直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子信息與電氣工程系課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系別： 電子信息與電氣工程系年級(jí)專業(yè)： 學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 2006級(jí)自動(dòng)化專業(yè)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

論文題目直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 導(dǎo)師丁健類型 姓名干開峰主要內(nèi)容及目標(biāo)三19?Zi設(shè)計(jì)對(duì)象是直流伺服電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。由測量元件（位移傳感器）對(duì)被控制對(duì)象（電機(jī)）的被控參數(shù)（位移）進(jìn)行測量，由變換發(fā)送單元（A/D轉(zhuǎn)換器）將被控參數(shù)變成一定形式的信號(hào)，送給控制器CPU，控制器將測量信號(hào)（實(shí)際位移量）與給定信號(hào)（位移量）進(jìn)行比較，若有誤差則按預(yù)定的控制規(guī)律產(chǎn)生一控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（伺服電機(jī)控制電源）工作，使被控參數(shù)（實(shí)際位移量）與給定信號(hào)（位移量）保持一致。其電機(jī)位置隨動(dòng)系統(tǒng)：?、 K（Ts+1）G（s）= 3 s（Ts+1）（Ts+1）1 2其中：T=1.8，T=0.035,T=0.15,K=100，控制算法選用數(shù)字PID控制。設(shè)計(jì)條件$FW豐1.PC機(jī)一臺(tái)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)；計(jì)劃學(xué)生數(shù)任JJ三￥13人（1） ：明確課題功能。（2） ：把復(fù)雜問題分解為若干模塊，確定各模塊處理方法，畫出流程圖。（3） ：存儲(chǔ)器資源分配（4） ：編制程序，根據(jù)流程圖來編制源程序（5） ：對(duì)程序進(jìn)行匯編，調(diào)試和修改，直到程序運(yùn)行結(jié)果正確為止。計(jì)劃設(shè)計(jì)進(jìn)程FJJ$±1一、 總體方案設(shè)計(jì)二、 控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)三、 硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、 選擇計(jì)算機(jī)字長（選用51內(nèi)核的單片機(jī)）2、 設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)工作的外圍電路（EPROM、RAM、I/O端口、鍵盤、顯示接口電路等）；3、 設(shè)計(jì)輸入信號(hào)接口電路；4、 設(shè)計(jì)輸出控制電路；5、 其它相關(guān)電路的設(shè)計(jì)或方案（電源、通信等）。四、 軟件設(shè)計(jì)1、 分配系統(tǒng)資源，編寫系統(tǒng)初始化和主程序模塊框圖；2、 編寫A/D轉(zhuǎn)換和位置檢測子程序框圖；3、 編寫控制程序和D/A轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖；4、 其它程序模塊（顯示與鍵盤等處理程序）框圖。五、 編寫課程設(shè)計(jì)說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（A3幅面）。參考文獻(xiàn)1、 于海生計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.62、 周荷琴等微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)［M］合肥：中國科技大學(xué)出版社,2008.63、 李剛民等單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)［M］北京：高等教育出版社4、 樓然苗51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社5、 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書摘要隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器在伺服控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用，這種數(shù)字伺服系統(tǒng)的性能可以大大超過模擬伺服系統(tǒng)。數(shù)字伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制、速度跟蹤，可以隨意地改變控制方式。單片機(jī)和DSP在伺服電機(jī)控制中得到了廣泛地應(yīng)用，用單片機(jī)作為控制器的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，有體積小、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等明顯優(yōu)點(diǎn)。。本設(shè)計(jì)研究的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)即以單片機(jī)作為核心部件，主要是單片機(jī)為控制核心通過軟硬件結(jié)合的方式對(duì)直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。對(duì)于伺服電機(jī)的閉環(huán)控制，采用PID控制，利用MATLAB軟件對(duì)單位階躍輸入響應(yīng)的PID校正動(dòng)態(tài)模擬仿真，研究PID控制作用以及PID各參數(shù)值對(duì)控制系統(tǒng)的影響，通過試湊法得到最佳PID參數(shù)。同時(shí)能更深度地掌握在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的MATLAB軟件。關(guān)鍵詞：單片機(jī)直流伺服電機(jī)PIDMATLABTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 4\o"CurrentDocument"單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成 4\o"CurrentDocument"2.1微控制器 4\o"CurrentDocument"DAC0808轉(zhuǎn)換器 5\o"CurrentDocument"2.3運(yùn)算放大器 5\o"CurrentDocument"2.4按鍵輸入和顯示模塊 5\o"CurrentDocument"2.4.1按鍵輸入 5\o"CurrentDocument"2.4.2顯示模塊 6\o"CurrentDocument"2.5直流伺服電動(dòng)機(jī) 6\o"CurrentDocument"單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"3.1主程序 7\o"CurrentDocument"3.2鍵盤處理子程序 8\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)原理圖及仿真 9\o"CurrentDocument"4.1控制系統(tǒng)方框圖 9\o"CurrentDocument"4.2控制系統(tǒng)電路原理圖 9\o"CurrentDocument"Proteus仿真結(jié)果 10\o"CurrentDocument"5.Simulink組件對(duì)直流伺服控制系統(tǒng)的仿真 10MATLAB與Simulink簡介 10MATLAB簡介 10\o"CurrentDocument"Simulink簡介 11\o"CurrentDocument"5.2直流伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型 11\o"CurrentDocument"5.3系統(tǒng)Simulink模型及時(shí)域特性仿真 11\o"CurrentDocument"開環(huán)系統(tǒng)Simulink模型及仿真 12\o"CurrentDocument"5.3.2單位負(fù)反饋系統(tǒng)Simulink模型及仿真 12\o"CurrentDocument"PID校正 13\o"CurrentDocument"PID參數(shù)的湊試法確定 14\o"CurrentDocument"5.4.2比例控制器校正 14\o"CurrentDocument"5.4.3比例積分控制器校正 16\o"CurrentDocument"5.4.4PID控制器校正 18\o"CurrentDocument"6.小結(jié) 21\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 21\o"CurrentDocument"附錄 221.引言本設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制直流伺服電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。是以單片機(jī)為控制器，通過按鈕設(shè)置設(shè)定值輸入到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)處理后輸出控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器DAC0808轉(zhuǎn)換后把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓，再經(jīng)放大器放大后，去控制伺服電機(jī)工作，進(jìn)而控制電機(jī)向著預(yù)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)通過LCD來顯示，實(shí)時(shí)顯示單片機(jī)的轉(zhuǎn)速值。另外本設(shè)計(jì)還利用了MATLAB軟件，利用Simulink構(gòu)造直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型，通過對(duì)各個(gè)單元部件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而對(duì)直流伺服電機(jī)系統(tǒng)控制進(jìn)行仿真，就其仿真功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成本系統(tǒng)是由一片單片機(jī)、矩陣式鍵盤，DAC0808轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、顯示模塊和一臺(tái)直流伺服電機(jī)組成，另外通過Proteus7.4軟件進(jìn)行仿真。2.1微控制器選用AT89C52單片機(jī)。AT89C52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。40茜KMI3胡343龍J1X笛a(bǔ)zrE2Bz42312j1DIP〕IwaiGF?白1t>111?ll14141nlfm1&40茜KMI3胡343龍J1X笛a(bǔ)zrE2Bz42312j1DIP〕IwaiGF?白1t>111?ll14141nlfm1&如(Ti^Pl.&E(WDC；P1.1LP12E心匚PlAC臉匚fuseP1.FER￡「匚I腳:泌.0匚。輸PJL1匚giRi祁F?捉匚fiSfi卜樹.3匚(TOFPl.ilr皿哄匚|西附E匚匚XTM2LXTAL1IZg匚vtcPCl.1CADI]MJcrte-JPd.4CM4]M.tCAM]水wgiP^JCrtTin頊*ALLMMmenPfiJCAl?.)l=^.￡CA14)1=^.4CA12)PSJCAlliZl性_2伊鳴PS.ICAfiriM.OCrt)AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性：⑴兼容MCS51指令系統(tǒng)，8k可反復(fù)擦寫(>1000次)FlashROM32個(gè)雙向I/O口，256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源，共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能圖2-1AT89C52

