多電機同步控制

論文題目：電機同步控制模塊設計（軟件）專 業(yè)：電氣工程及其自動化指導老師：黃夢濤 （簽名） 本 科 生：李大威 （簽名） 摘 要多電機同步控制廣泛應用于工業(yè)生產中。論文以兩臺電機的同步為研究對象，采用主從式的控制結構，設計了一個兩臺小功率低電壓直流電機的同步控制系統(tǒng)，兩臺直流電機采用PWM技術調速。為了提高控制精度，采用了帶速度反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)，選用單片機C8051F040作為控制器。為了能夠根據(jù)需要改變電機的轉速以及實時顯示兩臺電機的速度，我們還建立了單片機和上位機之間的串行通信。設計的核心是用C語言編程實現(xiàn)了PID控制算法。為了增加PID算法的自適應性，設計中整定了多組控制參數(shù)，并給出了控制結果。關鍵詞：多電機同步，PWM，C語言，PID算法SUBJECT ：The software design of Multi-electric motors synchronism control moduleSpecialty ：Electrical Engineering and AutomationInstructor：Huang Mentao （Signature） Name ：Li Dawei （Signature） ABSTRACT Multi-electric motor synchronism control system has been widely used in the industrial manufacture. Taking the synchronization of two engines as research object, a synchronous control system for two DC motors, which work on small power and low voltage, is designed in this paper. It has a Master-slave structure. The speeds of the two DC motors are regulated with the technology of PWM. In order to improve the control precision, a closed loop speed control system with a speed feedback is adopted, while the single chip computer C8051F040 is selected as the controller. We also establish a serial communication between the single chip computer and a PC, so it is easy to set up the motors speed you want and show the real-time speeds of them. The core of the design is to realize the PID algorithm, using the C language to program. In order to improve the PID algorithms adaptability, several group control parameters are set in the design, and their control effects are given.KEY WORDS：Multi-electric motor synchronism, PWM, C language, PID 目 錄前 言5第一章 多電機同步控制方案及硬件電路71.1 多電機同步控制結構71.1.1 并行控制71.1.2 主從控制81.2 PWM調速原理與發(fā)展概況81.3 直流電機驅動電路101.4 速度檢測電路131.5控制器141.6 通信模塊15第二章 PID控制方法172.1 PID控制方法介紹172.2 數(shù)字式增量PID控制算法182.3 標準PID算法的改進202.4 干擾的抑制202.5 PID調節(jié)器的參數(shù)整定212.5.1 采樣周期的選定212.5.2 PID參數(shù)的整定22第三章 軟件實現(xiàn)233.1 C51語言233.2 單片機片內的資源配置243.2.1 單片機內各功能模塊配置243.2.2 單片機的端口配置253.3 程序模塊介紹263.3.1初始化模塊263.3.2 測速子程序283.3.3 串口通信子程序303.3.4主程序323.4 程序調試34第四章 參數(shù)的整定結果374.1 高速段內的參數(shù)整定及結果374.2中速段內的參數(shù)整定及結果384.3低速段內的參數(shù)整定及結果394.4 結果分析40結 論41致 謝42參考文獻43附錄1 總程序44前 言直流電機是最早出現(xiàn)的電機，也是最早能實現(xiàn)調速的電動機。由于它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)性能，直流電動機一直占據(jù)著調速控制的統(tǒng)治地位，是大多數(shù)調速控制電動機的最優(yōu)選擇。PWM是控制數(shù)字化的基礎，用PWM技術控制直流電機方法簡單，能實現(xiàn)寬范圍內的速度和位置調整，如今已成為主流的直流電機調速方式。多電機同步控制問題在工業(yè)生產中的許多場合已成為一個突出的難題。在多臺電機驅動系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的機械長軸雖然能夠準確地保持電機同步，但其缺點日益顯著，如各電機的工作狀態(tài)相互影響，彼此之間存在嚴重的耦合作用，通過鏈、齒輪、軸等多級鏈接機構后含有積累誤差，使用范圍也受到限制，某些場合已不能滿足現(xiàn)代控制的需要。