1、课 程 设 计课程名称 计 算 机 控 制 技 术 题目名称 直 流 电 机 PID 调 速 学生学院 信 息 工 程 学 院 专业班级 应 用 电 子 技 术（ 4 ）班 学 号 * 学生姓名 杜 帅 哥 指导教师 黄 国 宏 2014 年 06 月 28 日目 录(contents)摘要.*第一章 方案选择1.1 PID算法 . .*1.2 PID参数整定.*1.3 PWM脉冲控制技术.*第二章 分析与计算2.1. 系统设计方案. . .*2.2. 数字PID控制器. .*2.3. 凑式法整定PID参数. .*2.4. 直流电机测速. . .*第三章 硬件电路设计3.1. 元器件介绍. .
2、 .*3.2. 电源驱动电路. . .1*3.3. 电机调速控制电路. .1*第四章 程序设计4.1. 系统程序流程图. .1*4.2. 抗积分饱和的办法. .1*4.3. 积分分离的办法. .1*4.4 指令冗余技术的应用. .1*第五章 调试过程5.1. 只有比例环节(P). . .1*5.2. 加入积分环节(PI). . .2*5.3. 加入微分分离(PID) .2*5.4. 只使用比例积分环节（PD）. . .2*第六章 设计心得. . .2*第七章 参考文献. .2*第八章 附录（程序). .2*摘 要现代工业生产中，随着生产规模的不断壮大，人们对产品质量的要求日益提高，以及现代环境
3、的复杂 ，使工业过程控制系统 生产中 不 的设 PID控制 和 用的的控制方法，PID控制器以 定 工 调整方 工业控制的 要技术一 现代控制技术的现，有currency1PID控制器的应用 “,技术的现对PID控制技术的fifl 大的动 用 一方, 的控制 不断应用PID控制器的设计 中 使用的控制 设计有PID 的控制器,PID控制技术”入 的 一方, 控制技术的fi要求 的PID控制, PID控制器设计与参数整定技术的fi 程设计以8051 机 设计一 PID控制器，电源 电路和复 电路 有测速和控制电机电路，Proteus与Keil 的 关键词 PID控制器; 8051 机 PID参数
4、ABSTRACTWith the growing scale of production in modern industrial production , product qualityincreasing the complexity of modern environmental and industrial process control systems havebecome essential equipment in the production .PID control is the most widespread and common control , PID control
5、ler is its simplestructure , good stability , reliable , and easy to adjust and become one of the industrial control .Although a variety of modern control technology is frequent, but did not weaken the application ofthe PID controller . On the contrary, the emergence of new technologies for the deve
6、lopment ofthe PID control technology played an important role in promoting .On the one hand , among thevariety of new control ideas continue to be applied to the PID controller design or use of thoughtcontrol to design a new controller with PID structure , the PID control technology has injectednew
