計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流電機(jī)轉(zhuǎn)速pid控制

1、 基于89c52單片機(jī)的PWM直流電機(jī)PID控制調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)老師：衣法臻姓名：楊浩學(xué)號：09212020班級：自動(dòng)化0901日期：2012年7月6日星期五目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0第一章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3直流電機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取3直流電機(jī)調(diào)速方式的選取4直流電機(jī)測速裝置的選取51.4系統(tǒng)控制算法的選取81.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)10 HYPERLINK l bookmark2第二章硬件設(shè)計(jì)112.1AT89C52芯片介紹11直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803設(shè)計(jì)13數(shù)顯管顯示給定速度和實(shí)際速度模塊15按鍵模塊設(shè)計(jì)16測速模塊設(shè)計(jì)18 HYPE

2、RLINK l bookmark4第三章軟件部分設(shè)計(jì)19數(shù)顯管顯示軟件設(shè)計(jì)部分19外部中斷P3.3計(jì)數(shù)程序21定時(shí)器0中斷軟件設(shè)計(jì)22PWM算法程序設(shè)計(jì)25PID控制算法程序設(shè)計(jì)26按鍵程序設(shè)計(jì)29第四章基于matlab的PID參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真31各部分傳遞函數(shù)的整定31PID參數(shù)的整定31 HYPERLINK l bookmark8第五章結(jié)果分析33第六章實(shí)驗(yàn)總結(jié)及感想34 HYPERLINK l bookmark10參考文獻(xiàn)36附錄一硬件系統(tǒng)電路原理圖36附錄二程序源代碼36第一章、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制有一般有兩種方式，一種是開環(huán)控制，一種

3、是閉環(huán)控制。開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是精度通常較低，無自動(dòng)糾偏能力；閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制的精度可以達(dá)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(diǎn)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(jì)遠(yuǎn)比開環(huán)控制麻煩。經(jīng)過利弊的取舍，本次試驗(yàn)選擇的是閉環(huán)控制，因?yàn)闇?zhǔn)備應(yīng)用PID算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故而需要有實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋與給定的轉(zhuǎn)速形成對比，進(jìn)而通過算法輸出PWM波形來控制直流電機(jī)。既然選擇了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，可根據(jù)反饋機(jī)制大概做出其

4、控制模型。直流電機(jī)調(diào)速方式的選取直流無刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)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(shí)現(xiàn)。電機(jī)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(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式?；谥绷麟姍C(jī)的特性,本次試驗(yàn)使用的是P

5、WM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(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)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，避免了以上的缺陷，實(shí)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(biāo)比較好;電樞電流的脈動(dòng)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。PWM的原理：理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具

6、有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。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。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)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(diǎn)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(shí)采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)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

7、列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。直流電機(jī)測速裝置的選取經(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。1.3.1直流測速發(fā)電機(jī)測速直流測速發(fā)電機(jī)可分為勵(lì)磁式和永磁式兩種。勵(lì)磁式由勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，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(lì)磁電源，也不因勵(lì)磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣。根據(jù)已學(xué)過的直流發(fā)電機(jī)的工作原理知，電刷兩端的感應(yīng)電勢E=C巾n二Kn可知aee1.電刷兩端的感應(yīng)電勢與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。2.直流發(fā)電機(jī)能夠把轉(zhuǎn)速信號換成電勢信號，從而用來測速自動(dòng)控制系統(tǒng)對測速發(fā)動(dòng)機(jī)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

8、的影響要小。4.輸出電壓的波紋要小。5.正反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一致。圖中實(shí)線為直流測速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性，虛線為實(shí)際輸出特性，實(shí)際特性與要求的線性特性之間存在誤差，且該誤差與負(fù)載電阻有關(guān)。直流測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)使用的是單片機(jī)控制系統(tǒng)，故而此測速方式不適用。1.3.2霍爾傳感器測速霍爾傳感器是根據(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.Ha

9、ll,18551938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)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(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(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(shí)驗(yàn)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)。電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時(shí)間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個(gè)正脈沖的寬度,則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：V=N*30;V:速度R/mi

10、nN:每秒采樣的脈沖個(gè)數(shù)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(jī)外部計(jì)數(shù)器，故而非常簡單實(shí)用。光電編碼器測速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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)脈沖，進(jìn)而直接輸入單片機(jī)，經(jīng)過算法處理得到實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過分析，本次試驗(yàn)選取的是光電碼盤測速。首先是因?yàn)橥瑫r(shí)測量霍爾元件和光電編碼器，發(fā)現(xiàn)光電編碼器的靈敏度更高，且其價(jià)格便宜。最關(guān)鍵的是它很好用。1.4系統(tǒng)控制算法的選取控制算法是微機(jī)化控制軟件系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，可以說整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算