采用電的方式控制多電機的同步是一種有效的解決手段，人們對這方面已作出了大量的研究。對多電機的同步控制結構有并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控制等多種控制理論，控制方法除了常規(guī)的PID外，還有各種現(xiàn)代控制理論，包括神經網絡、模糊控制、專家系統(tǒng)等，將它們與PID控制相結合更衍生出多種控制理論。在本設計中以C8051F040單片機為控制器，設計了一個兩臺小功率低電壓直流電機的主從式同步控制系統(tǒng)，設計任務是從電機能夠跟蹤主電機的實時速度，主電機的速度可以通過上位機設定，然后傳給單片機去調節(jié)。設計的目的是嘗試用改進的PID控制算法，用C語言編程去實現(xiàn)兩臺電機的速度同步，并達到一定的控制精度，簡單地探討一下實際應用中對多電機進行同步控制的基本方法。PID控制是最早發(fā)展起來也是應用最廣泛的控制規(guī)律之一，由于其原理簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID結構。但其不足之處是對非線性、不確定性系統(tǒng)的控制效果不理想。本設計采用了數(shù)字PID算法，為了提高控制精度，對于不同的速度段，整定了多組控制參數(shù)，以提高PID算法的自適應性。軟件設計中一個關鍵的任務是為電機的速度設定一個合適的控制參數(shù)，為了方便查看一組控制參數(shù)下的控制效果，我們通過中斷程序運行，在調試環(huán)境下查看實時的電機速度，多次查看并記錄下這些數(shù)值。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，反復的調整控制參數(shù)，直到滿意為止。對最終控制結果的分析表明，主電機速度的調整精度和從電機跟蹤的精度都能達到期望的水平。 第一章 多電機同步控制方案及硬件電路 本章主要對目前多電機同步的兩種基本控制結構以及直流電機PWM調速的發(fā)展概況和原理做了一些介紹和分析，確定了本系統(tǒng)兩臺直流電機的主從式同步控制結構，給出了直流電機的驅動電路和速度反饋電路，并對控制器C8051F040單片機的優(yōu)點作了介紹。1.1 多電機同步控制結構在工業(yè)生產中，傳動控制是機械加工控制系統(tǒng)的基礎。一個機械系統(tǒng)通常有多個軸需要傳動控制，對這些軸的控制就是控制驅動軸的電動機。在這種傳動系統(tǒng)中，目前存在的同步控制技術包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控制。這里對并行控制和主從控制這兩種基本的控制方式作一下簡單的介紹和比較，并選擇了主從式的雙電機同步控制結構。1.1.1 并行控制 并行控制是一種基于同一定值控制的并聯(lián)運行方式，這是一種最簡單的同步控制方法。并行式適用于每個單獨系統(tǒng)的控制目標基本一致的情況，要求伺服系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性。調速系統(tǒng)采用同一給定電壓，其控制結構圖如圖1.1所示。采用并行運行方式的同步控制系統(tǒng)其優(yōu)點在于啟動和停止階段系統(tǒng)的同步性能很好，但是由于整個系統(tǒng)相當于開環(huán)控制，當運行過程中某一臺電機受到擾動時，電機之間將會產生同步偏差，同步性能很差?？刂破麟姍C1控制器電機2 圖1.1 并行控制系統(tǒng)結構圖1.1.2 主從控制主從控制是一種基于跟蹤隨動原理的串聯(lián)運行方式。以雙電機為例，主從同步控制系統(tǒng)的結構圖如圖1.2所示。在這種控制方式中，主電機的輸出轉速作為從電機的轉速參考值。由此可推斷，任何加在主電機上的速度命令或是負載擾動都會被從電機反映并且跟隨，但是任何從電機上受到的擾動卻不會反饋回給主電機，也不會影響到其他的從電機。主從式特點是從系統(tǒng)跟蹤主系統(tǒng)的輸出，大大增加了其控制策略的穩(wěn)定性，但存在跟蹤滯后。這種控制方式要求伺服系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，主要應用在對速度或者位置的同步精度不是很高的工業(yè)生產中。控制器控制器電機1電機2 圖1.2 主從同步控制結構圖本系統(tǒng)設計的電機同步控制為了提高抗干擾能力，在一臺電機速度受到外部擾動或人為干擾時兩臺電機仍能保持速度的同步，采用了帶速度反饋的主從式的控制結構，一臺電機作為主電機，一臺為從電機，主電機的輸出即轉速作為從電機的輸入，主電機的輸入根據(jù)需要設置。為了提高主從電機的抗干擾能力以及從電機對主電機的跟蹤精度，在設計中盡可能地改善了數(shù)字控制電路。1.2 PWM調速原理與發(fā)展概況 目前用大功率晶體管控制的PWM永磁式直流伺服電動機驅動裝置，是高精度伺服控制領域應用最為廣泛的驅動形式。這種裝置能實現(xiàn)寬范圍內的速度和位置控制，較常規(guī)的驅動方式，如晶體管線性放大驅動，電液驅動或晶閘管驅動，具有無可比擬的優(yōu)點。隨著大功率晶體管的容量和開關速度的不斷提高。PWM裝置一躍成為現(xiàn)代伺服驅動系統(tǒng)的佼佼者，受到越來越多的控制工程師的重視。國外于上世紀60年代已開始注意PWM伺服控制技術，起初用于飛行器中小功率伺服系統(tǒng)，70年代中后期較為廣泛地應用在中等功率的直流伺服系統(tǒng)上，到了80年代，PWM驅動在直流伺服系統(tǒng)中的應用已經普及。現(xiàn)在從國外引進的高精度伺服系統(tǒng)大都采用PWM伺服系統(tǒng)，各工業(yè)先進國家競相發(fā)展PWM伺服機構。國內一些高校，研究所和工廠在上世紀70年代末相繼開展了PWM系統(tǒng)的研究，在一定范圍內達到了工業(yè)推廣水平，應用于數(shù)控機床，精密機床的進給，機器人驅動裝置及精密速度控制器中，也用于軍用雷達天線驅動，火炮和導彈發(fā)射架驅動等快速跟蹤高精度伺服系統(tǒng)中。