作用。因此微分控制在任何情況下不能單獨(dú)與被控制對象串聯(lián)使用而只能構(gòu)成PD或PID控制。</p><p>　　自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定其原因是由于存

80、在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件具有抑制誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差變化的作用“超前”即在誤差接近零時抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。</p><p>　　這就是說在控制中引入“比例”項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”它能預(yù)測誤差變化的趨勢這樣具有“比例+微分”的控制器就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對

81、有較大慣性或滯后的被控對象比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)性。另外微分控制對純時控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號的缺點(diǎn)。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)設(shè)定值有突變時，為了防止由于微分控制的突跳常將微分控制環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中這種做法稱為微分先行，即微分運(yùn)算只對測量信號進(jìn)行而不對設(shè)定信號進(jìn)行。</p><p>　　積分(I)控制具有積分控制規(guī)律的控制稱為

82、積分控制即I控制，I控制的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(5.8)</b></p><p>　　其中， Ki 稱為積分系數(shù)</p><p>　　控制器的輸出信號為:</p><p>　　U(t)=dt (5.9)</p><p&

83、gt;　　或者說，積分控制器輸出信號u(t) 的變化速率與輸入信號e(t)成正比，即:</p><p><b>　　(5.10)</b></p><p>　　對于一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng). ，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器必須引入”積分項(xiàng)”.積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大使穩(wěn)態(tài)誤差

84、進(jìn)一步減小直到等于零。</p><p>　　通常，采用積分控制器的主要目的就是使用系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，由于積分引入了相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，增加積分器控制對系統(tǒng)而言是加入了極點(diǎn)，對系統(tǒng)的響應(yīng)而言是可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但這對瞬時響應(yīng)會造成不良影響，甚至造成不穩(wěn)定，因此，積分控制一般不單獨(dú)使用，通常結(jié)合比例控制器構(gòu)成比例積分(PI)控制器。</p><p>　　比例積分(PI)控制具有比例加積分控

85、制規(guī)律的控制稱為比例積分控制器，即PI控制，PI控制的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(5.11)</b></p><p>　　其中 Kp為比例系數(shù)，Ti稱為積分時間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。</p><p>　　控制器的輸出信號為:</p><p><b>　　(5.12)</b><

86、;/p><p>　　PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　PI控制器在與被控對象串聯(lián)時，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時也增加了一個位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn).位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能;而增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響.在實(shí)際工程中，

87、PI控制器通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。</p><p>　　比例積分微分(PID)控制具有比例+積分+微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，即PID控制，PID控制的傳遞函數(shù)為:</p><p><b>　　(5.13)</b></p><p>　　其中，Kp為比例系數(shù)，Ti為微分時間常數(shù)， 為微分時間常數(shù)，三者都是可調(diào)的參數(shù).</p

88、><p>　　PID控制器的輸出信號為:</p><p><b>　　(5.14)</b></p><p>　　PID控制器的傳遞函數(shù)可寫成:</p><p><b>　　(5.15)</b></p><p>　　PI控制器與被控對象串聯(lián)連接時，可以使系統(tǒng)的型別提高一級，而且還提

89、供了兩個負(fù)實(shí)部的零點(diǎn).與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點(diǎn)外，還多提供了一個負(fù)實(shí)部零點(diǎn)，因此在提高系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)方面提供了很大的優(yōu)越性.在實(shí)際過程中，PID控制器被廣泛應(yīng)用.</p><p>　　PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超調(diào)量，加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長處并去除其短處的控制。從頻域角度看，PID控制通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而微分

90、作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　三個基本參數(shù)Kp，Ti，Td在實(shí)際控制中作用研究</p><p>　　通過使用MATLAB軟件中SIMULINK 的系統(tǒng)仿真功能對PID算法進(jìn)行仿真現(xiàn)將結(jié)果作以下概括。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差屬于“即時”型調(diào)節(jié)控制。

91、比例作用大可以加快調(diào)節(jié)減少誤差但是過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。</p><p>　　積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差提高無誤差度。因?yàn)橛姓`差積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行直至無誤差積分調(diào)節(jié)停止積分調(diào)節(jié)輸出常值屬于“歷史積累”型調(diào)節(jié)控制。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合組成PI調(diào)節(jié)器或

92、PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率具有預(yù)見性能預(yù)見偏差的變化趨勢因此能產(chǎn)生超前的控制作用在偏差還沒有形成之前以被微分調(diào)節(jié)作用消除因此屬于“超前或未來”型調(diào)節(jié)控制。因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下可以減少超調(diào)減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)對系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映的是變化率而當(dāng)輸入沒有變化時微分作用輸出為零。微

93、分作用不能單獨(dú)使用需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合組成PD或PID控制器。</p><p>　　PID算法的改進(jìn)“飽和”作用的抑制</p><p>　　抑制PID算法的“飽和”作用通常有兩種方法。一種算法是遇限削弱積分法其基本思想是：一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體地說在計算u（k）時將判斷上一時刻的控制量u（k）是否已超出限制范圍如果已超出那么將

