基于單片機(jī)的數(shù)字PID控制直流電機(jī)PWM調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

？ 學(xué) 院 課程設(shè)計(jì)說明書 題目 基于單片機(jī)的數(shù)字 PID控制直 流電機(jī) PWM調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng) 系 (部 ) 電子與通信工程系 專業(yè) (班級 )電氣工程及其自動(dòng)化 姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 起止日期 II 計(jì)算機(jī) 控制 課程 設(shè)計(jì)任務(wù)書 系（部）： 電子與通信工程 系 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 ： 學(xué)生姓名 學(xué)號 班級 課題名稱 基于單片機(jī)的數(shù)字 PID 控制直流電機(jī) PWM 調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng) 內(nèi)容及任務(wù) 1、運(yùn)用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片將滑動(dòng)變阻器的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為控制直流電機(jī)速度的 給定值 ； 2、用壓控振蕩器模擬直流電機(jī)的運(yùn)行（電壓高 -轉(zhuǎn)速高 -脈沖多），單片機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對脈沖計(jì)數(shù)作為電機(jī)速度的 檢測值 ； 3、應(yīng)用數(shù)字 PID 模型作單片機(jī)控制編程，其中 P、 I、 D 參數(shù)可按鍵輸入并用 LED 數(shù)碼顯示； 4、單片機(jī) PWM 調(diào)寬輸 出作為 輸出值 ，開關(guān)驅(qū)動(dòng)、電子濾波控制模擬電機(jī)（壓控振蕩器）實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的 PID 調(diào)壓調(diào)速功能。 擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo) 運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計(jì)組建計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，達(dá)到控制指標(biāo)。本課題使用 S51 單片機(jī)及 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器運(yùn)用 PID 控制編程，完成對直流電機(jī)的 PID 調(diào)壓調(diào)速功能。 要求完成 1、模擬直流電機(jī)（壓控振蕩器）電路設(shè)計(jì)； 2、單片機(jī)控制系統(tǒng)（參數(shù)鍵入、 LED 顯示）設(shè)計(jì)； 3、給定值輸入、檢測值輸入、 PWM 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)； 4、 PID 控制程序、 PWM 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)； 5、 PID 參數(shù)整定。 進(jìn) 起止日期 工作內(nèi)容 備注 III 度安排 星期一 上午： 下午： 星期二 上午： 下午： 星期三 上午： 下午： 星期四 上午： 下午： 星期五 上午： 下午： 課程設(shè)計(jì)動(dòng)員、學(xué)生討論選擇課題； 課題論證、課題講解、課題答疑。 學(xué)生查閱、收集設(shè)計(jì)資料； 選擇、初建設(shè)計(jì)方案。 設(shè)計(jì)、仿真各單元電路； 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)電路。 數(shù)字 PID 控制編程； 控制程序仿真、控制功能調(diào)試。 P、 I、 D 參數(shù)整定； 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 主要參考資料 單片機(jī)原理與應(yīng)用、 PWM 調(diào)制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。 教研室 意見 年 月 日 系（部）主管領(lǐng)導(dǎo)意見 年 月 日 IV 長沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表 姓名 學(xué)號 專業(yè) 電氣自動(dòng)化 班級 設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的數(shù)字 PID控制直流電機(jī) PWM調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng) 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師意見 ： 評定等級： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見 ： 評定等級： 答辯小組長簽名： 日期： 教研室意見： 教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見： 系主任簽名： 日期： 說明 課程設(shè)計(jì)成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類； V 目 錄 第 1 章 PID 簡介 . 