DAC0808轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中米用的芯片是DAC0808,它是一個(gè)8位DAC。圖2是DAC0808典型應(yīng)用電路。圖2-1中輸出的模擬量是一個(gè)正電壓，當(dāng)需要負(fù)電壓時(shí)，在DAC的第4引腳直接接一個(gè)3KQ左右的電阻即可。DAC的第4引腳的電流總是流入的，其最大值為1.992mA。當(dāng)外接一個(gè)3KQ的負(fù)載電阻RL時(shí)，輸出的電壓是通過RL上所加的電壓，最大的電壓為-3KQx1.922mA^-6V（當(dāng)所有位輸入都是高電平的時(shí)候），與實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)相符合。需要指出的是，負(fù)載電阻的大小會(huì)影響轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)負(fù)載電阻為2.5KQ的時(shí)候，在最壞的情況下，會(huì)使轉(zhuǎn)換時(shí)間增加1.2呻tpl(WT昌膘OOMPHtpl(WT昌膘OOMPH圖2-2DAC0808典型應(yīng)用電路2.3運(yùn)算放大器把D/A轉(zhuǎn)換器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出，同時(shí)也是把微小的電流信號(hào)放大為較大的電壓信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.4按鍵輸入和顯示模塊2.4.1按鍵輸入采用自己設(shè)計(jì)的形如3X4矩陣式按鈕，按鈕用于設(shè)定某一數(shù)值，即電機(jī)轉(zhuǎn)速值。通過程序設(shè)置延時(shí)環(huán)節(jié)來消除按鈕的抖動(dòng)問題，這樣做使矩陣式按鈕硬件連線簡單，同時(shí)按鈕的軟件設(shè)計(jì)也不復(fù)雜。2.4.2顯示模塊系統(tǒng)采用點(diǎn)陣式液晶顯示器，顯示電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，通過軟件設(shè)計(jì)使得連線簡單。2.5直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。其作用可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長一些。所不同的是電樞電阻大，機(jī)械特性軟、線性（電阻大，可弱磁起動(dòng)、可直接起動(dòng)）。供電方式是他勵(lì)供電，即勵(lì)磁繞組和電樞分別兩個(gè)獨(dú)立的電源供電?？刂品绞接?電樞控制和磁極控制，其中改變電樞電壓u調(diào)速范圍較大，直流伺服電機(jī)常用此方法調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下：U-IRn= K①式中：n為轉(zhuǎn)速；中為磁通；U為外加電壓；I、R為電樞電流和電阻；Ke為電勢系數(shù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊和功能實(shí)現(xiàn)模塊兩大部分組成。主程序通過讀取鍵值處理后送到D/A轉(zhuǎn)換以達(dá)到控制電機(jī)的目的；功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由主函數(shù)模塊、鍵盤處理子程序和D/A轉(zhuǎn)換子程序等組成。3.1主程序主程序首先對(duì)鍵盤和顯示模塊的程序進(jìn)行初始化，通過讀取鍵值處理后送到D/A轉(zhuǎn)換以達(dá)到控制電機(jī)的目的。主程序流程圖如圖2-1所示。圖2-1主程序流程圖

