【正文】 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)誤差就會減少，以此來提高控制精度，但是加大只是減少，卻無法從本質上上消除穩(wěn)態(tài)誤差。 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響PID控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能起著不同的作用，這二個參數(shù)的取值優(yōu)劣將直接影響PID控制系統(tǒng)的控制品質好壞。當系統(tǒng)是連續(xù)控制時，PID控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間會存在比例、積分、微分的關系，用下式表示出來， (11)也可寫成常見的傳遞函數(shù)形式: (12) 式中，e(t)=r(t)y(t),是比例增益,是積分時間，是微分時間。對PID的參數(shù)進行調節(jié)整定，可實現(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控制器簡介 PID自整定的現(xiàn)狀 控制系統(tǒng)的性能概括起來用穩(wěn)、準、快二個字來描述。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。比較成熟的是PID自整定控制，它具有不依賴被控對象精確的數(shù)學模型、能克服非線性因素的影響、對調節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性等等優(yōu)點。因此今后的發(fā)展，相當長一段時間內還會是將現(xiàn)有的各種控制理論加以結合，互相取長補短，或者將其它學科的理論、方法引入電機控制，走交叉學科的道路，以解決上述問題。PID調節(jié)器從產生到今天已經歷經了近一個世紀，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)過程控制中主要的和可靠的技術工具。20世紀60年代以前，直流調速一直以控制能力強、可靠性高、噪聲低、控制電路簡單等一系列優(yōu)良的性能在傳動領域中占據著主導地位。 在用電系統(tǒng)中，電動機作為主要的動力設備而廣泛地應用十工農業(yè)生產、國防、科技及社會生活等各個方面。 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控制器的實現(xiàn) 17 基于繼電反饋的PID參數(shù)整定方法及其改進 18 引言 18 繼電反饋測試 19 基于繼電反饋控制的PID參數(shù)整定 20 234 系統(tǒng)硬件設計 24 單片機模塊特性簡介 24 8051單片機的特點 24 25 25 按鍵電路 27 28： 29 31 32 34 355 系統(tǒng)軟件設計 36 36 36 36 LED數(shù)碼管顯示 38 39 41 42 446 結論和展望 45 45 45 45參考文獻 46英文原文 48中文譯文 55致 謝 59中國礦業(yè)大學2012屆本科生畢業(yè)設計（論文）1 緒論 在現(xiàn)代社會中，電動機在工農業(yè)生產、人們日常生活中起著十分重要的作用，各種生產機械對拖動的電動機有不同的要求，如迅速起動、制動、反轉或極慢的穩(wěn)速運動等，直流電動機由于調速性能好、靜差率小、運行效率高，在高性能的調速系統(tǒng)中被廣泛應用。研究直流電機的PID自整定方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電動機負荷約占總發(fā)電量的70%，成為用電量最多的電氣設備。 隨著電力電子技木、微電子技術及計算機技術的迅速發(fā)展，電氣傳動控制系統(tǒng)的組成結構經歷了數(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)展到了微機控制系統(tǒng)。在微處理技術迅速發(fā)展之后，PID控制發(fā)展也融入新的活力，現(xiàn)在過程控制中大部分控制規(guī)律還是主要依靠PID控制。近年來，智能控制研究很活躍，并在許多領域獲得了應用。PID自整定已在交直流調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中取得了滿意的效果。研究直流電機的PID自整定的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個正常工作的系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看曲線應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，它代表的是系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。 PID控制器的基本原理PID控制是基于對變量“過去現(xiàn)在”和“未來”信息估計的交叉控制算法。在計算機控制系統(tǒng)中，也普遍采用PID控制思想。 比例作用就是以比例形式來反應系統(tǒng)的偏差信號e(t)，以最快速度來產生控制作用，使偏差逐漸趨于減小。 引入積分作用，主要是為了在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，滿足被控量對設定值的無靜差跟蹤，對系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)如下:(1)對動態(tài)特性的影響 積分作用會引起系統(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，系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩。微分作用主要改善閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。這也是世界上最早的自整定調節(jié)器。瑞典的SattControl生產的ECA40和Fisher Control生產的DPR 900是以繼電反饋實驗為基礎的PID商業(yè)化產品。 本論文的主要研究內容本文共分為六章，主要研究了對于直流電機的PID控制器參數(shù)自整定。最后一章給出了本文的總結和個人的一點展望。在國民經濟各部門，國防和宇航各個領域都廣泛、大量地應用各種自動控制系統(tǒng)，如控制無人駕駛飛機按規(guī)定預定航跡飛行的控制系統(tǒng)，飛機自動著陸系統(tǒng)、雷達自動跟蹤系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)，電機轉速控制系統(tǒng)等。開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與控制對象組成。 閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱為反饋控制系統(tǒng)。復合控制系統(tǒng)是前饋和反饋相結合，即符合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結合的一種控制方式。復合控制有按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂坪桶锤蓴_前饋補償?shù)膹秃峡刂苾煞N形式。放大元件：對微弱的偏差信號進行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應執(zhí)行元件動作的要求。圖23 動態(tài)響應過程 理想的調節(jié)過程是:出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機構突然動作，使輸出量立即達到新的平衡狀態(tài)，調節(jié)過程瞬時完成，實際上這是不可能的，因為慣性當輸出量發(fā)生跳變時，任何實際系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達新的平衡狀態(tài)都要經歷一個過渡過程，過渡過程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同而有所差異，有的是單調增長到穩(wěn)定值(曲線1)，有的是衰減到穩(wěn)定值(曲線2)。 模擬量信號是一種連續(xù)變化的物理量，如電流、電壓、溫度、壓力、位移、液位、速度等，工業(yè)控制中需要用模擬量信號控制，例如電動閥門、液壓電磁閥等執(zhí)行機構，需要用連續(xù)變化的模擬量信號來控制驅動。直接數(shù)字控制器DDC中所有的控制邏輯均由微信號處理器，并以各控制器為基礎完成。采樣頻率越高，離散系統(tǒng)越接近于連續(xù)系統(tǒng)，但在采樣周期內必須完成信號的采集與轉換，完成控制運算，并輸出控制信號，所以采樣周期又不能太短，否則可能會造成不必要的累計誤差。由于微處理機處理數(shù)字形式的信號人們就把微處理機控制器叫做數(shù)字控制器。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便，實時性好，穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，抗干擾能力強，此外還有信息存儲、數(shù)據通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。轉速調節(jié)器(ASR)，電流調節(jié)器(ACR)均為PI調節(jié)器。 檢測回路包括電壓、電流和轉速檢測，其中電壓、電流檢測由A/D轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入單片機。光電式旋轉編碼器是轉速或轉角的檢測元件，旋轉編碼器與電動機相連，當電動機轉動時，帶動碼盤旋轉，便發(fā)出轉速或轉角信號。需要整定的參數(shù)有比例系數(shù)Kp，積分時間常數(shù)Ti和采樣周期T，在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T的選擇與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密一切相關，一方面要滿足Shannon定理，即采樣信號的最高角頻率≥2 。 PID算法:下面對控制點所采用的PID控制算法進行說明。e (t)——控制器輸入與設定值之間的誤差。T——調節(jié)周期。但如果被控量遠未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時，由于比例和積分反向，將會減慢控制過程。 糾正這種缺陷的方法是采用積累補償法，當超出執(zhí)行機構的執(zhí)行能力時，將其多余部分積累起來，而當一旦可能時，再補充執(zhí)行。特別是對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴重。若閥值太大，達不到積分分離的目的，若太小又有可能因被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進行PID控制，將會出現(xiàn)殘差。因此在微分項中不考慮給定值，只對被控量(控制器輸入值)進行微分。太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。