7、vitality . On the other hand , the development of some of the new control technologyrequirements for more accurate PID control , thereby stimulating the development of PIDcontroller design and parameter tuning technology .This paper based on the design of a PID controller in 8051 , including the pow
8、er supply ,display , button and reset circuit crystal oscillator circuit , the speed of Measurement and motorconversion circuit , and finally the simulation on Proteus and Keil simulation platform Keywords: PID controller; 8051SCM ; PID parameters 第一章 方案选择1.1 PID算法量式PID 指数字控制器的 只 控制量的 量u(k) 用 量式算法 ，
9、计算机 的控制量u(k)对应的 机 的 量， 不 对应机 的 ， 要求机 有对控制量 量的 积 ， 对控对 的控制 机 的 积 以 用硬件的方法现 以 用 件现，用算式 u(k)=u(k-1)+u(k)程序 量式算法 算式中不 要 加 控制 量u(k)的定 与 近3的样值有关，容易 过加权处理获得比较 的控制效果计算机每只 控制 量，即对应机 的变 量，故机器生故障 影响范围小 不会严重影响生产过程手动自动切换 冲击小 当控制手动向自动切换， 以 到无扰动切换 式PID算法，该控制算法提供 机 的体 ，PID 与整过去的状态有关，容易产生大的 加误差 式PID控制算法的缺 当前 样 刻的 与过
10、去的 状态有关，计算 要对e(k) 加，运算量大 且控制器的 u(k)对应的 机 的 ，果计算机现故障，u(k)的大幅度变 会引fl机 的大幅度变 方案选择 设 用 量式PID算法，原 PWM占空比和转速不线 关系，无法准改变占空比达到期望速度， 用 量式的 处 只要有误差存 就 以不断 加减 占空比达到期望速度，同 不会现一旦计算机现故障，u(k)的大幅度变 会引fl机 的大幅度变 的问题 1.2 PID参数整定模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的验整定法有 临界比例度法 阶跃响应曲线法 试凑法等 数字控制器参数的整定 用类似的方法，扩充的临界比例度法 扩充的阶跃响应曲线法 试凑法等
11、扩充临界比例度法 对模拟控制器中使用的临界比例度法的扩充 步骤下 （1）选择一 足够短的周期，体地说就 选择 样周期 控对 纯滞 间的十分 一以下 （2）用选定的 样周期使系统工 这 ，数字控制器去掉积分 用和微分 用，只保留比例 用 逐渐减小比例度，直到系统生持续等幅 荡 记下使系统生 荡的临界比例度和系统的临界 荡周期 （3）选择控制度 所谓控制度就 以模拟调节器 准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果比较 控制效果的评价函数 常用误差 方积表 控制度 应用中不 要计算两 误差 方积，控制度 表控制效果的物理概念 常，当控制度 1.05 ，就 以认 DDC与模拟控制效果当当控制度 2
12、.0 ，DDC比模拟控制效果差 （4）根据选定的控制度，查表1求得T 的值 控制度 控制规律 T1.05 PI 0.03 0.53 0.881.05 PID 0.014 0.63 0.49 0.141.20 PI 0.05 0.49 0.911.20 PID 0.043 0.047 0.47 0.161.50 PI 0.14 0.42 0.991.50 PID 0.09 0.34 0.43 0.202.00 PI 0.22 0.36 1.052.00 PID 0.16 0.27 0.40 0.22表1.扩充临界比例度法整定参数凑试法，根据参数对控制过程的影响趋 ，对参数 比例， 积分，微分的整