但由于受到能制造的大功率晶體管的電流及電壓等級的限制，國內僅能做到幾十瓦到幾十千瓦，電壓達到220伏。PWM驅動原理是就是直流斬波原理，利用大功率晶體管的開關特性來調制固定電壓的直流電源。按一個固定的頻率來接通和關斷，并根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，通過改變直流電動機電樞上的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。PWM輸出波形如圖1.3所示，周期為T，一個周期內的導通時間為t，則加在電機兩端的平均電壓為： （1-1）其中，= t /T稱為占空比，為電源電壓，本電路中采用12伏。 圖1.3 PWM原理圖直流電機的轉速與電機兩端電壓成正比，而電機兩端的平均電壓與控制波形的占空比成正比，占空比越大，電機轉得越快，當占空比為1時，加在電機兩端的平均電壓最大，電機轉速也就最大。1.3 直流電機驅動電路直流電機PWM驅動電路使用最廣泛的就是單極性H型橋式電路，這種驅動電路可以很方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動這四種電機運行狀態(tài)。單極性H型橋式驅動電路結構圖如圖1.4所示，它由4個開關管和4個續(xù)流二極管組成，采用單電源供電。當電動機正轉時，V1開關管根據(jù)PWM控制信號同步導通或關斷，而V2開關管則受PWM反向控制信號控制，V3保持常閉，V4保持常開。當電動機反轉時，V3開關管根據(jù)PWM控制信號同步導通或關斷，而V4開關管則受PWM反相控制信號控制，V1保持常閉，V2保持常開。M 圖1.4 單極性H型橋式驅動電路當電機在較大負載下正轉時，電機兩端平均電壓U大于感應電動勢E。在每個PWM周期的導通區(qū)間，V1導通，V2截止，電流經V1、V4從A到B流過電樞繞組。在每個PWM周期的關斷區(qū)間，V2導通，V1截止，電源斷開，在自感應電動勢的作用下，經二極管VD2和開關管V4進行續(xù)流，使電樞中仍然有電流流過，方向是從A到B，這時，由于二極管VD2的箝位作用，V2實際不能導通。當電動機在進行減速運行時，平均電壓U小于感應電動勢E。在每個PWM周期的導通區(qū)間，在感應電動勢和自感應電動勢的共同作用下，電流經二極管VD4、VD1流向電源，方向是從B到A，電動機處于再生制動狀態(tài)。在每個PWM周期的關斷區(qū)間，V2導通，V1截止，在感應電動勢的作用下，經開關管V2和二極管VD4仍然是從B到A流過繞組，電動機處于耗能制動狀態(tài)。 當電動機輕載或空載運行時，平均電壓U等于感應電動勢E。在每個PWM周期的導通區(qū)間，V2截止，電流先經VD4、VD1流向電源，當減小到零后，V1導通接通電源，電流改變方向，沿V1、V4流動。在每個PWM周期的關斷區(qū)間，V1截止，電流先是沿VD2、V4續(xù)流，當續(xù)流電流減小到零后，V2導通，在感應電動勢的作用下，電流改變方向，沿開關管V2和二極管VD4流動。因此，在一個PWM周期中，電流交替呈現(xiàn)再生制動、電動、續(xù)流電動、耗能制動四種狀態(tài)。我們所用的驅動芯片是L298N。L298N是SGS公司的產品，內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的兩臺電機。且價格便宜，對本電路來說是經濟合適之選。本設計中的硬件電路原理框圖如圖1.5所示。其中驅動部分的原理圖如圖1.6所示。圖1.5 系統(tǒng)硬件電路原理框圖 圖1.6 驅動電路原理圖 圖1.7 速度反饋電路 1.4 速度檢測電路測速元件是閉環(huán)調速系統(tǒng)中的關鍵元件，為了擴大調速范圍，改善電動機的低速平穩(wěn)性，要求測速元件低速輸出穩(wěn)定，波紋小，線性度好。常用的測速元件有模擬式測速元件和數(shù)字式測速元件。模擬式測速元件通常采用測速發(fā)電機；數(shù)字式測速元件采用光電式脈沖發(fā)生器。數(shù)字測速元件具有低慣量低噪聲高分辨率和高精度的特點，有利于控制直流電機。在現(xiàn)代驅動控制系統(tǒng)中，為了提高速度反饋檢測精度，正在摒棄直流測速發(fā)電機加A/D轉換器的方案，而采用光電碼盤直接數(shù)字測速的方案。本系統(tǒng)采用增量式光電旋轉編碼器測量電機的速度。將光電編碼器與電動機相連，當電動機轉動時，帶動碼盤旋轉，便發(fā)出相應的信號。光電編碼器由光源，光電轉盤，光敏元件和光電整形放大電路組成。光電轉盤與被測軸連接，光源通過光電轉盤的透光孔射到光敏元件上，當轉盤轉動時，光敏元件便發(fā)出與轉速成正比的脈沖信號，為了判別電機的轉向，光電編碼器輸出兩路相隔90度電脈沖角度的正交脈沖。利用光電編碼器進行數(shù)字測速的常用方法有兩種：M法和T法。（1）M法測速：M法又叫定時計數(shù)法，是用計數(shù)器記取規(guī)定時間內光電編碼器輸出的脈沖個數(shù)來反映轉速值，即在規(guī)定的時間間隔T內，測量編碼器光柵所產生的脈沖數(shù)來獲得被測的速度值。設編碼器光柵每轉一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為Z，且在規(guī)定的時間T內，測得的脈沖數(shù)為M，則電機每分鐘轉數(shù)為：n=60M/ZT （1-2）將轉速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測量誤差率，反映了測速方法的準確性，越小，準確度越高。M法測速誤差率取決于編碼器的制造精度，以及編碼器輸出脈沖前沿和測速時間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可以產生一個脈沖的誤差。因此，M法測速誤差率的最大值為： （1-3）由上式可知，誤差率與M成反比，即脈沖數(shù)越大，誤差越小，故M法測速適用于高速段。