【正文】 電動(dòng)機(jī)PID自整定控制畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 1 研究的背景和意義 2 PID控制器簡(jiǎn)介 2 PID自整定的現(xiàn)狀 2 PID控制器的基本原理 3 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 4 PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品簡(jiǎn)介 5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 52 直流電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù) 7 7 7 7 優(yōu)點(diǎn) 10 10 11。 11 11 12 123 PID控制的基本原理 13 13 PID增量式算法 13 PID位置算法 14 15 PID參數(shù)整定 15 16 P I D 控制系統(tǒng) 16 控制器 16 控制作用 17 PID控制器的實(shí)現(xiàn) 17 基于繼電反饋的PID參數(shù)整定方法及其改進(jìn) 18 引言 18 繼電反饋測(cè)試 19 基于繼電反饋控制的PID參數(shù)整定 20 234 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 單片機(jī)模塊特性簡(jiǎn)介 24 8051單片機(jī)的特點(diǎn) 24 25 25 按鍵電路 27 28： 29 31 32 34 355 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 36 36 36 36 LED數(shù)碼管顯示 38 39 41 42 446 結(jié)論和展望 45 45 45 45參考文獻(xiàn) 46英文原文 48中文譯文 55致 謝 59中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論 在現(xiàn)代社會(huì)中，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔茫鞣N生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)有不同的要求，如迅速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)或極慢的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng)等，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能好、靜差率小、運(yùn)行效率高，在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的PID自整定方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 19世紀(jì)70年代前后相繼誕生了直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，從此人類社會(huì)進(jìn)入了以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力設(shè)備的時(shí)代。以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，為人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步、工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化起到了巨大的推動(dòng)作用。 在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用十工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的70%，成為用電量最多的電氣設(shè)備。 根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其中交流電動(dòng)機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)加以利用的。直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代以前，直流調(diào)速一直以控制能力強(qiáng)、可靠性高、噪聲低、控制電路簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)良的性能在傳動(dòng)領(lǐng)域中占據(jù)著主導(dǎo)地位。 隨著電力電子技木、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代，其控制方式也已從最初的電子分立元件、小規(guī)模集成電路組件發(fā)展到了微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制系統(tǒng)在智能方面有了很大的發(fā)展。 PID的概念可以追溯到1922年，米羅斯基()詳細(xì)分析了位置控制系統(tǒng)，根據(jù)PID的二個(gè)控制作用總結(jié)出了控制規(guī)律公式。PID調(diào)節(jié)器從產(chǎn)生到今天已經(jīng)歷經(jīng)了近一個(gè)世紀(jì)，人們?yōu)樗陌l(fā)展和推廣做出了巨大的努力和改善，使其成為工業(yè)過(guò)程控制中主要的和可靠的技術(shù)工具。在微處理技術(shù)迅速發(fā)展之后，PID控制發(fā)展也融入新的活力，現(xiàn)在過(guò)程控制中大部分控制規(guī)律還是主要依靠PID控制。 研究的背景和意義 縱觀電機(jī)工業(yè)的發(fā)展史，幾乎每一次大的發(fā)展都是有理論方面的突破。但現(xiàn)在作為一些較成熟的現(xiàn)代交流系統(tǒng)，再提出具有劃時(shí)代意義的理論不太容易。因此今后的發(fā)展，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，或者將其它學(xué)科的理論、方法引入電機(jī)控制，走交叉學(xué)科的道路，以解決上述問(wèn)題。近年來(lái)，智能控制研究很活躍，并在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基十專家系統(tǒng)的控制。由于智能控制無(wú)需對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強(qiáng)的魯棒性，因此許多學(xué)者將智能控制方法引入了電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，并預(yù)言未來(lái)的十年將開(kāi)創(chuàng)電力電子和運(yùn)動(dòng)控制的新紀(jì)元。比較成熟的是PID自整定控制，它具有不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型、能克服非線性因素的影響、對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性等等優(yōu)點(diǎn)。PID自整定已在交直流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中取得了滿意的效果。近年來(lái)已有一些文獻(xiàn)探討將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或?qū)＜蚁到y(tǒng)引入異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，相信不久的將來(lái)會(huì)獲得實(shí)用性結(jié)果。 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們口常生活中起著十分重要的作用。直流電機(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的PID自整定的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。本文具有一定的擴(kuò)展性，例如優(yōu)化速度調(diào)節(jié)算法，提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度和響應(yīng)速度，增加語(yǔ)音播報(bào)轉(zhuǎn)速功能，或?qū)y(cè)得的轉(zhuǎn)速上傳至PC處理等。