13、定步骤 凑试法整定规 大比例系数 一 将加 系统的响应，有 差的 下有减 差 过大的比例系数会使系统有较大的 调，产生 荡，使 定 变 大积分 间 有减小 调，减小 荡，使系统 加 定，系统的 差 将随 减 大微分 间 有加 系统响应，使 调量减 ， 定 加，系统对扰动的 制减currency1，对扰动有较 的响应 凑试 ， 以参考以 参数对控制过程的影响趋 ，对参数下 比例， 积分， 微分的整定步骤 体 以 以下 参数整定 ，小到大 序查比例 积分， 微分加曲线 荡，比例度 要大曲线大，比例度 小曲线currency1离复 ，积分 间下“曲线动周期，积分 间 加曲线 荡 ， 微分“下动差大动
14、 ，微分 间应加 3方案选择 设 用凑试法 要原 fi控对 直流电机，一 不有 荡fl ， 曲线 调变 的，有自 fl ， 就 说 只有比例环节的 下不 现等幅 荡的 现直流电动机的纯滞 间 ，要选择一 足够短的 样周期，使 直流电动机对 的纯滞 间的十分 一以下，选择十分 一，当 用 周期 系统 样周期 ，现根 ”不 速度， 测速模的不系统 样 以 原 ，故选择 用凑试法定 参数 1.3 PWM脉冲控制技术PWM Pulse Width Modulation控制就 对脉冲的度 调制的技术 即 过对一系脉冲的度 调制，等效地获得所 要（状和幅值） 样控制理中有一 重要的 冲量等 状不同的脉冲加
15、 有 的环节 ， 效果同 冲量即指脉冲的积 这 所说的效果同， 指环节的 响应同 果 用变换分析， 常近， 高 有差 例图1中a b c所的三 脉冲状不同， 中图1的a 脉冲，图1的b 三 脉冲，图1的c 脉冲， 们的积（即冲量） 等1， ，当 们分 加 有 的同一环节 ， 响应同 当脉冲变 图1的d所的 脉冲函数 ，环节的响应即 该环节的脉冲过 函数 图1 状不同 冲量同的 脉冲图2a的电路 一 体的例 图中 脉冲， 状和积分 图1的a b c d所， 电路的 入 该 入加 以 环节的R-L电路 ，设 电流 电路的 图2b 不同 的响应 以 ， 的 ，脉冲状不同 的状 有不同， 下“ 同 脉
16、冲， 的差 小 果周期 的 加 脉冲， 响应 周期 的 用 数分 将 ， 的fl 常近， 高有所不同2 图2 冲量同的 脉冲的响应直流电动机有 的调速fl ，调速 方 ，调速范围 ，过大，的冲击 ， 现的无 速fl动 制动和“转足生产过程自动 系统 不同的fl 运要求， 多 要调速 速 “向的电 动系统 中得到 的应用 直流电动机的转速调节 要有三 方法 调节电 供电的电 减currency1 和改变电 路电 对三 调速方法， 有 自的fl ， 存 一定的缺 例改变电 路电 调速只现有 调速，减currency1 够 调速，这 方法的调速范围不大，一 变 调速使用 所以 直流调速系统中， 以变
17、 调速 中， 变 调速系统中，大体 分 控整流式调速系统和直流PWM调速系统两 直流PWM调速系统与控整流式调速系统比有下 fiPWM调速系统的 关较高，电 电 的 用就 获得 的直流电流，速fl 速度高 调速范围 同样，fi 关高 速响应fl 动态抗 扰强， 以获得的带 关器件只工 关状态， 电路损耗小 装效高直流电源 用不 控整流 ，电网 数比控整流器高 直流PWM调速系统有以 ，且随着电电 器件 关 的不断提高，直流脉调制 PWM 技术得到 速的fi 随着科学技术的迅猛fi传统的模拟和数字电路 大规模” 电路所取代，这就使得数字调制技术 目前， 该 中大部分应用的 数字脉调制技术 电动机
18、调速系统 用微机现数字 控制， 电气传动fi的要方向 一 用微机控制 ，整 调速系统现 数字 ，且 高 维护方 电动机 态运转 转速度 达到较高水 ， 动态项指标均较 地 足工业生产中高 电气传动的要求 下 要介绍直流电机PWM调速系统的算法现 根据PWM控制的原理 知，一 间内加 两端的PWM脉冲与等 间内冲量等的直流电加 的电 等效， 果 短 间T内脉冲度 幅值 U，fi图3 求得 间内脉冲的等效直流电 图3 PWM脉冲，令，即 占空比， 式 U 脉冲幅值 PWM脉冲 图4所周期 脉冲， 与 脉冲等效的直流电 的计算方法与 同，即（ 脉冲占空比） 图4 周期 PWM 脉冲fi式4 知，要改