1 第 2 章 設(shè)計(jì)原理 . 2 第 3 章 設(shè)計(jì)方案 . 3 3.1 PWM 的調(diào)制 . 3 3.2 基于單片機(jī)的數(shù)字 PID 控制直流電機(jī) PWM 調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng) . 5 3.2.1 調(diào)速原理 . 5 3.2.2 基于單片機(jī)的數(shù)字 PID 控制直流電機(jī) PWM 調(diào) 壓調(diào)速器系統(tǒng)原理圖 . 6 3.2.3 波形仿真 . 7 3.2.4 PID 調(diào)速程序 . 8 第 4 章 心得體會 .13 參考文獻(xiàn) .14 1 第 1 章 PID 簡介 PID （比例積分微分 ， 英文全稱為 Proportion Integration Differentiation） 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù) 學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括 起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完 善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 PID（比例 -積分 -微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 PID 控制器由比例 單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t)與輸出 u (t)的關(guān)系為 u(t)=kp(e(t)+1/TI e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是 0和 t 因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 為比例系數(shù)； TI 為積分時(shí)間常數(shù)； TD 為微分時(shí)間常數(shù)。 本次課程設(shè)計(jì)就是應(yīng)用數(shù)字 PID 模型作單片機(jī)控制編程，其中 P、 I、 D 參數(shù)可按鍵輸入并用 LED 數(shù)碼顯示；單片機(jī) PWM 調(diào)寬輸出，開關(guān)驅(qū)動(dòng)、電子濾波控制模擬電機(jī)（壓控振 蕩器）實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的 PID調(diào)壓調(diào)速功能。 . 2 第 2 章 設(shè)計(jì)原理 基本的設(shè)計(jì)核心是運(yùn)用 PID 調(diào)節(jié)器，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的在帶動(dòng)負(fù)載的情況下也能穩(wěn)定的運(yùn)行。 運(yùn)用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片將滑動(dòng)變阻器的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為控制直流電機(jī)速度的給定值； 用壓控振蕩器模擬直流電機(jī)的運(yùn)行（電壓高 -轉(zhuǎn)速高 -脈沖多），單片機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對脈沖計(jì)數(shù)作為電機(jī)速度的檢測值； 應(yīng)用數(shù)字 PID 模型作單片機(jī)控制編程，其中 P、 I、 D 參數(shù)可按鍵輸入并用 LED 數(shù)碼顯示； 單片機(jī) PWM 調(diào)寬輸出作為輸出值，開關(guān)驅(qū)動(dòng)、 電子濾波控制模擬電機(jī)（壓控振蕩器）實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的 PID 調(diào)壓調(diào)速功能。 基于以上的核心思想，我們把這次設(shè)計(jì)看成五個(gè)環(huán)節(jié)組成，其具體的 原理 如下 見原理圖 2.0 圖 2.0 PID 調(diào)速設(shè)計(jì)原理圖 如圖可以知道，這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，我們借助單片機(jī)來控制，我們現(xiàn)運(yùn)用 AD 芯片，運(yùn)用單片機(jī)來控制 AD 芯片來轉(zhuǎn)換模擬電壓到數(shù)字電壓， AD 給定的電壓越大，則產(chǎn)生的數(shù)字量越大，單片機(jī)再控制這個(gè)數(shù)字量來產(chǎn)生一個(gè) PWM， PWM 占空比越大，就驅(qū)動(dòng)晶體管導(dǎo)通的時(shí)間越長，這樣加到壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓也 就越大，電壓越大， 則壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的計(jì)數(shù)脈沖再單位時(shí)間也就越多，這樣就相當(dāng)于電機(jī)的電壓越大，其轉(zhuǎn)速也就會越快，我們再用單片機(jī)對壓頻轉(zhuǎn)換器的輸 出 脈沖 計(jì)數(shù)， PID 調(diào)節(jié)器就把這個(gè)計(jì)數(shù)脈沖和預(yù)先設(shè)定的 值進(jìn)行比較，比設(shè)定值小，這樣就會得到一個(gè)偏差，再把這個(gè)偏差加到 AD 的給定電壓，這樣就相當(dāng)于加大了 PWM 的占空比，要是比設(shè)定值大，這樣也會得到一個(gè)偏差，就把這個(gè)變差與給定的電壓向減，這樣就可以減少 PWM 的占空比，通過改變占空比來改變晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，就可以改變壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，也就改變壓頻轉(zhuǎn)換器的單位計(jì)數(shù)脈沖， 達(dá)到 調(diào)電動(dòng)機(jī)速度的目的。 