3.2鍵盤處理子程序鍵盤采用程序掃描的工作方式，即在特定的程序位置段上安排鍵盤掃描程序讀取鍵盤狀態(tài)。鍵盤處理子程序的程序掃描法流程圖如圖2-2所示。

控制系統(tǒng)原理圖及仿真4.1控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制器，通過鍵盤設(shè)置輸入轉(zhuǎn)速值，經(jīng)單片機(jī)處理后送到D/A轉(zhuǎn)換器，模擬信號(hào)經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終電機(jī)以設(shè)定的轉(zhuǎn)速值穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。圖4-1即為控制系統(tǒng)方框圖按鍵輸入AT89C52D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)按鍵輸入AT89C52D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖4-1控制系統(tǒng)方框圖4.2控制系統(tǒng)電路原理圖C1..H.UF?--LITOTALIPDDPDOPD.IWIPIO"XTALZPD.0OBPD.^DiPD.汛PD.^DhRSTPD.T忡1如岫F21W3P2^fflinPSENALEP2.4W12&C1..H.UF?--LITOTALIPDDPDOPD.IWIPIO"XTALZPD.0OBPD.^DiPD.汛PD.^DhRSTPD.T忡1如岫F21W3P2^fflinPSENALEP2.4W12&P2J5ffl13叩期11P2.TJW15PIH'12nnRKDP1.I/T2KP3.1fTXDP12以加P1JBNTIPHP15?35T1P1.6P1.1P3MD2231x3k3132J2_JLJ2LJL21_AT39Z：S2n.1.