（2）T法測速：T法又叫定數(shù)計時法，是用定時器記取光電編碼器輸出脈沖一個周期內的高頻時基個數(shù)，然后取其倒數(shù)來反應速度值，即測量相鄰兩個脈沖的時間間隔來確定被測速度。設編碼器光柵每轉一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為Z，定時器的時基是一已知頻率為F的高頻脈沖，定時器的起始和終止由編碼器光柵脈沖的兩個相鄰脈沖的起始沿控制。若定時器的讀數(shù)為M，則電機每分鐘的轉速為： （1-4）T法測速的誤差產生原因與M法相仿，定時器的計數(shù)M最多存在一個脈沖的誤差，因此，T法測速誤差率的最大值為： （1-5）低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻脈沖個數(shù)多，誤差小，故T法適用于低速段。我們采用M法測速。所采用的光電編碼器光柵每轉一圈發(fā)出1000個脈沖。設電機工作在額定轉速下，即n=500轉/分，則在0.1秒的采樣間隔內，計數(shù)器所應接受到的標準脈沖個數(shù)為M=500/60*0.1*1000=833個，可以看出，精度還是較高的。本設計中速度反饋回路的原理圖如圖1.7所示。1.5 控制器本設計選用手頭上的C8051F040單片機為系統(tǒng)的控制器，C8051F040單片機執(zhí)行效率高，片上可利用資源豐富，為以后系統(tǒng)功能的擴展留有余地。Silicon Laboratories公司出品的C8051F系單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內核。該系單片機采用全新的CIP-51內核，采用流水線處理技術，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預處理下一條指令，提高了指令執(zhí)行效率。C8051F040單片機是該系中功能最全最具代表性的一款。具有控制系統(tǒng)所需的所有的模擬和數(shù)字外設。其主要特性如下：(1)片內看門狗、定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；(2) 一個12位、100ksps和一個8位、500ksps的A/D轉換器；(3) 兩個12位D/A轉換器；(4)4K字節(jié)的片內RAM和64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器；(5) 5個通用的16位定時器；(6)具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列；(7)硬件實現(xiàn)的SPI、SMBUS和兩個UART串行接口； (8)控制器局域網(CAN2.0)控制器, 具有32個消息對象；(9)全速、非侵入式的在線調試接口；(10)引入交叉開關配置，可靈活地將外圍設備配置到P0P3口。C8051F040單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)（SOC）。除具有標準8051的端口外，C8051F040還有4個附加的8位端口，每個端口都可以配置為推挽輸出或開路輸出。最獨特的改進就是引入了數(shù)字交叉開關，允許將內部數(shù)字資源映射到P0口，P1口，P2口，P3口，這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口和所需數(shù)字資源的組合。其MCU能有效地管理模擬和數(shù)字外設，可以關閉單個或全部外設，所以其功耗很低。片內JTAG調試支持功能允許對安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。在系統(tǒng)調試比采用標準MCU仿真器要優(yōu)越的多，因為這一技術能保證精確模擬外設的性能。該調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點，單步，觀察點，運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行，當MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設都停止運行，以保持同步。FLASH編程非常方便，可以在Silicon Labs集成開發(fā)環(huán)境（IDE）下通過JTAG接口進行編程，不需要專用編程器或適配器。每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+80度）內用2.73.6V的電壓工作，端口I/O、RST、JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。正是由于這些優(yōu)點以及極高的模擬和數(shù)字集成度，對各種要求小體積，高集成度精確測量的場合而言，C8051F040實為理想選擇。1.6 通信模塊本設計中為了能夠人為的設定電機的轉速及觀察兩個電機的實時速度，采用了RS232串行通信方式實現(xiàn)計算機與單片機的通信，通過計算機的操作界面可以很方便地完成這些任務。利用C8051F040單片機內部集成的UART控制器，很容易進行串行通信。計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。RS-232-C接口（又稱EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術標準”。該標準規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號電平和信號內容加以規(guī)定。在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系：邏輯“1”的電平是-5-15V，邏輯“0”的電平是+5+15V。