【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(huì)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(zhì)上上消除穩(wěn)態(tài)誤差。 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。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， (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(shí)間，是微分時(shí)間。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(zhǔn)、快二個(gè)字來描述。直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。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)。因此今后的發(fā)展，相當(dāng)長一段時(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，以解決上述問題。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)過程控制中主要的和可靠的技術(shù)工具。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。 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)、國防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)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(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?，各種生產(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。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。 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)。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(lǐng)域獲得了應(yīng)用。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。研究直流電機(jī)的PID自整定的控制和測量方法，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。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(duì)變量“過去現(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)的交叉控制算法。在計(jì)算機(jī)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(yīng)系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，以最快速度來產(chǎn)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(duì)設(shè)定值的無靜差跟蹤，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。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。這也是世界上最早的自整定調(diào)節(jié)器。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。 本論文的主要研究內(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。最后一章給出了本文的總結(jié)和個(gè)人的一點(diǎn)展望。在國民經(jīng)濟(jì)各部門，國防和宇航各個(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。開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與控制對(duì)象組成。 閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱為反饋控制系統(tǒng)。復(fù)合控制系統(tǒng)是前饋和反饋相結(jié)合，即符合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。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。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。圖23 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程 理想的調(diào)節(jié)過程是:出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然動(dòng)作，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程瞬時(shí)完成，實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)閼T性當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時(shí)，任何實(shí)際系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一個(gè)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(diào)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(hào)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(hào)控制，例如電動(dòng)閥門、液壓電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要用連續(xù)變化的模擬量信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)。直接數(shù)字控制器DDC中所有的控制邏輯均由微信號(hào)處理器，并以各控制器為基礎(chǔ)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(nèi)必須完成信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，完成控制運(yùn)算，并輸出控制信號(hào)，所以采樣周期又不能太短，否則可能會(huì)造成不必要的累計(jì)誤差。由于微處理機(jī)處理數(shù)字形式的信號(hào)人們就把微處理機(jī)控制器叫做數(shù)字控制器。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便，實(shí)時(shí)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(qiáng)，此外還有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)，電流調(diào)節(jié)器(ACR)均為PI調(diào)節(jié)器。 檢測回路包括電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測，其中電壓、電流檢測由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入單片機(jī)。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。需要整定的參數(shù)有比例系數(shù)Kp，積分時(shí)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(guān)，一方面要滿足Shannon定理，即采樣信號(hào)的最高角頻率≥2 。 PID算法:下面對(duì)控制點(diǎn)所采用的PID控制算法進(jìn)行說明。e (t)——控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。T——調(diào)節(jié)周期。但如果被控量遠(yuǎn)未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時(shí)，由于比例和積分反向，將會(huì)減慢控制過程。 糾正這種缺陷的方法是采用積累補(bǔ)償法，當(dāng)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力時(shí)，將其多余部分積累起來，而當(dāng)一旦可能時(shí)，再補(bǔ)充執(zhí)行。特別是對(duì)于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴(yán)重。若閥值太大，達(dá)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(jìn)行PID控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。因此在微分項(xiàng)中不考慮給定值，只對(duì)被控量(控制器輸入值)進(jìn)行微分。太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。（2）積分控制對(duì)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(qiáng))會(huì)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(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。圖中D (S)為控制器。 控制器實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)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(gòu)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(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，而去改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)—時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。圖32 位置式PID控制算法 （2）增量式PID控制算法 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID的“增量算法”。首先，這種方法最主要耗時(shí)較少。再次，這種方法不需要借助先驗(yàn)知識(shí)來選擇采樣率，對(duì)于一些復(fù)雜的自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)行，即首先通過實(shí)驗(yàn)測算出系統(tǒng)的各個(gè)特征參數(shù)，然后再根據(jù)這些參數(shù)去設(shè)計(jì)一個(gè)合適的PID控制器，最后再把該控制器應(yīng)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(duì)象構(gòu)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(shí)已經(jīng)根據(jù)繼電臨界信息得出了PID的參數(shù)，由PID控制器對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用臨界信息設(shè)計(jì)控制器，還有很多學(xué)者結(jié)合建模理論，根據(jù)臨界信息建立完善的系統(tǒng)模型，然后在此模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器，當(dāng)然這對(duì)兩個(gè)臨界參數(shù)的辨識(shí)精度要求比較高。 (3)相比于其他基于測試的辨識(shí)方法，繼電辨識(shí)的測試時(shí)間較短，不需要反復(fù)啟動(dòng)系統(tǒng)，大大地方便了自整定控制過程的實(shí)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(jié)果可以辨識(shí)出開環(huán)對(duì)象的Nyquist曲線上的臨界點(diǎn)，被控對(duì)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(gè)給定點(diǎn)可通過改變控制器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間，從而被移動(dòng)到S半平面內(nèi)的任意位置處。基于給定相位裕度的PM法PID參數(shù)自整定 為了降低理想繼電特性對(duì)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(jù)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(fù)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(biāo)負(fù)實(shí)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(diǎn)Q的坐標(biāo)。設(shè)Q點(diǎn)坐標(biāo)為Q（,），再結(jié)合式（313），得到， （314）當(dāng)圖34中的開關(guān)。 圖41基本組成一個(gè)8051單片機(jī)包含下列部件： （1）一個(gè)8位微處理器CPU。 （5）四個(gè)8位可編程的并行I/O端口，每個(gè)端口既可作輸入，也可作輸出。本系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)如圖42所示，其中包括了電源模塊、傳感器模塊、人機(jī)互動(dòng)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。如圖44所示。 按鍵電路自己繪制的14按鍵電路平時(shí)為高電平，低電平有效。 圖46 按鍵電路目前直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有2種形式：線性驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。目前的 H橋驅(qū)動(dòng)主要有3 種方式，如圖56所示。因此S4 電壓應(yīng)該高于Q4 的源極電壓，S1 電壓應(yīng)該高于Q1 的源極電壓。因此最常用的是(c)的電路，該電路結(jié)合了上述2種電路各自的優(yōu)點(diǎn)，使用方便。下面是我之前和別人一起做的7960PCB板以及實(shí)物圖： 圖48 7960PCB圖 圖49 7960電路圖 圖410 7960實(shí)物圖采用4個(gè)LR7843,該驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻小，開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流大。短時(shí)間極限電流40A以上不會(huì)損壞(短路2秒)。由于MOS管柵極導(dǎo)通需要14V的導(dǎo)通電壓，所以需要一個(gè)升壓模塊： 圖412 升壓電路下面是MOS管電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)物圖： 圖413 MOS管驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖測量電機(jī)轉(zhuǎn)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(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。他是八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，這里用到了8路，分別連接到數(shù)碼管的8個(gè)位選腳如下圖所示。繼電反饋：通過單片機(jī)輸出一個(gè)開關(guān)量，系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，獲取臨界狀態(tài)，單片機(jī)判斷反饋的值和輸出值進(jìn)行比較計(jì)算出PID的值，打開PID控制器開關(guān)時(shí)，由計(jì)算出的PID值由系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)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(shè)