19、变等效直流电 的大小， 以 过改变脉冲幅值U和占空比现， 系统设计中脉冲幅值一 恒定的，所以 常 过控制占空比的大小现等效直流电 0U 间任意调节， 达到用PWM控制技术现对直流电机转速 调节的目的 第二章 分析与计算2.1系统设计方案图5.系统方案框图图5中控制器模 系统的核心部件， 和器用现人机交互 ， 中 过 将 要设的参数和状态 入到 机中，且 过控制器到器 运过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过大 控制直流电机转速，同 用速度检测模将当前转速“馈到控制器中，控制器经过数字PID运算 改变PWM脉冲的占空比，现电机转速控制的目的 2.2. 数字PID控制器模拟PID调节器
20、的控制规律 式中， 比例系数， 积分 间常数， 微分 间常数 当 样周期足够小 ， 模拟调节器的 ， 过数值逼近的方法，用求和代替积分 用 向差分代替微分，使模拟PID离散 变 差分方程 这样，式 离散 以下差分方程 式中 currency1差 的初值比例控制 用 积分控制 用 微分控制 用 fi 量u(n) 量 , 对控对 的机 每 样 刻应达到的 称 型PID算式 型控制算式不够方 ，这 要 加currency1差e(i),不 要占用较多的存储 元， 且不 编写程序， 对 改 得u(n-1)的表达式 所以数字PID 量型控制算式 式中称 比例 益称 积分系数 5称 微分系数 2.3 凑式法
21、整定PID参数大比例系数 Kp，一 将加 系统的响应， 有 差的 下有减小差 过大的比例 系数会使系统有较大的 调，产生 荡，使 定 变 大积分 间 Ti 有减小 调，减小 荡使系统 加 定，系统 差的 将随 减 大微分 间 Td 有加 系统响应，使 调量减小，定 加，系统对扰动的 制 减currency1，对扰动有较 的响应 凑试 ， 参考以 参数对系统控制过程的影响趋 ，对参数调整比例 积分， 微分的整定步骤 （1）首 整定比例部分，将比例系数fi小变大，观察应的系统响应，直至得到“应 调小的响应曲线 果系统有 差 差 经小到允 范围内，且对响应曲线 经 意， 只 要比例调节器即 （2）果
22、 比例调节的 系统的 差不 足设计要求， 加入积分环节 将 经调节 的比例系数 缩小(一 缩小 原值的0.8)， 减小积分 间，使得系统 保持 动态 的 下， 差得到 过程中， 根据响应曲线的 “复改变比例系数与积分 间，以期待得到 意的控制过程与整定参数 （3）果 调整过程中对系统的动态过程“复调整 不得到 意的果， 以加入微分环节 一 的系统D =0，12 只有部分滞 较大的系统，D值 调大 2.4. 直流电机测速直流测速电机测速 分 式和永 式两 式fi 组 他，永 式 用矫顽高的 钢制 极 fi永 式不 加 电源， 不 组温度变 影响 电 ，故应用较 根据直流电机的工 原理知，电刷两端
23、的 应电 Ea= Cen=Kenfi 式 知 电刷两端的 应电 与电机的转速 比 直流电机够 转速信号换 电 信号， 用测速 自动控制系统对测速动机的要求 电 与转速的关系曲线 线 fl 的斜要大 温度变 对 fl 的影响要小 电 的纹要小 “转两 方向的 fl 要一致 直流测速电机的 原理 ，且 一定范围内够 足系统的 求 缺 的 电 值，果使用 数字信号电路 得用AD转换芯转 数字信号 且 要处线 区， 现中线 的系统 ，故 现 经不常用 鉴验使用的 机控制系统，故 测速方式不适用 霍尔传 器测速 根据霍尔效应制 的一 场传 器 霍尔效应 电效应的一 ，这一现 霍尔（A.H.Hall，18
24、551938）1879年 研究金属的导电机 现的 现 导体 导电流体等 有这 效应， 导体的霍尔效应比金属强得多，用这现 制 的 霍尔元件， 地应用工业自动 技术 检测技术及信息处理等方 霍尔效应 研究 导体材料 的方法 过霍尔效应验测定的霍尔系数，够判断 导体材料的导电类型 流 浓度及流 迁移等重要参数 电机每转一圈,每一霍尔传 器产生2脉冲,且 周期与电机转速 “比, 以用霍尔传 器信号得到电机的转速 尽 缩短一速度 样的间, 测得任意一霍尔传 器的一 脉冲的度, 电机的转速 V=N*30;V:速度 R/minN:每 样的脉冲 数霍尔传 器 的 脉冲， 以直将 脉冲入 机外部计数器，故 常 用 光电编码器测速 效果霍尔测速一致， 霍尔元件用的 电 产生脉冲，光电编码器用的 光产生脉冲 的原理 过电动机的转动带动码 的转动，码 有多缝隙，缝隙每经过红外管一就会产生一 脉冲， 直入 机，经过算法处理得到转速 方案选择 设选取的 光电码 测速 首 同 测量霍尔元件和光电编码器，现光电编码器的灵 度 高，且 价格 宜 关 的