噪聲容限為2V,即要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯“0”，高至-3V的信號作為邏輯“1”。實際上，RS-232-C的25條引線中有很多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用常用的39條引線。PC機上的RS-232串行接口有兩個COM1和COM2，一般都是9針的接頭，這個接頭為公接頭。由于RS-232電平和單片機內TTL邏輯電路產生的電平是不一樣的，因此，PC機與單片機之間必須經過一定的電路轉換邏輯電平。單片機C8051F040內部有兩個增強型全雙工UART,一個增強型SPI總線和SMBUS協(xié)議，這些串行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向微處理器申請中斷，因此需要很少CPU的干預。我們采用UART0與上位機通信。第二章 PID控制方法 本章分析了PID的控制規(guī)律，推出了數(shù)字式增量PID控制算法，介紹了兩種克服積分飽和的方法以及抑制干擾的措施。重點介紹了PID控制參數(shù)的實用的整定方法。2.1 PID控制方法介紹PID控制是迄今為止最通用的控制策略，有許多不同的方法以確定合適的控制器參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)代理論的觀點，PID調節(jié)器具有本質的魯棒性、符合二次型最優(yōu)控制選型原則、且具有智能化的專家特色。PID調節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器。PID控制是比例積分微分控制的簡稱，本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的控制算法，最早出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，通過硬件（電子元件，氣動和液壓元件）來實現(xiàn)?？刂破飨到y(tǒng)原理圖如圖2.1所示。現(xiàn) 在過 去未 來對 象 圖2.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖PID的三種控制規(guī)律可以組成不同的線性控制器。在電力傳動控制系統(tǒng)中，常采用的串聯(lián)校正控制裝置有比例微分（PD）控制器、比例積分（PI）控制器及比例積分微分（PID）控制器。由PD控制器構成的超前校正可以提高穩(wěn)定裕度并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI控制器構成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但快速性不佳；用PID控制器實現(xiàn)的滯后-超前校正兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能。連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬PID控制規(guī)律為: （2-1）式中, u ( t ) 控制器的輸出 e ( t ) 控制量的偏差 Kp 比例系數(shù) Ti 積分時間常數(shù) Td 微分時間常數(shù)(1) 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)對偏差是即時反應的，偏差一旦出現(xiàn)，調節(jié)器立即產生控制作用，使輸出量朝減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp。比例調節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但過大會使系統(tǒng)的動態(tài)質量變壞，引起輸出量震蕩,甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 積分環(huán)節(jié)為了消除在比例調節(jié)中的殘余靜差，可在比例調節(jié)的基礎上加入積分調節(jié)。積分調節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。如果積分時間常數(shù)Ti大，則積分作用弱，反之為強。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調，提高穩(wěn)定性。引入積分環(huán)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。 (3) 微分環(huán)節(jié)為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢進行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度，但對噪聲非常敏感，使用前需要對輸入信號進行濾波。2.2 數(shù)字式增量PID控制算法計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法，根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，離散化得： （2-2） 式中 k為采樣序號，k=0,1,2,3 如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當精確。式中u（k）為全量輸出，它對應于被控對象的執(zhí)行機構第k次采樣時刻應達到的位置。因此，上式稱為PID位置型控制算式?？梢钥闯?，按PID位置型控制算式計算u(k)時，輸出值與過去所有狀態(tài)有關。