6VEECulPDU7VREF-VREF4-"匚皿 ?TE<> cIECE>-- V%25Wl裾艇q.: Ij- 0~~I ?起動(dòng);q^， Ij-Ij—Proteus仿真結(jié)果：，奇—C1...a.iuF.:U119_PODCADDPD.IfJkHIFDii'AEGXTUMProteus仿真結(jié)果：，奇—C1...a.iuF.:U119_PODCADDPD.IfJkHIFDii'AEGXTUMPD.3fAn3PO.4/^04PDjSfADBFDBM8RSIPD.Fi■碩PiDiWpz.nyeP22-，A1DPSENP23/A11ALEP2.4W2EAPZJO/AISP2B'A14P27/A15pu/nP3.fl/R)dP1.I/REXP0.1HXDP1.2PS.i^lUTiP1.3P3.3/1NHPI.4P3.^1DP1.5P35TT1P1.$P1.TP3.7/RDV：29-JJ31_AT5BC52虹?■21■3-3^24■a"■開i,27■39■a■a".32+1TD5u 圖4-3Proteus仿真圖利用Proteus7.4a進(jìn)行仿真，當(dāng)通過鍵盤選擇某一數(shù)值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速即為相應(yīng)的設(shè)定值，并在仿真電路圖中電機(jī)下方顯示電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速值的變化及最終穩(wěn)定值。圖4-3中仿真圖是當(dāng)通過按鍵設(shè)定值為158時(shí)，電機(jī)下方液晶顯示器即顯示158，表明電機(jī)轉(zhuǎn)速為158r/min。經(jīng)多次仿真分析，某些時(shí)候與鍵盤輸入值相比較得知當(dāng)電機(jī)響應(yīng)輸入值時(shí)有很小的穩(wěn)態(tài)誤差存在，原因是沒有加入反饋環(huán)節(jié)。以下利用MATLAB仿真軟件研究PID反饋控制對(duì)直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的作用。5.Simulink組件對(duì)直流伺服控制系統(tǒng)的仿真MATLAB與Simulink簡介MATLAB簡介MATLAB軟件推出并應(yīng)用到自動(dòng)控制領(lǐng)域后，極大地改善了自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真和性能分析環(huán)境。MATLAB（MatrixLaboratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室）是一個(gè)適用于科學(xué)計(jì)算和工程應(yīng)用的數(shù)學(xué)軟件系統(tǒng)。自1982年由Mathworks軟件公司推出后，經(jīng)二十多年的發(fā)展，現(xiàn)已是IEEE

組織認(rèn)可的最優(yōu)化的科技應(yīng)用軟件，成為大學(xué)教學(xué)和科研中最常用的工具。掌握J(rèn)MATLAB的應(yīng)用，對(duì)直流伺服電機(jī)控制效果的改善，肯定有著意想不到的幫助。該軟件具有以下特點(diǎn):數(shù)值運(yùn)算功能強(qiáng)大；編程環(huán)境簡單；數(shù)據(jù)可視化功能強(qiáng)；豐富的程序工具箱；可擴(kuò)展性能強(qiáng)等。Simulink簡介Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，他與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶的交互接口是基于Windows模型化圖形輸入，使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非編程上。使用Simulink進(jìn)行仿真一般分為兩步:用戶首先需要在仿真模型編輯窗口中搭建好自己的仿真模型，設(shè)置好具體模型參數(shù)和仿真參數(shù)，然后就可以開始仿真，Simulink將根據(jù)用戶搭建的模型，模擬系統(tǒng)在用戶設(shè)定條件下的具體行為。下面將以直流伺服電機(jī)的自動(dòng)控制為例，演示MATLAB中Simulink仿真的應(yīng)用。5.2直流伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型直流伺服電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖圖5-1所示U(S)100(0.15sU(S)100(0.15s+1)N(S)s(1.8s+1)(0.035s+1)圖5-1直流伺服電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)為100(0.15s+1)G(s)= s(1.8s+1)(0.035s+1)5.3系統(tǒng)Simulink模型及時(shí)域特性仿真對(duì)于單輸入單輸出系統(tǒng)，在經(jīng)典控制理論中可用傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)，獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同樣，S仿真軟件也有傳遞函數(shù)模塊，可方便地描述系統(tǒng)的特性，且簡化了仿真模型。從模塊庫窗口創(chuàng)建系統(tǒng)模型如圖1所示，選信號(hào)源模塊組中的階躍信號(hào)模塊為輸入信號(hào)，以輸出模塊組中的示波器模塊作為顯示器來觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)。在模型窗口設(shè)置傳遞函數(shù)模塊的參數(shù)和特性，運(yùn)行仿真模型，得系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。