94、根據(jù)偏差的符號判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域由此決定是否將相應(yīng)偏差計入積分項(xiàng)。</p><p>　　另一種算法是積分分離法。減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。第一種修正方法是一開始就積分但進(jìn)入限制范圍后即停止累積。后者介紹的積分分離法正好與其 相反它在開始時不進(jìn)行積分直到偏差達(dá)到一定的閥值后才進(jìn)行積分累計算法流程圖見圖5.4。圖中ABC分別代表q0，q1，q2。這樣一方面防止了一開始有過大的控制量另一方面即

95、使進(jìn)入飽和后因積分累積小也能較快退出減少了超調(diào)。 </p><p>　　由于本系統(tǒng)的控制對象是一個具有慣性或稱其為滯后特性的直流電機(jī)一方面要求控制要盡可能高的反映速度另一方面也要盡可能減少超調(diào)。因此積分分離法比較適合本系統(tǒng)。</p><p>　　綜合上面關(guān)于PID算法的研究已經(jīng)得出一個針對本系統(tǒng)的PID算法——“增量式積分分離PID控制算法”。在此控制算法中誤差較大時采用的是PD算法控制。

96、</p><p>　　在PID控制器的實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)不同的電機(jī)除了慣性不同外還有一個參數(shù)不容忽略那就是電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中的摩擦力。由于摩擦力總是阻礙電機(jī)轉(zhuǎn)動所以相當(dāng)于額外的給控制量對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩加了一不定量的負(fù)轉(zhuǎn)矩。如果PID的輸出的控制增量對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為正則會抵消一部分增量但如果PID輸出的控制增量對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)則會助長這一增量。如此以來如果電機(jī)在加速過程中使用和減速過程中同樣的PID參數(shù)就有可能出現(xiàn)加速欠條減速

97、超調(diào)的情況。實(shí)驗(yàn)中也證明了這一分析的正確性。 解決這一問題的方法是利用微分項(xiàng)的校正作用在電機(jī)加速狀態(tài)和減速狀態(tài)采用不同的微分系數(shù)即在不同的時段采用不同的微分系數(shù)，其中加速時微分系數(shù)為Kd1，減速時微分系數(shù)為Kd2。這樣系統(tǒng)的控制算法就成為“變系數(shù)增量式積分分離控制算法”了可以通過設(shè)定參數(shù)得到更佳的校正作用。</p><p>　　圖5.4增量式積分分離PID算法流程圖</p><p>　　P

98、ID控制算法的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)</p><p>　　要編寫一個已知算法的單片機(jī)程序首，先要考慮的就是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和存儲方式了。因?yàn)樗苯佑绊懙较到y(tǒng)的控制精度以及PID算法的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PID算法就是因?yàn)閺囊婚_始的設(shè)計思路就是盡可能高的提高系統(tǒng)的控制精度。要提高系統(tǒng)的控制精度在計算過程中僅取整數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)是不夠的，所以本設(shè)計采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。對于AT89S52單片機(jī)而言有足夠的內(nèi)存去存儲和處理這些數(shù)據(jù)。另外

99、為了使程序的參數(shù)修改方便更易于應(yīng)用到其他PID控制系統(tǒng)中去在一開始的參數(shù)賦值程序中參數(shù)是以十進(jìn)制BCD碼浮點(diǎn)數(shù)存儲的參數(shù)賦值完成后緊接著就是對參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)的歸一化處理以及復(fù)合參數(shù)q0，q1，q2等的計算。這些工作在系統(tǒng)啟動后迅速就完成了之后PID控制器只進(jìn)行PID核心控制算法的計算。PID算法的程序框圖如圖5.4 所示算法。由于本系統(tǒng)采用的是單級單向調(diào)速，所以當(dāng)PID控制算法的輸出結(jié)果u（k）為負(fù)數(shù)時就將其清零了，當(dāng)大于系統(tǒng)飽和

100、值時賦值u(k)為飽和值。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了數(shù)字PID技術(shù)，對其進(jìn)行了具體的分析，并對本設(shè)計PID控制的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了敘述。</p><p>　　系統(tǒng)的調(diào)試過程與測試</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速度測量部分調(diào)試</b></p>

101、<p>　　將數(shù)字示波器探頭加在轉(zhuǎn)速脈沖整形電路輸出端，使電機(jī)處于某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下通過比較示波器顯示的頻率和LCD顯示的實(shí)測值，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量誤差不會大于1從而驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速測量部分設(shè)計的正確。之所以一次通過實(shí)驗(yàn)不用修改是因?yàn)橹斑M(jìn)行了反復(fù)的軟件調(diào)試與仿真。</p><p><b>　　圖6.1硬件實(shí)物圖</b></p><p><b>　　（a）低速顯

102、示圖</b></p><p><b>　　（b）高速顯示圖</b></p><p>　　圖6.2轉(zhuǎn)速顯示圖 </p><p>　　PID各項(xiàng)系數(shù)賦初值</p><p>　　電機(jī)啟動時PID控制器接收第一組設(shè)定值和實(shí)測值通過程序計算得到誤差值e(k)。此時系統(tǒng)初始化e(k-1