當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時(如步進電機的驅動)，可導出下式： （2-3） 其中， 此式稱為增量型PID控制算式，增量型PID控制算式具有以下優(yōu)點：1. 計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構位置的變化部分，因而誤動作影響小。2. 在k時刻的輸出u(k)，只需要用到此時刻的偏差，及前兩次的偏差和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內存的計算時間。3. 在手動-自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。位置式控制算法可通過增量式控制算法推出遞推計算公式： （2-4）這就是目前在計算機控制中廣泛應用的數(shù)字遞推PID控制算式。2.3 標準PID算法的改進 在實際過程中，控制變量因受到執(zhí)行元件機械和物理性能的約束而限制在有限范圍內，即UminuUmax，如果由計算機給出的控制量u在上述范圍內，那么控制可以按預期的結果進行。一旦超出上述范圍，例如超出最大閥門開度或進入執(zhí)行元件的飽和區(qū)，那么實際執(zhí)行的控制量就不再是計算值，由此將引起不希望的效應，這類效應通常稱為飽和效應。這類現(xiàn)象在給定值發(fā)生突變時特別容易發(fā)生，所以有時也稱為啟動效應。下面,我們分析這類效應在PID算法中帶來的影響及克服的辦法：若給定值w從0突變到w0，且根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制范圍，那么實際上控制量只能取上界值Umax，而不是計算值。此時系統(tǒng)輸出y雖不斷上升，但由于控制量受到限制,其增長要比沒有限制時慢。偏差e將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在正值，而使PID位置算式中的積分項有較大的累積值。當輸出超過給定值w0后，開始出現(xiàn)負偏差，但由于積分項的累積值很大，還要經過相當一段時間后控制變量u才能脫離飽和區(qū)，這樣，就使系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的超調。顯然，在PID位置算法中“飽和作用”主要是由積分項引起的，故稱為”積分飽和”。克服積分飽和的方法有：1遇限削弱積分法。這一修正算法的基本思想是，一旦控制變量進入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體說，在計算ui時，將判斷上一時刻的控制量ui-1是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調區(qū)域，由此決定是否將相應偏差計入積分項。2積分分離法。減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。上面的方法是一開始就積分，但進入限制范圍后即停止累積。積分分離法與其相反，它在開始時不積分，直到偏差達到一定閥值后才進行積分累積。這樣，一方面防止一開始有過大的控制量，另一方面即使進入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調。2.4 干擾的抑制PID控制算法的輸入量是偏差e，也就是給定值與系統(tǒng)輸出的差。在進入正常調節(jié)后，由于輸出已接近給定，e的值不會太大。所以相對而言，干擾對調節(jié)有較大的影響，除了從系統(tǒng)硬件及環(huán)境方面采取措施外，在控制算法上也可采取一定的措施，以抑制干擾的影響。對于作用時間較為短暫的快速干擾，例如采樣器，A/D轉換器的偶然出錯等，我們可以簡單地采用連續(xù)多次采樣求平均值的辦法予以濾除。例如圍繞著采樣時刻ti連續(xù)采樣N次，可得到ei1、ei2、 、eiN。由于快速干擾往往比較強烈，只要有一個采樣數(shù)據(jù)受到快速隨機干擾，即使對它們求平均值，干擾的影響也會反映出來。因此，應剔除其中的最大最小值，對其余的N-2次采樣求平均值。由于在N次中連續(xù)偶然出錯的可能很小，故這樣做已足以消除這類快速隨機干擾的影響。2.5 PID調節(jié)器的參數(shù)整定PID調節(jié)器的設計一般來說可分為兩個部分，首先是選擇調節(jié)器的結構，以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除穩(wěn)態(tài)誤差。如要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，則應選擇包含積分環(huán)節(jié)的調節(jié)器如PI，PID等。對于有滯后性質的對象，往往引入微分環(huán)節(jié)等。另外，根據(jù)對象和對控制性能的要求，還可采用一些改進的PID算法。一旦調節(jié)器的結構確定下來，下一步的任務就是調節(jié)器參數(shù)的整定。2.5.1 采樣周期的選定進行數(shù)字PID控制器參數(shù)整定時，首先應該解決的一個問題是確定合理的采樣周期T。采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。但采樣周期短則會加重計算機的任務，影響工作效率，因此應合理選擇采樣周期。采樣周期T應遠遠小于系統(tǒng)中其它的時間常數(shù)，否則可能會由于采樣的頻帶寬度不夠而無法反映系統(tǒng)的動態(tài)過程。一般來說，采樣周期T的最大值受系統(tǒng)穩(wěn)定性條件和香農采樣定理的限制而不能太大。T的最小值則受到計算機在一個采樣周期內能完成的計算工作量的限制，實際中常選2PAI/T為系統(tǒng)有用信號最高頻率的410倍。系統(tǒng)的給定頻率較高時，采樣周期T相應減少，以使給定的變化得到反映。采樣周期還與所采用的控制算法和執(zhí)行機構的類型有關。當采用數(shù)字PID控制算法時，積分作用和微分作用都與采樣周期有關。