5.3.1開環(huán)系統(tǒng)Simulink模型及仿真圖5-2直流伺服電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)Simulink模型端口Step為直流伺服電機(jī)的輸入電壓，輸出端口為電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5-3是開環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，即開環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，也即直流伺服電機(jī)輸入^單位階躍電壓時(shí)。電機(jī)的轉(zhuǎn)軸輸出呈線性變化。圖5-3開環(huán)系統(tǒng)仿真圖由圖5-3響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)沒有在可視范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值“1”，但從理論上分析知此系統(tǒng)屬穩(wěn)定系統(tǒng)，在足夠時(shí)間內(nèi)是能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的。上述分析說明：系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，系統(tǒng)性能較差，從而可能不具備使用價(jià)值。這個(gè)分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)沒有達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。5.3.2單位負(fù)反饋系統(tǒng)Simulink模型及仿真圖5-4是在圖5-3的基礎(chǔ)上加一個(gè)單位負(fù)反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成直流伺服電機(jī)的單位負(fù)反饋系統(tǒng)，單位負(fù)反饋系統(tǒng)Simulink模型如圖5-4所示

圖5-4直流伺服電機(jī)單位負(fù)反饋系統(tǒng)Simulink模型圖5-5是單位負(fù)反饋系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖5-5單位負(fù)反饋系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)超調(diào)：40%，調(diào)節(jié)時(shí)間：2s。由圖5-5和開環(huán)階躍響應(yīng)曲線相比較知：系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)可以達(dá)到較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。說明閉環(huán)單位負(fù)反饋系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)性能有很大改善。PID校正為了使系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我們可以在圖5-4前向通道上設(shè)置一個(gè)控制器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)來校正直流伺服電機(jī)?；赑ID控制（閉環(huán)）的直流伺服電機(jī)系統(tǒng)框圖如圖5-6所示。圖5-6基于PID控制（閉環(huán)）的直流伺服電機(jī)系統(tǒng)框圖其控制過程為由測速發(fā)電機(jī)輸出電壓得到直流電機(jī)輸出量，即轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速反饋后與系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)。偏差信號(hào)作為PID控制器的輸入信號(hào)根據(jù)設(shè)定的PID控制規(guī)律計(jì)算后輸出信號(hào)U,作為控制量輸入給直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)負(fù)反饋PID控制。5.4.1PID參數(shù)的湊試法確定增大比例系數(shù)KP一般系統(tǒng)響應(yīng)利于減小靜差，但是過大會(huì)增大超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，是穩(wěn)定性變壞。增大TI有減小超調(diào)，減小震蕩，是系統(tǒng)更穩(wěn)定，但靜差消除變慢。增大微分TD利于加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。在湊試時(shí)，對(duì)參數(shù)實(shí)行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。⑴首先只整定比例部分。即將比例部分由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需用比例控制器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)下系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分時(shí)間T1為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分時(shí)間，并在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。⑶若使用比例積分控制器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間Td為零。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大Td，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。5.4.2比例控制器校正為能要求系統(tǒng)在特別短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，比例增益K應(yīng)盡可能大，以提高比例作用的強(qiáng)度，但必須同時(shí)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用單純的比例控制，其調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量是一對(duì)矛盾，無法同時(shí)滿足：要縮短調(diào)整時(shí)間，K要加大；而K加大，超調(diào)量也同時(shí)加大了。經(jīng)過多次參數(shù)選擇，當(dāng)K。=10時(shí)，階躍響應(yīng)曲線較為理想，呈現(xiàn)接近0.75衰減率的振蕩過程。比例控制系統(tǒng)Simulink模型及仿真圖5-7比例控制系統(tǒng)Simulink模型

m圜尸力川外岳晅aKp=3時(shí)仿真圖

臺(tái)自ppP外舊園0由以上三個(gè)比例控制的仿真圖可知，增大比例系數(shù)KP一般系統(tǒng)響應(yīng)利于減小靜差，但是過大會(huì)增大超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，是穩(wěn)定性變壞。5.4.3比例積分控制器校正積分控制的作用是只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差。在比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上加入積分環(huán)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適就能完全消除系統(tǒng)偏差。比例積分控制系統(tǒng)Simulink模型圖5-8比例積分控制系統(tǒng)Simulink模型