為直流電機(jī)控制方法提供了一定的現(xiàn)實(shí)意義。 PID控制器簡(jiǎn)介 PID自整定的現(xiàn)狀 控制系統(tǒng)的性能概括起來(lái)用穩(wěn)、準(zhǔn)、快二個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個(gè)正常工作的系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看曲線應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)描述，它代表的是系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。 PID應(yīng)用之所以廣泛、又長(zhǎng)久不衰，是因?yàn)镻ID幾乎解決了自動(dòng)控制理論闡述的所有基本問(wèn)題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)整定，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，提高系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力。 PID控制器的基本原理PID控制是基于對(duì)變量“過(guò)去現(xiàn)在”和“未來(lái)”信息估計(jì)的交叉控制算法。控制系統(tǒng)框圖如圖11所示，系統(tǒng)主要由被控對(duì)象和PID控制器兩部分組成。圖11 PID控制系統(tǒng)框圖常規(guī)的PID一般為線性控制器，實(shí)際輸出值和給定值會(huì)存在一個(gè)偏差，將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合來(lái)構(gòu)成控制量，最后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。當(dāng)系統(tǒng)是連續(xù)控制時(shí)，PID控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間會(huì)存在比例、積分、微分的關(guān)系，用下式表示出來(lái)， (11)也可寫(xiě)成常見(jiàn)的傳遞函數(shù)形式: (12) 式中，e(t)=r(t)y(t),是比例增益,是積分時(shí)間，是微分時(shí)間。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，也普遍采用PID控制思想。此時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關(guān)系為: (13)其中：、分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常熟和微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；k為采樣信號(hào)。K=0,1,2，…；為第k次采樣輸出值；為第k次采樣的輸入偏差值；為第（k1）次采樣的輸入偏差值。 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響PID控制器各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能起著不同的作用，這二個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將直接影響PID控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)好壞。 比例作用就是以比例形式來(lái)反應(yīng)系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，以最快速度來(lái)產(chǎn)生控制作用，使偏差逐漸趨于減小。(1)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 比例控制參數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快,越大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間也越長(zhǎng)。當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨十不穩(wěn)定，若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。(2)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，比例系數(shù)增大，穩(wěn)態(tài)誤差就會(huì)減少，以此來(lái)提高控制精度，但是加大只是減少，卻無(wú)法從本質(zhì)上上消除穩(wěn)態(tài)誤差。 引入積分作用，主要是為了在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，滿足被控量對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤，對(duì)系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)如下:(1)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 積分作用會(huì)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，偏小到一定程度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩。太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響力也會(huì)縮減，只有當(dāng)合適時(shí)，才能出現(xiàn)比較理想的過(guò)渡特性。(2)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響 積分作用能夠降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)也能提高系統(tǒng)的控制精度，不過(guò)，當(dāng)值太大時(shí),積分作用將會(huì)變得非常弱。 微分作用常規(guī)使用會(huì)與比例作用、比例積分作用聯(lián)合，構(gòu)成PD控制器或者PID控制器。微分作用主要改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。偏大時(shí)，超調(diào)量會(huì)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)較長(zhǎng)。偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，相應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)較長(zhǎng)。 PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品簡(jiǎn)介 1958年，Kalman設(shè)計(jì)出一臺(tái)自整定調(diào)節(jié)器，由于條件限制，當(dāng)時(shí)他利用的是一臺(tái)可靠性比較差的模擬數(shù)字計(jì)算機(jī)。這也是世界上最早的自整定調(diào)節(jié)器。電子技術(shù)、微機(jī)等飛速發(fā)展的同時(shí)，也帶動(dòng)了PID控制器的商業(yè)化進(jìn)程。 Taylor公司的MicroScan 1300，利用增益調(diào)度法來(lái)進(jìn)行參數(shù)整定，也是問(wèn)世最早的一款PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，Leeds amp。 Northrup公司生產(chǎn)的Electromax V號(hào)單回路自適應(yīng)控制器，基十PID結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的自適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化商品。瑞典的SattControl生產(chǎn)的ECA40和Fisher Control生產(chǎn)的DPR 900是以繼電反饋實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的PID商業(yè)化產(chǎn)品。在1984年，美國(guó)Foxboro公司推出了基于模式識(shí)別的EXACT(Expert Adaptive Controller Tuning）控制器。 