選擇T太小時，e（k）變化就很小，積分和微分作用將都不明顯。此外，通常執(zhí)行機構慣性較大，采樣周期T應能與之相適應。如果系統(tǒng)的干擾是高頻的，則要適當?shù)倪x擇采樣周期，使得干擾信號的頻率處入采樣器頻帶之外，從而使系統(tǒng)具有足夠的抗干擾能力。如果干擾是頻率已知低頻干擾，為了能夠采用濾波的方法排除干擾信號，采樣頻率應該與干擾信號的頻率成整數(shù)倍的關系。2.5.2 PID參數(shù)的整定采樣周期T通常遠遠小于系統(tǒng)的時間常數(shù)，因此，PID參數(shù)的整定可以按模擬調節(jié)器的方法來進行。參數(shù)整定通常有兩種：理論設計法和實驗確定法。前者需要有被控對象的精確模型，然后采用最優(yōu)化的方法確定PID的各參數(shù)。被控對象的模型可通過物理建?；蛳到y(tǒng)辨識方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。因此，通過實驗確定法（如試湊法，工程整定法）來選擇PID參數(shù)是經常采用又行之有效的方法。本方案采用了試湊法。試湊前先要知道PID各調節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的影響。 試湊法是通過計算機仿真或實際運行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應曲線，根據(jù)各調節(jié)參數(shù)（Kp，Ti，Td）對系統(tǒng)的影響，反復調節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。增大比例系數(shù)Kp將加快系統(tǒng)響應并減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但過大會產生較大的超調量，產生震蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分時間常數(shù)Ti可使減小超調，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但系統(tǒng)誤差的消除將隨之變慢。增大微分時間常數(shù)Td可加速系統(tǒng)的響應，使超調量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)抗干擾能力下降。試湊時，可參考以上參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響趨勢，實行先比例，后積分，再微分的反復調整。（1）首先只調比例系數(shù)，將Kp由小到大，使響應曲線略有超調。此時系統(tǒng)若無穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍內，并且認為響應曲線已屬滿意，那么，只須用比例調節(jié)器即可。（2）若在比例調節(jié)的基礎上，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差太大，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時先將第一步所整定的比例系數(shù)略為縮?。ㄈ?.8倍），再將積分時間常數(shù)Ti置為一較大值并連續(xù)減小，使得在保持良好動態(tài)性能的前提下消除穩(wěn)態(tài)誤差。這一步可反復進行。（3）若使用PI調節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)動態(tài)響應經反復調整后仍不能令人滿意，則加入微分環(huán)節(jié)，構成PID控制器。在整定時先將微分時間常數(shù)Td設定為零，再逐步增加Td并同時進行前面兩步的調整，以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數(shù)。需要指出，PID調節(jié)器的參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，參數(shù)整定結果可以不唯一。第三章 軟件實現(xiàn)本章是整個設計中的重點，電機的同步需要一個合理的數(shù)字控制器來實現(xiàn)，就要將前面介紹的PID控制算法用軟件來實現(xiàn)。以下首先介紹了用C51語言給單片機編程的優(yōu)點，接著對所用到的單片機內部資源作了介紹，這是編程過程中前期要做的工作。對主體程序各模塊子程序的功能以及設計思想作了描述。調試是程序設計中一個重要的組成部分，用C語言給單片機編程序，且單片機功能相對也比較多，程序是在多次調試中完善的。具體程序部分見附錄2。3.1 C51語言在單片機的開發(fā)和應用中，匯編語言曾是單片機工程師進行軟件開發(fā)的惟一選擇。匯編是一種面向機器的程序語言，可以直接控制硬件，指令執(zhí)行速度快，效率很高。但其語言形式晦澀，可讀性差，難于編寫和調試，也不便于移植。目前，C語言已漸成為國內外開發(fā)單片機的主流語言。C語言是一種通用的編譯型結構化程序設計語言，兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下的結構化程序設計方法。一般的高級語言難以實現(xiàn)匯編語言對于計算機硬件直接進行操作的功能，而C語言既有一般高級語言的特點，又能直接對硬件進行操作。C語言有功能豐富的庫函數(shù)，運行速度快，編譯效率高，并且便于在不同類型計算機之間進行移植。因此，C語言應用范圍廣，是單片機開發(fā)和應用的必然趨勢。C語言在單片機開發(fā)中有以下突出優(yōu)點：1.語言簡潔，使用方便靈活。C語言是現(xiàn)有程序設計語言中規(guī)模最小的語言之一，關鍵字少，ANSI C標準一共只有32個關鍵字，9種控制語句。C語言書寫形式自由，表達方式簡潔，使用一些簡單的方法就可以構造出相當復雜的數(shù)據(jù)類型和程序結構。