DscopeTimeoffset:0Kp=1、Ki=3時(shí)仿真圖邕食PPP0

Timeoffset:0Kp=1、Ki=3時(shí)仿真圖由以上三個(gè)比例積分控制的仿真圖可知，增大TI有減小超調(diào)，減小震蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但靜差消除變慢。PI控制參數(shù)設(shè)置適當(dāng)可使系統(tǒng)靜差為零。經(jīng)多次試湊，選KI=1.5.4.4PID控制器校正比例積分作用雖能是系統(tǒng)誤差為零，但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不能得到滿足。積分作用太強(qiáng)可能會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。微分控制具有超前控制能力，可抑制最大動(dòng)態(tài)偏差，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，在PI作用基礎(chǔ)上引入微分控制，構(gòu)成PID控制器，以使系統(tǒng)滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。PID控制控制系統(tǒng)Simulink模型如圖圖5-9PID控制系統(tǒng)Simulink模型

和PI控制閉環(huán)響應(yīng)曲線相比較可知：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變短，超調(diào)變小，但仍不符合要求;Kp=5、Ki=1、Kd=0.1時(shí)仿真圖與KP=1、KI=1、KD=0.1時(shí)的仿真圖相比，系統(tǒng)超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間都變小，仍然不符合要求，繼續(xù)校正。需加大Kp及Ki。

