【正文】 ；（2）使用光電傳感器將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機的轉(zhuǎn)速，從而與設(shè)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(zhuǎn)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(biāo)：超調(diào)量 8％；?調(diào)節(jié)時間 4s；轉(zhuǎn)速誤差 1r/min。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。在實際應(yīng)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(dāng)組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。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。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設(shè)計。根據(jù)式（）不難看出 u(n1)的表達式，即 01 })]2()1([)({)1( uneTneeKnuiDIP ?????????（）P I D位置算法控制器 被控對象r ( t )+e ( t ) uc ( t )P I D增量算法控制器 被控對象r ( t )+e ( t ) uc ( t )將式（）和式（）相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為)1()(???nunu )]2()1(2)[)(][ ????neneKeKDIP（） 從上式可得數(shù)字 PID 位置型?控制算式為 )(nu 0)]2()1(2)[)()]1()[ uneneneDIP ??????（）式中： 稱為比例增益；PK 稱為積分系數(shù)；IIT? 稱為微分系數(shù) [1]。PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實際問題。②用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度 （ ）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)?PK/1?達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 。通常，當(dāng)控制度為 時，就可以認(rèn)為 DDC 與模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度為 時，DDC 比模擬控制效果差。②取比例系數(shù) 為當(dāng)前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) ，同樣讓擾IK動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。④引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù) 和實際微分時間 ，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)DKDT和積分系數(shù) 。小慣量如：一個小電機閉環(huán) PID K? K PI PID PI K? K PID Kabcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0控制，一般 P 在（10 ）之間,I 在（0、5）之間,D 在（、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正。沖量即指窄脈沖的面積。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D 的 d 所示的單位脈沖函數(shù) 時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖 給出了不同窄波時 的響應(yīng)波形。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各 在低頻)(ti )(ti段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同 [2]。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。同樣，由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。2 設(shè)計方案與論證 系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(tǒng)方框圖如圖 所示。對于控制器的選擇有以下三種方案。方案二：采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案。方案三：采用傳統(tǒng)的 AT89C51 單片機作為運動物體的控制中心。綜合上述三種方案比較，采用 AT89S51 作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機運動較為簡單，可以滿足設(shè)計要求。因此此中方案不宜采用。 速度采集模塊設(shè)計方案本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實際轉(zhuǎn)速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計的，其設(shè)計方案以下三種：方案一：采用霍爾集成片。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準(zhǔn)接受器，當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測速原理基本相同都是將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進行測量，但考慮到市場中的霍爾元件比較難買，而且成本也比較高，所以綜合考慮在設(shè)計中選用第二種方案進行設(shè)計。方案二：采用 1602LCD 液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示，但考慮到 1602LCD 液晶顯示器的屏幕小，不能顯示漢字，因此對于需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來說不宜采用。按鍵的工作狀態(tài)不會影響其它按鍵上的輸入狀態(tài)。但此nm?種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 [6]。方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩(wěn)壓處理（如 7817805等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。采用 AT89S51 單片機作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機轉(zhuǎn)速測量裝置，通過 AT89S51 的 口將電脈U7C2C6Vin1GND2+5V 3U47805Vin1GND2+12V 3U37812C3C7+5v+12v1234U6C820μFC53300μFC420μFC13300μF12J1~220V沖信號送入單片機處理，L298 作為直流電機的驅(qū)動模塊，利用 12864LCD 顯示器和 44 鍵盤作為人機接口。其中輸出腳（SENSEA和 SENSEB?）用來連接電流檢測電阻，Vss 接邏輯控制的電源。這樣單片機產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端 [7]，使電機在 PWM 脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。