2.可移植性好，不同公司開發(fā)的C語言都必須符合ANSI C的標準真正存在差異的是非ANSI C的擴展部分。3.表達能力強。C語言具有豐富的數(shù)據(jù)結構類型來實現(xiàn)各種復雜數(shù)據(jù)結構的運算，C還具有多種運算符，增強了程序處理能力。對于直接與單片機相關的中斷服務程序的現(xiàn)場保護和恢復，中斷向量表的填寫問題，都由C編譯器代辦。4.可進行結構化程序設計。C以函數(shù)作為程序基本設計單元，一個函數(shù)即相當于一個程序模塊。5.可直接操作計算機硬件。C語言可直接訪問片內外存儲器，還可進行位操作，提供auto、static、register、const等和data、idata、pdata、xdata、code等存儲類，自動為變量合理分配地址。針對8051的派生芯片，還提供等small、compact、large編譯模式以適應存儲器的大小。3.2 單片機片內的資源配置3.2.1 單片機內各功能模塊配置程序設計中所需要的單片機內部各功能模塊如表3.1，包括5個定時計數(shù)器，PCA0以及串口控制器UART0。其中，Timer0和Timer1與傳統(tǒng)MCS-51的設計是一樣的，可按傳統(tǒng)51用法使用，這里就不介紹了，具體工作方式見初始化程序模塊。T2、T3和T4是增強型16位自重載和捕捉定時/計數(shù)器，可用作定時ADC采樣、DAC波形生成、方波輸出和通常用途。PCA0為可編程計數(shù)器陣列，提供了增強型計數(shù)器功能，使得MPU軟件干預更少，更易于信號生成和處理。UART0為增強型串行通信總線，C8051F040的UART0與傳統(tǒng)MSC-51的相比增加了幀錯誤檢驗和通訊地址識別功能。以下具體地對這些功能模塊作一些介紹。表3.1 單片機內部功能模塊使用情況說明表定時器Timer0:PCA0定時/計數(shù)器時基Timer1:UART0使用Timer2:計主電機的速度脈沖Timer3:計從電機的速度脈沖Timer4:25ms定時器，循環(huán)4次構成采樣時間和計算時間PCA0PCA0:產生主電機PWM波PCA1:產生從電機PWM波UART0單片機與上位機串行通信控制器T2、T3和T4的功能是相同的，不能作為8位定時/計數(shù)器，只能工作在16位模式下，可自動重載、捕捉和產生50%占空比的頻率可調脈沖方波，且可以控制計數(shù)的方向。它們的時鐘源可以是系統(tǒng)時鐘及其分頻、外部時鐘或它們輸入引腳的脈沖。這些都是通過特殊功能寄存器TMRnCN和TMRnCF設置的。雙向計數(shù)模式對電機速度控制很方便，可計電機的正反轉。捕捉模式常用來測量脈寬。方波輸出模式可產生50%占空比的頻率可調脈沖方波。PCA0提供了一個16位定時/計數(shù)器和6個捕捉/比較模塊。每個捕捉/比較模塊都有獨立的I./O口，可通過交叉開關配置到CEXn。PCA定時/計數(shù)器時鐘源可為系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)時鐘4分頻、系統(tǒng)時鐘12分頻、外部時鐘8分頻、T0溢出和ECI。ECI可配置到P口上，作為PCA時鐘的一個擴展。6個模塊共用一個時鐘，可分別獨立工作在以下6中模式：邊沿觸發(fā)捕捉；軟件定時；高速輸出；頻率輸出；8位PWM脈寬調制；16位PWM脈寬調制。其中在8位PWM脈寬調制模式下的輸出波形頻率為PCA時鐘頻率的256分頻，8位PWM占空比公式為： （3-1）此時，只要將PCA0開啟，為PCA配置一個時鐘源，將相應模塊設在8為PWM模式下，并將PWM輸出開啟，再將該模塊配置到一個I/O口上，則不再需要處理器的干預，PCA會自動地向外端口輸出PWM波，只有當需要改變占空比的時候，修改一下該模塊的捕捉比較寄存器PCA0CPHn即可。UART0有同步（半雙工）和異步（全雙工）模式，同步模式下MPU只能處于主機模式，無法作為從機模式，因此，雙MPU不能直接通信。同步模式常用來作為移位寄存器的接口。異步模式有三種，這里僅介紹模式1。模式1為標準的異步全雙工通信，用10位表示一字節(jié)信息：1個起始位、1個停止位和8位數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)由TX0發(fā)送，RX0接收，總線上不帶時鐘，靠主從機預先指定的波特率進行通信。向SBUF0寫數(shù)據(jù)即啟動UART0發(fā)送數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)幀停止位發(fā)送完畢，TI0自動置1。接收數(shù)據(jù)時當接收到停止位時將數(shù)據(jù)載入SBUF0，同時將RI0自動置1。模式1波特率時鐘靠定時器溢出產生，系統(tǒng)可根據(jù)需要選擇T1T4之間的任一個定時器作為UART0波特率發(fā)生器。其中，T1作為波特率發(fā)生器時工作在8位自動重載模式下。波特率計算公式如下： （3-2）3.2.2 單片機的端口配置單片機的外部輸入輸出端口配置如表3.2。C8051F040單片機由于體積小，不可能把每一個功能都設計成一個關口，而是采用交叉開關的設計方法，通過優(yōu)先級解碼，將各個功能按優(yōu)先級順序配置到P0P3口上。P0P3口既可作為普通通用輸入/輸出口，又可作為特殊功能口，比如UART、PWM、定時器輸入輸出口及外部事件中斷等，由交叉開關寄存器XBR0,XBR1,XBR2和XBR3配置決定。優(yōu)先級高的模塊會自動分配到前面的端口上。大部分被交叉開關配置的端口其輸出模式仍受PnMDOUT控制，有推挽和開漏兩種輸出模式。表3.2. 單片機I/O端口配置表資源分配I/O管腳P0.0:TX0發(fā)送數(shù)據(jù)端P0.1：RX0接收數(shù)據(jù)端P0.2:CEX0,PWM0輸出P0.3：CEX1,PWM1輸出P0.4:T2主電機速度脈沖輸入P0.5:T3從電機速度脈沖