103、)、e(k-2)、u（k）、u(k-1)值為0。由于一開始系統(tǒng)只進(jìn)行PD運(yùn)算所以要獲得合適的電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)Kp和微分系數(shù)Td1的計算如下。</p><p>　　首先進(jìn)行一次開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6.1。</p><p>　　表6.1開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表</p><p>　　為了確定Kp初步賦值T=2.4Td1=4。設(shè)電機(jī)啟動時速度設(shè)定為1000轉(zhuǎn)/分，則e(k)=1000

104、，e(k)-e(k-1)=1000從開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出若要電機(jī)在第一時間以較大轉(zhuǎn)矩啟動那么u（k）應(yīng)大于4000計算時設(shè)u(k)=4000，則</p><p>　　=4000 代入各參數(shù)值得Kp=2.33。</p><p>　　現(xiàn)在暫不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動摩擦得影響使Td2=Td1=4且設(shè)當(dāng)誤差值小于ξ=100時進(jìn)行PID算法。PID算法的比例系數(shù)也適用Kp積分系數(shù)初步賦值1.2微分系數(shù)Td=T

105、d1=4。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)調(diào)試和確定PID算法各項(xiàng)系數(shù)</p><p>　　調(diào)試過程經(jīng)歷了以下幾個步驟</p><p><b>　　賦初值調(diào)試分析</b></p><p>　　將各參（系）數(shù)已賦初值的程序編譯、燒寫到單片機(jī)。系統(tǒng)啟動后轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000轉(zhuǎn)/分。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電機(jī)迅速啟動但一會處于超調(diào)狀態(tài)一會處于欠調(diào)至

106、停轉(zhuǎn)狀態(tài)大約經(jīng)過1分鐘震蕩期系統(tǒng)基本穩(wěn)定偶爾出現(xiàn)短時失調(diào)現(xiàn)象。失調(diào)時電機(jī)轉(zhuǎn)速在890~1100之間浮動穩(wěn)定時轉(zhuǎn)速在980~1020之間浮動靜差較大。修改設(shè)定值為2000轉(zhuǎn)電機(jī)迅速加速與達(dá)到1000轉(zhuǎn)/分時的過渡和穩(wěn)定狀態(tài)相似但震蕩周期縮短至大約20秒鐘。</p><p>　　結(jié)果分析：啟動時電機(jī)處于長時間的震蕩期可能是由于比例系數(shù)過大使累加的正向制動轉(zhuǎn)矩過大或微分項(xiàng)的矯正調(diào)節(jié)作用不夠。穩(wěn)態(tài)時電機(jī)轉(zhuǎn)速靜差較大可能是

107、積分系數(shù)設(shè)置不當(dāng)或者是微分作用過強(qiáng)導(dǎo)致干擾被放大引起。綜合暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的分析結(jié)果得出比例系數(shù)設(shè)置過大其它系數(shù)暫時還不能確定。對于短時失調(diào)現(xiàn)象是由于轉(zhuǎn)速測量過程被干擾產(chǎn)生錯誤所至。</p><p>　　修改PID各項(xiàng)系數(shù)值調(diào)試分析</p><p>　　使比例系數(shù)Kp=1.12再次以同上方法調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整相對緩慢但電機(jī)震蕩周期縮短至20秒左右系統(tǒng)由超調(diào)和欠調(diào)問題有所改善但穩(wěn)態(tài)時電

108、機(jī)仍然會出現(xiàn)短時失調(diào)現(xiàn)象且靜差大轉(zhuǎn)速浮動范圍在980~1020轉(zhuǎn)/分。</p><p>　　結(jié)果分析：若繼續(xù)減小比例向則會使系統(tǒng)即時調(diào)整變慢積分作用雖然可以消除靜差但可以減緩系統(tǒng)調(diào)節(jié)因此系統(tǒng)的不穩(wěn)定。微分項(xiàng)的矯正力度還不夠微分系數(shù)需要往大調(diào)整。而對積分項(xiàng)適當(dāng)削弱。再次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)調(diào)整加速但其它性能改善并不明顯。</p><p>　　PID各項(xiàng)系數(shù)值的確定</p><

109、p>　　參照5.2節(jié)得出的結(jié)論反復(fù)通過實(shí)驗(yàn)分析修正PID各項(xiàng)系數(shù)各項(xiàng)系數(shù)確定值見表6.2。系統(tǒng)最終處在一個較佳的工作狀態(tài)：啟動時電機(jī)經(jīng)過約5秒鐘進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)沒有出現(xiàn)過大的超調(diào)或欠調(diào)。穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速誤差在±3轉(zhuǎn)/秒。由于轉(zhuǎn)速測量裝置晃動大由此引起的測量值會意外發(fā)生錯誤使電機(jī)有時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的瞬間飆升或驟減但不會引起系統(tǒng)失調(diào)系統(tǒng)會迅速自動調(diào)整轉(zhuǎn)速再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　表6.2 PID各系數(shù)

110、值</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對系統(tǒng)的調(diào)試及測試進(jìn)行了分析，對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了解決。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計完成了設(shè)計的基本要求和擴(kuò)展，要求由于所使用的直流電機(jī)的啟動速度在700轉(zhuǎn)/分左右所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量控制