【正文】 ，但由于在模擬 PID 控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的，而在實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果，因此采用模擬PID 控制器難以獲得滿意的控制效果。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，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。s rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetics and methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and it39。s rotate ,the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speed39。我們已進(jìn)入高速發(fā)展的信息時(shí)代，控制技術(shù)成為當(dāng)今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應(yīng)用工程等各個(gè)領(lǐng)域。不同的控制系統(tǒng)、傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。受益于數(shù)十年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)高速成長(zhǎng)所獲得的 PID 控制成果,在中國(guó)市場(chǎng)，一大批機(jī)器設(shè)備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場(chǎng)龐大的機(jī)器設(shè)備需求外，走向國(guó)際市場(chǎng)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也成為現(xiàn)實(shí)需求。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)生活舒適性的追求將越來(lái)越高，PID 控制技術(shù)作為一項(xiàng)具有發(fā)展前景和影響力的新技術(shù)，正越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。PID 控制器就是根據(jù)偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 PID 控制技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，是機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，它可以對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其符合相應(yīng)的控制要求。本次設(shè)計(jì)主要研究的是 PID 控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的控制對(duì)象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求，其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計(jì)主要是利用PID 控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、速度檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊。目前提出的控制算法有很多。 模擬 PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)由模擬 PID 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對(duì)象組成。模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0dteTteTteKtuDtIp????（）式中， 為比例系數(shù)， 為積分時(shí)間常數(shù)， 為微分時(shí)間常數(shù)。 數(shù)字 PID在 DDC 系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成的。因此,式（）又稱為位置型 PID 算式。一般來(lái)說(shuō)，要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過(guò)大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。（1）擴(kuò)充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對(duì)象?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積 表??02)(te示。PKIDT表 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度 控制規(guī)律 T PID PI K? KT PID K PI （2）經(jīng)驗(yàn)法經(jīng) 驗(yàn)法是靠工作 人員的經(jīng)驗(yàn)及 對(duì)工藝的熟悉 程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來(lái)調(diào)整 P、I 、D 三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進(jìn)行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)；動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。否則，將原比例系數(shù) 增大一些，再調(diào)整積分系P數(shù) ，力求改善控制過(guò)程。PID 參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)確定的。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖中 為窄脈沖，其形狀和面積分別如)(te圖 的 a、 b、c 、d 所示，為電路的輸入。脈沖越窄，各 波形的差異也越小。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)兩種。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代，這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。下面主要介紹直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測(cè)模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過(guò)數(shù)字 PID 運(yùn)算后改變PWM 脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。FPGA 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。相對(duì)于FPGA 來(lái)說(shuō)，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。本題目在確定圓周坐標(biāo)值時(shí)，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是必不可少，其方案有一下兩種。設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大的提高了工作效率。當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?[5]，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。方案三：采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且它可采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡(jiǎn)單。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案三。方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。 電源模塊設(shè)計(jì)方案電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來(lái)源，無(wú)論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)于該模塊考慮一下兩種方案。 經(jīng)過(guò)上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用 AT89S51 單片機(jī)；（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)；（3）速度采集模塊：采用光電傳感器；（4）顯示模塊： 采用 12864LCD 液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用標(biāo)準(zhǔn)的 44 矩陣式鍵盤；（6）電源模塊： 采用 7807812 芯片實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要 12V 電源，而單片機(jī)、顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用 7805 和 7812 兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 所示。IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制 H 橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入 PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測(cè)速方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個(gè)等分凹槽如圖 （a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會(huì)產(chǎn)生 N 個(gè)低電平。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較都，而且需要漢字顯示，在這里選用 12864 液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及 12864 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成漢字（1616）顯示和圖形顯示共有 20 個(gè)引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 ，引腳功能如表 所示。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號(hào) L0～L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號(hào) H0～H3 [9]。 電機(jī)速度采集算法本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度。 脈 沖 計(jì) 數(shù) 時(shí)間 ＝ ?速 度 計(jì) 算PID運(yùn) 算顯 示 數(shù) 據(jù) 刷 新定 時(shí) 器 T0賦 初 值RETI各 變 量 重 新 賦 值YN圖 鍵盤程序流程 定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器 T0 中斷子程序是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算，其程序流程如圖 所示。若不為“0” ，則計(jì)算機(jī)需要等待，直至BUSY =0 為止。8 行為一頁(yè)，DDRAM 共 64 行即 8 頁(yè)，DB2DB0 表示 07 頁(yè)。操作完成后列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。 Proteus 不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返姆抡?，還可進(jìn)行多種CPU 的仿真，涵蓋了 5PIC 、AVR 、HC1 ARM 等處理器，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)從原理設(shè)計(jì)、電路分析、系統(tǒng)仿真、測(cè)試到 PCB 板完整的電子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從 概念到產(chǎn)品的全過(guò)程。（2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對(duì) Protues 的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。再點(diǎn)菜單Source→Build ALL 編譯匯編源程序，生成目標(biāo)代碼文件 。根據(jù)第 1 章 PID 參數(shù)整定方法的介紹與分析，對(duì)于本系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)整定，該方法調(diào)試的原則為：先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)；動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。否則，將原比例系數(shù) 增大一些，再調(diào)整積分系P數(shù) ，力求改善控制過(guò)程。PID 參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)確定的。并且可以反PKIDK映表 測(cè)試數(shù)據(jù)表次數(shù) 設(shè)定 PK設(shè)定 I設(shè)定 DK設(shè)定（r/min）超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間（s ）誤差1 2 100 8％ 4 %1?2 3 100 15％ 5 23 4 100 22％ 114 1 100 5％ 6 3?5 0 100 1％ 126 2 100 6％ 8 %27 2 0 100 2% 15 98 2 100 8％ 5 1?9 2 100 9％ 7 210 2 100 8％ 611 2 0 100 6% 5 %12 2 100 7% 5 1?13 2 100 6% 7 4出 PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)： 值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。結(jié)論本課題的目的在于利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。歸納起來(lái)主要做了如下幾方面的工作：PID算法與 PWM控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合；設(shè)計(jì)了速度檢測(cè)電路；利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真（部分源程序見附錄Ⅱ）；利用Protel99se對(duì)PCB 板進(jìn)行繪制。 flag1=0。 count=0。 U0=200。 pwm1=0。 //設(shè)置液晶顯示器 Clr_Scr()。Disp_Chinese(0,16,pian)。Disp_Chinese(0,48,de)。Disp_Chinese(0,16,zi)。Disp_Chinese(0,40,di)。Disp_Chinese(3,16,dian)。Disp_Chinese(3,48,tiao)。Disp_Chinese(3,16,xi)。Disp_Chinese(6,48,heng)。Disp_Chinese(6,16,jia)。Disp_Chinese(6,48,wei)。 ) //等待設(shè)置鍵按下 { if(flag0==1) break。 left()。 right()。 left()。 left()。 left()。 right()。 right()。 right()。 left()。 left()。 left()。 right()。 right()。 left()。 left()。 flag1=0。Disp_Digit(2,28,s[0])。Disp_Digit(2,52,s[0])。Disp_Digit(2,28,kong)。 Delay12864(2500)。 Kpp+=10*n。 Delay12864(1000)。 if(flag==1) break。 for(flag=0,n=0。 left()。 } left()。 break。Disp_Digit(2,36,s[0])。 for(flag=0,n=0。 right()。 } right()