【正文】 約硬件等優(yōu)點(diǎn)；（7）系統(tǒng)性能指標(biāo)：超調(diào)量 8％；?調(diào)節(jié)時(shí)間 4s；轉(zhuǎn)速誤差 1r/min。同時(shí)利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。其中電機(jī)速度的控制在運(yùn)動(dòng)控制理論中占有至關(guān)重要的作用，本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用數(shù)字 PID 算法，利用 PWM 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、掌握與應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)與解決方案，以提升設(shè)備性能、檔次與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。其控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入輸出接口。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 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。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字 PID 技術(shù)漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬 PID 所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用面越來越廣。本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法，以 AT89S51 單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。關(guān)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 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 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(jì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進(jìn)步帶動(dòng)了控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)、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。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(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。在國外，尤其在運(yùn)動(dòng)控制及過程控制方面 PID 控制技術(shù)的應(yīng)用更是越來越廣泛和深入。實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error） 。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。隨著社會(huì)的發(fā)展用戶對(duì)其性能提出了越來越高的要求，借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能控制已經(jīng)深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，各種新技術(shù)的應(yīng)用也大大提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，高頻化、交流化和網(wǎng)絡(luò)化成為今后的發(fā)展方向。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過 44 鍵盤設(shè)置 P、I、 D、V 四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。?比 例微 分積 分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對(duì)象r ( t )+++u ( t )c ( t )e ( t )1 PID 算法及 PWM 控制技術(shù)簡(jiǎn)介 PID 算法控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實(shí)現(xiàn)。下面分別介紹模擬 PID、數(shù)字 PID 及其參數(shù)整定方法。例如，P 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器等。由式 可得，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 )1()(STKSEUDDIP??（）由于本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字 PID 算法，所以對(duì)于模擬 PID 只做此簡(jiǎn)要介紹。為將模擬 PID 控制規(guī)律按式（ ）離散化，我們把圖 中 、 、)(trte、 在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用 、 、 、 表示，于是式)(tutc )(nre)(nuc（）變?yōu)?：= － )(e)(c（）當(dāng)采樣周期 T 很小時(shí) 可以用 T 近似代替， 可用 近似代替，dt )(tde)1()?ne“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 Tnedt)1()(??（） ???tniee01)()(（）這樣，式（）便可離散化以下差分方程 01 })]1()[)()({)( uneTneeKnuiDIP ??????（）上式中 是偏差為零時(shí)的初值,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用,稱為比例（P ）項(xiàng)0u,即 )(nP )()(neKuPp?（）第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分（I）項(xiàng) 即)(I ??niIPI eTKnu1)()(（）第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分（D）項(xiàng) 即)(nuD ]1[)(??eTKnuPD（）這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)使用)或合并使用,常用的組合有:P 控制: 0)()(unuP??（）PI 控制 : 0)()(nIP（） PD 控制: 0)()()(unuDP??（）PID 控制: 0)()()(nunIP?（）式（）的輸出量 為全量輸出,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí))(nu刻應(yīng)達(dá)到的位置。DP數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 和 所示：圖 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 圖 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。kT③選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC 的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。④根據(jù)選定的控制度，查表 求得 T、 、 、 的值 [1]。③積分系數(shù) 保持不變，改變比例系數(shù) ，觀察控制過程有無改善，如有改IKPK善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過PKI程滿意為止。 PWM 脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。)(t?圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 的電路是一個(gè)具體的例子。)(ti )(ti從波形可以看出，在 的上升段，脈沖形狀不同時(shí) 的形狀也略有不同，但其)(ti下降段幾乎完全相同。f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 直流電機(jī)的 PWM 控制技術(shù)直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。正因?yàn)橹绷?PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、操作維護(hù)方便,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上。方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 [3]，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [4]。它和AT89S51 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是它的頻率較低、運(yùn)算速度慢， RAM、ROM 空間小等缺點(diǎn)。因此在本次設(shè)計(jì)選用方案二。方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如 L298N、L297N 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們?cè)趹?yīng)用時(shí)只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動(dòng)能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。通過脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對(duì)參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)顯示模塊，考慮有三種方案：　 方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）顯示。方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。但是由于獨(dú)立式鍵盤每個(gè)按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O 口浪費(fèi)大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，因此速度采集電路是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分。VSDORS/WEDB012DB345DB67CS12/RTVEAK 123456789102134516781920 (a)