由上曲線知此時(shí)系統(tǒng)有微量的超調(diào)，進(jìn)一步加大時(shí)時(shí)超調(diào)為零。Kp=12、Ki=1、Kd=0.9時(shí)仿真圖經(jīng)過多次校正參數(shù)，此時(shí)當(dāng)Kp=12、Ki=1、Kd=0.9時(shí)系統(tǒng)超調(diào)量為0，穩(wěn)態(tài)誤差為0，性能滿足設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速得到了完滿的統(tǒng)一。6.小結(jié)控制系統(tǒng)特點(diǎn)是以單片機(jī)為控制器，通過鍵盤設(shè)置輸入轉(zhuǎn)速值，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置方便快捷，另外又通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速設(shè)置范圍的保護(hù)。但在proteus中沒能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的PID控制。此缺點(diǎn)通過軟件彌補(bǔ)，在MATLAB軟件中的SIMULINK中進(jìn)行了直流伺服電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)仿真，單位閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真，閉環(huán)PI控制系統(tǒng)仿真，閉環(huán)PD控制仿真，閉環(huán)PID控制仿真能夠更好的測試和控制系統(tǒng)的性能，從而為設(shè)計(jì)事物提供了更準(zhǔn)確的性能指標(biāo)。參考文獻(xiàn)于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.6周荷琴等.微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)[M].合肥：中國科技大學(xué)出版社,2008.6張毅剛等.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社樓然苗.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版，2008.6陳小忠等.單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序.北京：人民郵電出版社，2005.9計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書附錄單片機(jī)控制程序清單：#include"reg52.h"http://#include"absacc.h"http://#include"stdio.h"http://#include"math.h"http://#include"string.h"#defineuncharunsignedchar#defineunintunsignedintvoidwdata(unchardat);//writedatafunctionvoidwcom(uncharcom);//writecommandfunctionvoiddelay(unchart);//delayfunctionsbitrw=P3A1;//rwsbitrs=P3AQ;//rssbiten=P3A2;//en#defineMAX_LEN16 //數(shù)據(jù)最大長度#definecount_M15QQQQ#defineH_Q(65536-count_M1)/256#defineL_Q(65536-count_M1)%256uncharcodetab2[]={Qx31,Qx32,Qx33,Qx41,Qx34,Qx35,Qx36,Qx42,Qx37,Qx38,Qx39,Qx43,QxQe,Qx3Q,QxQf,Qx44}; 〃鍵盤求值表uncharcodetab3[]={"TargetValue:"};uncharcodetab4[]={""};uncharcodetab6[]={"inputERR"};uncharserial_data[MAX_LEN],serial_len=Q,sure_flag=Q;voidwdata(unchardat);//writedatafunctionvoidwcom(uncharcom);//writecommandfunctionvoiddelay(unchart);//delayfunctionvoidkeyscan(void);//鍵盤操作程序uncharscankey(void);//鍵盤求值程序voidchushi(void);//初始化程序//voidinit_serial(void);//串口初始化//voiduart_serial(void);//串口主程序voidlcd_write(void);//液晶顯示待發(fā)送指令uncharjisuan(void);//計(jì)算結(jié)果為十進(jìn)制unintfreq=Q;//頻率變量sfr16DPTR=Qx82;//申明DPTRchartimes=Q;//計(jì)算TQ中斷次數(shù)//delayfunction//PQ=QxQQ;//中斷初始化voidinit_interrup(void){IE=0x8a;//啟用T0,T1中斷TMOD=0x51;//T1為計(jì)數(shù)器，T2為定時(shí)器，都采用mode1TH0=H_0;TL0=L_0;TH1=0;TL1=0;TR0=1;TR1=1;}voiddelay(unchart){unchara,b;for(a=0;a<t;a++)for(b=0;b<128;b++);}//ThefunctionforwritedatatoLCDscreenvoidwdata(unchardat){P1=dat;rs=1;rw=0;en=0;delay(6);en=1;}//ThefunctionforwritecommandtoLCDscreenvoidwcom(uncharcom){P1=com;rs=0;rw=0;en=0;delay(6);en=1;}//初始程序voidchushi(void){unchari;wcom(0x01);wcom(0x38);wcom(0x0c);wcom(0x06);delay(4);wcom(0x80);delay(4);for(i=0;i<17;i++){wdata(tab3[i]);}wcom(0xc0);delay(2);}〃鍵盤求值程序uncharscankey(void){unchartemp,c,d;P2=0x0f;temp=P2;temp=temp&0x0f;//屏蔽高四位，取列值temp=~(temp|0xf0);//將temp中的內(nèi)容與0xf0進(jìn)行相加，最后求反可得到是那列按下if(temp==1)c=0;//P2.0位低電平elseif(temp==2)c=1;//P2.1位低電平elseif(temp==4)c=2;//P2.2位低電平elseif(temp==8)c=3;//P2.3位低電平elsec=0;//否則給返回值C=0P2=0xf0;//給P2的行為高電平，以來判斷是高四為的那位為低電平delay(1);temp=P2;temp=temp&0xf0;//屏蔽低四位temp=~((temp>>4)|0xf0);//將temp中的高四位向右移動(dòng)4位，與0xf0相加，最后求反可以得到是那行按下if(temp==1)c=c+0;//將行P2.4的值加上列的值elseif(temp==2)c=c+4;//將行P2.5的值加上列的值elseif(temp==4)c=c+8;//將行P2.6的值加上列的值elseif(temp==8)c=c+12;//將行P2.7的值加上列的值elsec=0;d=tab2[c];return(d);//最后返回行加列的值}//lcd_writefunctionvoidlcd_write(void){uncharwrite_0,write_1,jian_zhi[MAX_LEN];for(write_0=0;write_0<MAX_LEN;write_0++){serial_data[write_0]=0;} //清空發(fā)送緩沖數(shù)組wcom(0x0f);//將光標(biāo)置在oxc0處serial_len=0;delay(2);while(1){write_1=0xc0; //光標(biāo)地址wcom(write_1);for(write_0=0;write_0<MAX_LEN;) 〃輸入指令最大為MAX_LEN{wcom(write_1);P2=0x0f; 〃等待鍵盤值while((P2&0x0f)==0x0f);jian_zhi[write_0]=scankey();delay(1);P2=0x0f;while((P2&0x0f)!=0x0f); //等待按鍵放松if(jian_zhi[write_0]==0x0e) 〃當(dāng)按一下取消鍵時(shí)清空所有發(fā)送緩沖數(shù)組，{ 〃當(dāng)連續(xù)按下兩次時(shí)則取消本次通訊，退出if(write_0==0)gotowrite_out;elseif(write_0>=1){write_1-=1;wcom(write_1);write_0-=1;wdata(tab4[0]);serial_data[write_0]=0;serial_len--;}}〃確定發(fā)送的指令elseif(jian_zhi[write_0]==0x0f)〃確定發(fā)送的指令{if(serial_len==3){if(serial_data[0]<2)sure_flag++;elseif(serial_data[0]>2);else{if(serial_data[1]<5)sure_flag++;elseif(serial_data[1]>5);else{if(serial_data⑵<6)sure_flag++;else;}}}elsesure_flag++; 〃確定的標(biāo)志位gotowrite_out; //退出本次輸入指令}else{wdata(jian_zhi[write_0]);if(jian_zhi[write_0]<=0x39)serial_data[write_0]=jian_zhi[write_0]-0x30;elseserial_data[write_0]=jian_zhi[write_0]-0x37;write_1++;write_0++;serial_len++;}}}write_out:delay(1);