基于單片機和pid算法的直流電機調(diào)速設計(已修改)

　

【正文】 摘要在運動控制系統(tǒng)中，電機轉速控制占有至關重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結構，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬 PID 控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，由于現(xiàn)場的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達到最佳的控制效果，因此采用模擬PID 控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計算機技術與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字 PID 技術漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠實現(xiàn)模擬 PID 所完成的控制任務，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點，應用面越來越廣。本設計以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法，以 AT89S51 單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實現(xiàn)對直流電機轉速的控制。同時利用光電傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制，達到轉速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過 44 鍵盤設置 P、I、 D、V 四個參數(shù)和正反轉控制，啟動后可以通過顯示部件了解電機當前的轉速和運行時間。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強的抗干擾能力。關鍵詞：數(shù)字 PID；PWM 脈沖；占空比；無靜差調(diào)節(jié)Abstract In the motion control system,the control of electromotor39。s rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetics and methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and it39。s easy to meet normal control39。s demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller barely has satisfied the development of puter technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID39。s control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability,it is widely used now. This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89S51 SCM as control core,the system produces PWM impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure the running of direct current machine39。s rotate ,the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speed39。s closed loop control to attain the purpose of rotate speed39。s astatic this system, the 12864LCD is used as display unit , the 44 keyboard sets those four parameters P、I、D 、V and obverse and reverse control,after starting up,the display unit shows the electromotor39。s current rotate speed and system has great control precision and antijamming capability. Keywords： digital PID；PWM impulse；dutyfactor；astatic modulation 前言21 世紀，科學技術日新月異，科技的進步帶動了控制技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制設備的性能和結構發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已進入高速發(fā)展的信息時代，控制技術成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領域。控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。其控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構﹑輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機構、加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量、經(jīng)過傳感器、變送器、通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)、傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用。受益于數(shù)十年來全球經(jīng)濟高速成長所獲得的 PID 控制成果,在中國市場，一大批機器設備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場龐大的機器設備需求外，走向國際市場，參與國際競爭也成為現(xiàn)實需求。在應用方面，這種控制技術已經(jīng)滲透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)、物流配送、飲料生產(chǎn)等多個方面。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進一步的學習、掌握與應用先進的控制技術與解決方案，以提升設備性能、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運動控制及過程控制方面 PID 控制技術的應用更是越來越廣泛和深入。隨著科技的進步，人們對生活舒適性的追求將越來越高，PID 控制技術作為一項具有發(fā)展前景和影響力的新技術，正越來越受到國內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(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，最適合用 PID 控制技術。實際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)偏差的比例、積分、微分進行控制的。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error） 。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。因此在運動控制系統(tǒng)中 PID 控制技術應用更為廣泛，是機器人等高技術領域的技術基礎，它可以對運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，使其符合相應的控制要求。被廣泛應用于汽車制造、醫(yī)療、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)等領域，并受到各行各業(yè)地重視。其中電機速度的控制在運動控制理論中占有至關重要的作用，本設計主要應用數(shù)字 PID 算法，利用 PWM 調(diào)制技術實現(xiàn)電機轉速的控制。隨著社會的發(fā)展用戶對其性能提出了越來越高的要求，借助于數(shù)字和網(wǎng)絡技術的智能控制已經(jīng)深入到運動控制系統(tǒng)的各個方面，各種新技術的應用也大大提高了運動控制系統(tǒng)的性能，高頻化、交流化和網(wǎng)絡化成為今后的發(fā)展方向。本次設計主要研究的是 PID 控制技術在運動控制領域中的應用，縱所周知運動控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機，在不同的生產(chǎn)過程中，電機的運行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求，其中電機速度的控制在占有至關重要的作用，因此本次設計主要是利用PID 控制技術對直流電機轉速的控制。其設計思路為：以 AT89S51 單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖實現(xiàn)對直流電機轉速的控制。同時利用光電傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，構成轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到轉速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過 44 鍵盤設置 P、I、 D、V 四個參數(shù)和正反轉控制，啟動后通過顯示部件了解電機當前的轉速和運行時間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機驅動模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機交互模塊。軟件部分采用 C 語言進行程序設計，其優(yōu)點為：可移植性強、算法容易實現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。本次設計系統(tǒng)的主要特點：（1）優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償；（2）使用光電傳感器將電機轉速轉換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機的轉速，從而與設定值進行比較產(chǎn)生偏差，實現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達到轉速無靜差調(diào)節(jié)的目的；（3）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開，使系統(tǒng)更加安全可靠；（4）12864LCD 顯示模塊提供一個人機對話界面，并實時顯示電機運行速度和運行時間； （5）利用 Proteus 軟件進行系統(tǒng)整體仿真，從而進一步驗證電路和程序的正確性，避免不必要的損失；（6）采用數(shù)字 PID 算法，利用軟件實現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點；（7）系統(tǒng)性能指標：超調(diào)量 8％；?調(diào)節(jié)時間 4s；轉速誤差 1r/min。?比 例微 分積 分 執(zhí)行機構 對象r ( t )+++u ( t )c ( t )e ( t )1 PID 算法及 PWM 控制技術簡介 PID 算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為 PID 控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬 PID、數(shù)字 PID 及其參數(shù)整定方法。 模擬 PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)由模擬 PID 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構及控制對象組成。 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值 與實際輸出值 構成的)(tr)(tc控制偏差： = － er)(t（）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制，故稱為 PID 調(diào)節(jié)器。在實際應用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將 P、I、D 基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。例如，P 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器等。模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0dteTteTteKtuDtIp????（）式中， 為比例系數(shù)， 為積分時間常數(shù)， 為微分時間常數(shù)。PKITD簡單的說，PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號 ,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào))(te節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) ， 越大，積分作用越弱，反之則越強；ITI（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。由式 可得，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為