11、法來實(shí)線。所以控制算法的好壞直接決定了這個(gè)系統(tǒng)的好壞。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分）進(jìn)行控制，稱為PID控制。它能滿足相當(dāng)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(jī)控制的系統(tǒng)，故而我們采用數(shù)字PID控制。1.4.1模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式e(t)二r(t)-c(t)e(n)=r(n)一c(n)de(t)dTe(n)-e(n-1)T,te(t)dt0區(qū)e(i)T二T區(qū)e(i)z=0i=0 I 1.4.2數(shù)字PID控制器的差分方程u(n)=Ke(n),e(i),pITIi=o=u(n),u(n),u(n),uPID式中u(n)二Ke(n)PP

12、稱為比例項(xiàng)u(n)=Ke(i)IPTIi=o稱為積分項(xiàng)u(n)=KdC(n)-e(n-1)1DPT稱為微分項(xiàng)常用的控制方式1、P控制u(n)=u(n),uP02、pi控制u(n)=u(n),u(n),uPI03、PD控制u(n)=u(n),u(n),uPD04、PID控制u(n)=u(n),u(n),u(n),uPID01.4.4PID算法的兩種類型1、位置型控制例如圖515調(diào)節(jié)閥控制u(n)=Ke(n)=8)Bit=0;P2=0 xff;/先關(guān)位P0=DuanData_BufferBit;/開段碼switeh(Bit)/送位碼ease0:P2=0XFE;break;ease1:P2=0XFD

13、;break;ease2:P2=0XFB;break;case3:P2=0XF7;break;case4:P2=0XEF;break;case5:P2=0XDF;break;case6:P2=0XBF;break;case7:P2=0X7F;break;if(time=500)/1s鐘讀取一次轉(zhuǎn)速time=0;num=Inpluse*10;/計(jì)算轉(zhuǎn)速Inpluse=0;PIDControl();/1s控制一次PWM算法程序設(shè)計(jì)(voidPWMOUT()Pwm是通過PID計(jì)算出來的偏差來調(diào)整輸出脈沖的寬度還控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的。程序流程圖如下：程序如下：voidPWMOUT()PWm輸出if(cnt

14、250)cnt=0;PID控制算法程序設(shè)計(jì)(voidPIDControl()當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變,或電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí),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(jī)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(shí)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(dāng)前測量得到的轉(zhuǎn)速來計(jì)算偏差，從而用PWM輸出方式來確定輸出脈沖的寬度。程序流程圖如下： I #START求偏差值e給定pid參數(shù)計(jì)算duk計(jì)算ukUk250)out=250;elseif(out0;i-)for(j=50;

15、j0;j-);3.6按鍵程序設(shè)計(jì)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：voidSetSpeed()/按鍵速度設(shè)定if(AddSpeed=0)delay(20);/有鍵按下if(AddSpeed=0)SpeedSet=SpeedSet+50;if(SpeedSet9999)SpeedSet=0;while(!AddSpeed);等待按鍵釋放if(SubSpeed=0)/速度減delay(20);if(SubSpeed=0)SpeedSet-=50;/有鍵按下if(SpeedSetn14U2+寸nia.MzraFTliM.O?na.ra甩可斫Si.nr口口CDC匚心D

16、口-133J1FDJIW*H4盞 #I # I #charint/2ms附錄二：程序源代碼#include#defineucharunsigned#defineuintunsigned#defineTHCO0 xf8#defineTLCO0 x30ucharcodeDuan=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F;/共陰極數(shù)碼管，0-9段碼表ucharData_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0;/數(shù)碼管顯示數(shù)值，數(shù)組變量定義ucharData4=0,0,0,0;ucharArry4=0,0,0,0;b

17、itflag1=0;bitflag0=0;unsignedchari=0;sbitAddSpeed=P1A1;sbitSubSpeed=P1A2;sbitStop=P1A3;按鍵調(diào)速sbitPWM_FC=P1A0；/PWM控制端inte=0,e1=0,e2=0;/PID偏floatuk=0,uk1=0.0,duk=0.0;/PID輸出值floatKp=0.5,Ki=7,Kd=0.001;/PID控制系數(shù)intout=0;signedintSpeedSet=500;uintcnt=0;uintInpluse=0,num=0;/脈沖計(jì)數(shù)單元uintPWMTime=O;脈沖寬度voidPIDCont

18、rol();voidSystemInit();voiddelay(ucharx);voidPWMOUT();voidSetSpeed();voidSegRefre();voidmain()SystemInit();while(1)SetSpeed();SegRefre();PWMOUT();voidPIDControl()/PID偏差計(jì)算e=SpeedSet-num;duk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2)/100;uk=uk1+duk;out=(int)uk;if(out250)out=250;elseif(out0;i-)for(j=50;j0;j-);voidPWMOUT()/PWm輸出if(cnt250)cnt=0;voidSystemInit()TMOD=0 x21;/定時(shí)器0,計(jì)數(shù)器的初始化TH0=THCO;TL0=TLCO;TR0=1;ET0=1;EX0=1;IT0=1;PCON=0 x00;/方式一,8位數(shù)據(jù)位，一位起始位和一位