3 第 3 章 設(shè)計(jì)方案 3.1 PWM 的調(diào)制 AD 芯片給定一定的電壓，應(yīng)用單片機(jī)來控制來產(chǎn)生一個(gè) PWM,給定的電壓不同 ，就會的得到不同的PWM 波形 。在產(chǎn)生 PWM 波形我們采用 ADC0808 芯片和 AT89C51 兩個(gè)核心器件。 ADC0808 芯片是要外加電壓和時(shí)鐘，當(dāng)輸入不同的電壓的時(shí)候，就可以把不同的電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，輸入的電壓越大，其轉(zhuǎn)換的相應(yīng)的數(shù)字也就會越大， ADC0808 芯片有 8 個(gè)通道輸入和 8 個(gè)通道輸出。其具體的管腳圖見 3.01 圖 3.01 ADC0808 芯片管腳圖 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存 儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖 3.02 所示 圖 3.02 AT89C51 芯片管腳圖 PWM 產(chǎn)生的電路圖見圖 3.03 4 圖 3.03 PWM 產(chǎn)生的電路圖 在 PROTEUS 仿真中，我們改變不同的電壓就可以得到不同的 PWM 波形。 在給定很高（ FC）的電壓的時(shí)候，得到占空比很的 PWM 波形，見圖 3.04 圖 3.04 高占空比 PWM 波形 在給定一般 (7F)的電壓的時(shí)候，得到占空比很的 PWM 波形，見圖 3.05 圖 3.05 中 占空比 PWM 波形 在給定一般 (01)的電壓的時(shí)候，得到占空比很的 PWM 波形，見圖 3.06 圖 3.06 低占空比 PWM 波形 PWM 源程序 ADC EQU 35H ；定義 ADC0808 時(shí)鐘芯片 CLOCK BIT P2.4 5 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO START: MOV TMOD,#02H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV IE ,#82H SETB TR0 WAIT:CLR ST SETB ST CLR ST ；啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換等待結(jié)果 JNB EOC,$ SETB OE MOV ADC,P1 ；啟動(dòng) /D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 CLR OE SETB PWM ；PWM 輸出 MOV A,ADC LCALL DELAY CLR PWM MOV A,#0FEH SUBB A,ADC LCALL DELAY SJMP WAIT INT_TO:CPL CLOCK RETI ；提供 ADC0808 時(shí)鐘 信號 DELAY: CJNE A ,#00H, L INC A L: MOV R6,#1 D1:DJNZ R6 ,D1 DJNZ ACC,D1 RET END 3.2 基于單片機(jī)的數(shù)字 PID 控制直流電機(jī) PWM 調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng) 3.2.1 調(diào)速原理 當(dāng) 基于以上產(chǎn)生一個(gè) PWM 后，就可以借助 PWM 脈沖來控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，來給壓頻轉(zhuǎn)換器來提供一定的電壓，在 PROTUES 中仿真中，給定一個(gè) +12V 的電壓，就通過晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷來給壓頻轉(zhuǎn)換器 6 供電，壓頻轉(zhuǎn)換器 就會輸出很多的脈沖，借助單片機(jī) P3.5 來計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)送給 P0 來顯示，通過給定不同的 ADC 的輸入電壓，就可以的得到不同的計(jì)數(shù)顯示，電壓越大，其計(jì)數(shù)顯示也就越大，通過改變計(jì)數(shù)脈沖的周期和硬件壓頻轉(zhuǎn)換器（ LM331）的電阻和電容，就可以得到與輸入電壓接近的數(shù)值顯示，可能由于干擾的原因，其顯示值和實(shí)際值有一點(diǎn)偏差，這是在沒有什么負(fù)載的情況下，或者說是在空載的情況下，這樣就可以得到一個(gè)很理想的開環(huán)系統(tǒng)，也為閉環(huán) PWM 調(diào)節(jié)做好準(zhǔn)備。 