其他的一些產(chǎn)品，像Bailey Controls公司的Network 90 ,ASES公司的Novatune和VDO公司的MCION等，都是基于參數(shù)估計(jì)法設(shè)計(jì)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的。 可以預(yù)見(jiàn)，隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì)有更多的功能完善、性能可靠的PID控制器商業(yè)化產(chǎn)品面世。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容本文共分為六章，主要研究了對(duì)于直流電機(jī)的PID控制器參數(shù)自整定。第一章是緒論，簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)機(jī)與PID的發(fā)展歷史，電動(dòng)機(jī)的控制原理，電動(dòng)機(jī)自整定的背景和意義，PID控制器的原理、結(jié)構(gòu)、控制算法；第二章對(duì)直流電機(jī)的特性以及直流電機(jī)的閉環(huán)控制技術(shù)做了詳盡的講解。第三章針對(duì)PID的算法、數(shù)字PID做了詳盡的介紹，重點(diǎn)闡述了基于繼電反饋的參數(shù)整定，詳細(xì)介紹了原理，公式推導(dǎo)，并通過(guò)仿真圖分析，證明了該方法的有效性和實(shí)用性；第四章介紹了電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件的設(shè)計(jì)。第五章介紹了電動(dòng)機(jī)的PID自整定的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。最后一章給出了本文的總結(jié)和個(gè)人的一點(diǎn)展望。2 直流電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù) 自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化儀表或控制裝置代替人，自動(dòng)地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使某些物理量按指定的規(guī)律變化達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求，以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段?？刂葡到y(tǒng)是利用采集和加工的信息，按一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，使受控客體達(dá)到所要求的性能或?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是指在沒(méi)有人直接參與下由控制裝置與被控對(duì)象結(jié)合起來(lái)的，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的一些物理量進(jìn)行自動(dòng)控制的一個(gè)有機(jī)整體。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)，國(guó)防和宇航各個(gè)領(lǐng)域都廣泛、大量地應(yīng)用各種自動(dòng)控制系統(tǒng)，如控制無(wú)人駕駛飛機(jī)按規(guī)定預(yù)定航跡飛行的控制系統(tǒng)，飛機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)、雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。 自動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，其功能和組成也是多種多樣的，就其工作原理來(lái)說(shuō)，可以分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制。相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的輸出結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的控制沒(méi)有影響，也就是被控量的變化不會(huì)引起控制量的改變，即沒(méi)有反饋。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與控制對(duì)象組成。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易維修以及價(jià)格便宜。它的主要缺點(diǎn)是精度低、抑制干擾能力差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化很敏感。一般用于可以不考慮外界影響或精度要求不高的場(chǎng)合。 閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。即輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，具有精度高、動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)具有糾正偏差的能力等優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜包含元件多，維修困難，價(jià)格昂貴等，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無(wú)法正常工作。復(fù)合控制系統(tǒng)是前饋和反饋相結(jié)合，即符合控制是開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。反饋控制是在外部作用對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生影響后才能做出相應(yīng)的控制，尤其是控制對(duì)象具有較大延遲時(shí)，反饋控制不能及時(shí)的影響輸出的變化。前饋控制能預(yù)測(cè)輸出隨外部作用的變化規(guī)律，在控制對(duì)象還沒(méi)有產(chǎn)生影響之前就做出相應(yīng)的控制，使系統(tǒng)在偏差即將產(chǎn)生之前就注意糾正偏差。復(fù)合控制是高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)有更好的控制性能。復(fù)合控制有按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制和按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制兩種形式。 圖21 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)框圖 如:電熨斗、電子門(mén)鈴、電子調(diào)光臺(tái)燈、電子手表、程序控制洗衣機(jī)游泳池注水控制系統(tǒng)定時(shí)器(設(shè)定注水時(shí)間)→進(jìn)水閥門(mén)(水流量)→游泳池(水位)自動(dòng)門(mén)的控制系統(tǒng)控制電路(紅外線信號(hào))→電機(jī)(轉(zhuǎn)動(dòng))→自動(dòng)門(mén)(開(kāi)啟或關(guān)閉)2. 閉環(huán)系統(tǒng)圖22 閉環(huán)系統(tǒng)組成框圖 給定量：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號(hào)，并給出兩者之間的偏差。放大元件：對(duì)微弱的偏差信號(hào)進(jìn)行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)作的要求。執(zhí)行元件：根據(jù)放大后的偏差信號(hào)產(chǎn)生控制、動(dòng)作，使系統(tǒng)的輸出量按照輸入量的變化規(guī)律而變化。 對(duì)控制系統(tǒng)的要求：輸入信號(hào)和擾動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)典型的外作用，但我們希望系統(tǒng)只受輸入信號(hào)的控制，而絲毫不受擾動(dòng)的影響，所以我們只研究在輸入信號(hào)作用下，對(duì)系統(tǒng)性能的要求。 當(dāng)輸入信號(hào)突然發(fā)生跳變時(shí)，這時(shí)輸出量還處在原有的平衡狀態(tài)，這樣就