（2）積分控制對系統(tǒng)性能的影響: 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，小(積分作用強)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 在連續(xù)一時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應用得非常廣泛。圖中D (S)為控制器。 控制器實際應用中，可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構成比例(P)控制器 (32)比例+積分(PI)控制器 (33)比例+積分+微分(PID)控制器 (34)式中——比例放大系數(shù)。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。微分控制可以減小超調量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調整時間，而去改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。進入計算機的連續(xù)—時間信號，必須經過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進入計算機的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。圖32 位置式PID控制算法 （2）增量式PID控制算法 當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅動步進電動機）時，需要用PID的“增量算法”。首先，這種方法最主要耗時較少。再次，這種方法不需要借助先驗知識來選擇采樣率，對于一些復雜的自適應控制器顯得尤為方便。若要想求出系統(tǒng)的這些特征參數(shù)，必須使用離線的實驗方法來進行，即首先通過實驗測算出系統(tǒng)的各個特征參數(shù)，然后再根據這些參數(shù)去設計一個合適的PID控制器，最后再把該控制器應用到控制系統(tǒng)中。 繼電自整定PID控制器的基本原理是在繼電器環(huán)節(jié)和被控對象構成反饋系統(tǒng)后，利用繼電反饋引起的極限周期振蕩來獲取系統(tǒng)的臨界信息:臨界增益和臨界周期，利用臨界比例度法來求得PID控制器參數(shù)整定值。此時已經根據繼電臨界信息得出了PID的參數(shù)，由PID控制器對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行調節(jié)。利用臨界信息設計控制器，還有很多學者結合建模理論，根據臨界信息建立完善的系統(tǒng)模型，然后在此模型基礎上設計最優(yōu)控制器，當然這對兩個臨界參數(shù)的辨識精度要求比較高。 (3)相比于其他基于測試的辨識方法，繼電辨識的測試時間較短，不需要反復啟動系統(tǒng)，大大地方便了自整定控制過程的實現(xiàn)。 基于繼電反饋控制的PID參數(shù)整定基于Astrom法的繼電整定：利用繼電振蕩的結果可以辨識出開環(huán)對象的Nyquist曲線上的臨界點，被控對象在PID控制下的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為： （35）開環(huán)頻率特性為： （36）由式(35)可以看出，Nyquist曲線上任意一個給定點可通過改變控制器的比例增益、積分時間、微分時間，從而被移動到S半平面內的任意位置處?；诮o定相位裕度的PM法PID參數(shù)自整定 為了降低理想繼電特性對噪聲的敏感度，將繼電特性環(huán)節(jié)引入滯環(huán)，此方法是由相位裕度(Phace Margin)做為理論依據的，所以又稱其為PM法，系統(tǒng)原理反映在圖35中，由滯環(huán)繼電特性的描述函數(shù)的負倒數(shù)公式如下:圖35 1/N(A)和Nyquist曲線如圖35所示，1/N(A)是一條直線，平行于坐標負實軸，選擇不同的ε和d值，就可以確定出給定虛部的Nyquist曲線上的某一點Q的坐標。設Q點坐標為Q（,），再結合式（313），得到， （314）當圖34中的開關。 圖41基本組成一個8051單片機包含下列部件： （1）一個8位微處理器CPU。 （5）四個8位可編程的并行I/O端口，每個端口既可作輸入，也可作輸出。本系統(tǒng)的硬件整體結構如圖42所示，其中包括了電源模塊、傳感器模塊、人機互動模塊和電機驅動模塊。如圖44所示。 按鍵電路自己繪制的14按鍵電路平時為高電平，低電平有效。 圖46 按鍵電路目前直流電機的驅動方式主要有2種形式：線性驅動方式和開關驅動方式。目前的 H橋驅動主要有3 種方式，如圖56所示。因此S4 電壓應該高于Q4 的源極電壓，S1 電壓應該高于Q1 的源極電壓。因此最常用的是(c)的電路，該電路結合了上述2種電路各自的優(yōu)點，使用方便。下面是我之前和別人一起做的7960PCB板以及實物圖： 圖48 7960PCB圖 圖49 7960電路圖 圖410 7960實物圖采用4個LR7843,該驅動內阻小，開關速度快，驅動電流大。短時間極限電流40A以上不會損壞(短路2秒)。由于MOS管柵極導通需要14V的導通電壓，所以需要一個升壓模塊： 圖412 升壓電路下面是MOS管電機驅動的實物圖： 圖413 MOS管驅動實物圖測量電機轉速需要用到光電編碼器，我選用歐姆龍200線編碼器，編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。他是八進制3態(tài)非反轉透明鎖存器，這里用到了8路，分別連接到數(shù)碼管的8個位選腳如下圖所示。繼電反饋：通過單片機輸出一個開關量，系統(tǒng)產生等幅振蕩，獲取臨界狀態(tài)，單片機判斷反饋的值和輸出值進行比較計算出PID的值，打開PID控制器開關時，由計算出的PID值由系統(tǒng)進行動態(tài)調節(jié)。LED數(shù)碼管的顯示流程如圖54所示。通過配置寄存器可設