當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，加上一個(gè)擾動(dòng)，或者說是加上負(fù)載，這樣就使的壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓減少，在給 定一定電壓的時(shí)候，當(dāng)負(fù)載分壓的時(shí)候，也就相當(dāng)于直流電機(jī)的電壓就會減少，這樣直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會下降，或者說當(dāng)有負(fù)載的時(shí)候，壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓就會減少，這樣輸入的脈沖在單位時(shí)間就會減少，這樣 PID 調(diào)節(jié)器，通過改變 PID 的參數(shù)， PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t)與輸出 u (t)的關(guān)系為 u(t)=kp(e(t)+1/TI e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是 0 和 t 因此它的傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 為比例系數(shù)； TI 為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù) 這樣就會得到一個(gè)偏差，通過這個(gè)偏差來改變原來的 PWM 的占空比，使得晶體管的導(dǎo)通時(shí)間加長或減少，這樣就改變了直流電機(jī)的輸入電壓，也就是該變了在 PROTUES 壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，使得輸出的計(jì)數(shù)脈沖在單位時(shí)間發(fā)生改變，也就是模擬了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的改變，我們希望通過 PID 的調(diào)節(jié)，使得輸出的計(jì)數(shù)脈沖的顯示值和預(yù)先設(shè)定的值接近，由于偏差的存在，使得 PID 調(diào)節(jié)器不斷的去修正，使得顯示值近可能的接近我們所預(yù)期的設(shè)定值。 3.2.2 基于單片機(jī) 的數(shù)字 PID 控制直流電機(jī) PWM 調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)原理圖 圖 3.07 PID 調(diào)速原理圖 7 3.2.3 波形仿真 在不同的給定電壓下開換系統(tǒng)會有不同的 PWM 波形和計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)。 在不同的波形中從上之下以此為 pwm 波形，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后的波形， LM331 的輸入電壓， LM331 的輸出脈沖。 當(dāng)給定電壓為較高（ E8H）其波形見如下圖 3.08 圖 3.08 高電壓給定對應(yīng)的波形 當(dāng)給定電壓為較高（ 7FH）其波形見如下圖 3.09 圖 3.09 中電壓給定對應(yīng)的波形 當(dāng)給定電壓為較高（ 08H）其波形見如下圖 3.10 8 圖 3.10 低電壓給定對應(yīng)的波形 ； PID LM331 的輸入電壓波形圖 3.11 圖 3.11 PID 控制 LM331 的輸入電壓波形 3.2.4 PID 調(diào)速程序 PWM 輸出驅(qū)動(dòng)程序 ADC EQU 35H CLK BIT P2.4 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7 ； PID 調(diào)節(jié)設(shè)置 EK0 EQU 40H EK1 EQU 41H EK2 EQU 42H PP EQU 43H II EQU 44H 9 DD EQU 45H UK0 EQU 70H UK1 EQU 71H ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO START: MOV TMOD, #62H MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV IE, #86H SETB TR0 ； SETB TR1 MOV R0, #00 MOV R1, #00 MOV R2, #00 MOV R3, #00 MOV R4, #00 MOV R5, #00 MOV R6, #00 MOV R7, #00 ；PID 賦值 MOV PP, #05 MOV II, #03 MOV DD, #02 MOV EK0,#00H MOV EK1,#00H MOV EK2,#00H MOV UK0,#00H MOV UK1,#00H WAIT: CLR OE INC R7 CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC, $ ； 等待轉(zhuǎn)換完成 10 SETB OE MOV ADC, P1 MOV R0,ADC MOV A,70H ADDC A,ADC MOV ADC ,A ；CLR OE SETB PWM SETB TR1 MOV A, ADC LCALL DELAY ； 高電平延時(shí) CLR PWM MOV A, #255 SUBB A, ADC LCALL DELAY ； 低電平延時(shí) CJNE R7, #20, WA2 WA1: CLR TR1 MOV R7, #00 MOV A, TL1 MOV 50H,A mov P0,50H ；PID 求偏差 MOV A,EK1 MOV EK2,A MOV A,EK0 MOV EK1,A MOV A,R0 SUBB A,50H MOV EK0,A ；PP 的計(jì)算 MOV A,EK0 SUBB A,EK1 MOV B,PP MUL AB MOV R1,A MOV R2,B AJMP X WAIT1:AJMP WAIT ；II 的計(jì)算 11 X: MOV A,EK0 MOV B,II MUL AB MOV R3,A MOV R4,B ；DD 的計(jì)算 MOV A,EK1 RL A MOV EK1,A MOV A,EK0 SUBB A,EK1 ADDC A,EK2 MOV B,DD MUL AB MOV R5,A MOV R6,B ；PID 總的計(jì)算 MOV A,R1 ADDC A,R3 ADDC A,R5 MOV 60H,A MOV A,R2 A