例如當(dāng)電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時， 將輸出如圖 所示的脈沖，若知道一段時間 t 內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 n，則電機轉(zhuǎn)速 v=r/s?。 20 K 背光電源（）714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號的模塊 120 腳為空腳12864 液晶顯示器與單片機的連接電路如圖 所示：圖 顯示模塊電路圖0 1 2 34 5 6 78 9 傳傳傳 傳傳傳傳 傳傳 傳傳 傳傳H0H1H2H3L0L1L2L3 鍵盤電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了 44 鍵盤用以實現(xiàn)對 P、I、D 三個參數(shù)和電機正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對電機啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 所示。0)]2()1(2)([([uneneKKDIP???t=?計 算 r=n/120計 算 v=(r/)*60返 回NY4 軟件設(shè)計 算法實現(xiàn) PID 算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法為 PID 算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較得出偏差 ，對偏差進)(ne行 P、I 、D 運算最終利用運算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié) [10]，進而控制電機轉(zhuǎn)速。 計 算 e(n)計 算 KIe(n)計 算 KP(en)en1計 算 KD(en)2e(n1)+2計 算 Δ u(n)計 算 Δ u(n)＋ 1e(n1)→ e(n2)→ 1u(n)→ u(n)返 回圖 序 流 程開 始初 始 化調(diào) 用 清 屏 子 程 序開 始 界 面 顯 示設(shè) 置 鍵按 下 ？調(diào) 用 清 屏 子 程 序設(shè) 置 界 面 顯 示根 據(jù) 設(shè) 置計 算 參 數(shù)啟 動 鍵按 下 ？調(diào) 用 清 屏 子 程 序電 機 運 行狀 態(tài) 顯 示PWM脈 沖 輸 出YNYN 圖 測速程序流程 程序流程 主流程圖在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設(shè)計出主程序流程如圖 所示。（1）讀取狀態(tài)字當(dāng) R/W=1， D/I=0 時，在 E 信號為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。（3）顯示起始行設(shè)置D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 1 1 顯示起始行（ 0~63）指令表中 DB5～DB0 為顯示起始行的地址，取值在 0～3FH（1～64 行）范圍內(nèi)，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對應(yīng)的顯示存儲器的行地址。共 64 列，DB5DB0 取不同值得到 03FH（164 ） ，代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計數(shù)器在每一次讀／寫數(shù)據(jù)后它將自動加一。根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實行的功能，其顯示子程序流程如圖 所示。i=0i=+1 RETIYNNY初 始 化循 環(huán) 次 數(shù)j＝ 2 ?寫 入 數(shù) 據(jù) 字節(jié) 數(shù) i＝ 8？設(shè) 置 顯 示 起 始頁 、 起 始 列調(diào) 用 寫 入 數(shù)據(jù) 子 程 序j=+1。本設(shè)計所需選用的元器件如下： ①AT89C51:單片機②RES 、RXRESPACK8:電阻、排阻、上拉電阻 圖 Proteus 元器件選取界面③CRYSTAL :晶振 ④CAP、CAPELEC:電容、電解電容⑤7807812:5V、12V 三端穩(wěn)壓塊⑥IN4007：二極管⑦AMPIRE128 64：液晶顯示器?⑧OPTOCUPLERNPN：光電耦合器⑨BOUTTON：按鍵⑩MOTORENCODER：直流電機放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄Ⅱ所示的系統(tǒng)整體電路，最后進行電氣檢測。（6）電路仿真 點仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進行仿真。②取比例系數(shù) 為當(dāng)前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) ，同樣讓擾P IK動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。④引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù) 和實際微分時間 ，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)DKDT和積分系數(shù) 。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般 P 在（10 ）之間,I 在（0、5）之間,D 在（、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正。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。完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計，并且利用 Protel99se軟件繪制出 PCB 圖紙（見附錄Ⅳ） ，但由于實驗條件不足沒能做出 PCB 板。通過此次設(shè)計，掌握了數(shù)字PID算法的使用及編程方法，學(xué)習(xí)了如何進行系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)技巧，為今后的工作和學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。 IT0=1。 en1=0。 cc=0。 P1=0xF0。Disp_Chinese(0,0,dan)。Disp_Chinese(0,32,ji)。Disp_Chinese(0,0,shu)。Disp_Digit(0,32,dp)。Disp_Digit(0,56,dd)。Disp_Chinese(3,32,ji)。Disp_Chinese(3,0,shu0)。Disp_Chinese(3,32,tong)。Disp_Chinese(6,0,heng)。Disp_Chinese(6,32,xiao)。 for( 。 //清屏 left()。 right()。 left()。 left()。 left()。 right()。 right()。 right()。 left()。 left()。 left()。 right()。 right()。 right()。 left()。 left()。) //等待啟動鍵按下{ switch(set) {case 0:break。Disp_Digit(2,36,s[0])。 for(flag=0,n=0。 left()。 } left()。) { left()。Disp_Digit(2,36,s[n])。Disp_Digit(2,36,s[n])。Disp_Digit(2,52,kong)。 Delay12864(2500)。 Kpp+=*n。Disp_Digit(2,28,s[0])。Disp_Digit(2,52,s[0])。Disp_Digit(2,28,kong)。 Delay12864(2500)