【正文】 （論文） 1 引 言 本文主要研究了利用 8051 系列單片機，通過 PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80年代以前一直未能實現(xiàn)。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。利用直流測速發(fā)電機測得電機速度，經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸入給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機，在內(nèi)部進行 PI 運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。電動機的另一個發(fā)展者美國的達(dá)文波特，在幾乎相同的時間里，也成功的制造了電動的印刷機，只可惜這個型號的印刷機成本太大，幾乎沒有商業(yè)價值。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。雖然直流發(fā)電機和直流電動機的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。包括直流電機在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機，實際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。我們在這一章里討論直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機中的 “ 磁 ” 和 “ 電 ” 如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。例如用獨立的直流電源為直流發(fā)電機的勵磁繞組供電；由交流電源對異步電機的電樞繞組供電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場等等。采用直流勵磁時 ,勵磁回路中只有電阻引起的電壓降 ,所需勵磁電壓較低 ,勵磁電源的容量較小。勵磁調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁電流來實現(xiàn)；也可以在交流勵磁機輸出電壓基本保持不變的情況下，利用可控整流調(diào)節(jié)。 自勵 直流電動機 利用電機自身所發(fā)電功率的一部分供應(yīng)本身的勵磁需要。 自勵系統(tǒng)又可分為并勵和復(fù)勵兩種。圖 2 為其起勵過程。∑R,它表示勵磁電流與電機電壓之間的關(guān)系。 定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等。極心上放置勵磁繞組，極掌的作用是使電動機空氣隙中磁感應(yīng)強度分配最為合理，并用來阻擋勵磁繞組。它與轉(zhuǎn)動的交換器作滑動連接，將外加的直流電流引入電樞繞組中，使其轉(zhuǎn)化為交流電流。電樞是電動機中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分，主要包括電樞鐵芯和點數(shù)饒組。它是由楔形銅片疊成，片間用云母墊片絕緣。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。這時導(dǎo)體 cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢?dǎo)體 ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。 直流電動機的機械特性 直流電動機按勵磁方式不同可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵四種。 并勵電動機的勵磁繞組與電樞并聯(lián)，其電壓與電流間的關(guān)系為 ： U=E+RaIa 即： Ia= aREU?（ Ra 為電樞電壓） ff IUI ? I=Ia+If≈Ia 當(dāng)電源電壓 U 和勵磁電路的電阻 Rf保持不變時，勵磁電流 If 以及由它所產(chǎn)生的磁通 Φ 也保持不變，即 Φ= 常數(shù)。 在起動時， n=0，所以 E＝ kEΦn＝ 0。這時起動電樞中的起動電流的初始值為： staast RRUI ?? 則起動電阻為： Δn TN T nN n0 n 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 RaRaURst ?? 一般： Iast=（ ～ ） IN 起動時，可將起動電阻 Rst 放在最大值處，待起動后，隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升，再把它逐段切除。由轉(zhuǎn)速公式：?E aaK RIUn ??可知常用的調(diào)速方式有調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種。 本章小結(jié) 本章節(jié)主要介紹了 直流電機的主要結(jié)構(gòu)和相關(guān)原理，并詳細(xì)介紹了直流電機的勵磁構(gòu)造等，通過以上的了解對我們以下的工作起了鋪墊作用。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。如圖 13， VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓 dU ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的 dudt 與 didt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。檢測信號分為電量和非電量兩類。下面分別介紹這些 物理量的檢測方法。 圖 24霍爾元件 接線圖： 圖 25霍爾原件接線圖 霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖所示，是其中一種型號江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 的外形圖。 （ 3）霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。 ? 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。 Bop 與 BRP 之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進行檢測和控制。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。 圖 210壓力傳感器 開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報警器、自 動控制電路等。 單片機的選擇 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含4K 的可編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX Ri 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR））區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。即使不訪問外部存儲器， ALE仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被激活。 EA/VPP：外部訪問允許。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程電壓 VPP。用戶應(yīng)在訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)指針寄存器前初始化 DPS 位。 在 AT89S51,假如 EA 接至 VCC（電源 +），程序首先執(zhí)行地址從 0000HFFFFH（ 4KB）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為 1000HFFFFH（ 60KB）的外部程序存儲器。 （ WDT）： 打開 WDT 需按次序?qū)?01EH 和 0E1H 到 WDTRST 寄存器（ SFR 的地址為 0A6H），當(dāng) WDT 打開后，需在一定得時候?qū)?01EH 和 0E1H 到 WDTRST 寄存器以避免 WDT 計數(shù)溢出。 復(fù)位脈沖持續(xù)時間為 98xTOSC，而 TOSC=1/FOSC（晶體振蕩頻率）。有兩種方法可退出掉電模式：硬件復(fù)位或通過激活外部中斷。這為在掉電模式前復(fù)位 WDT。 當(dāng)位 WDIDLE 被置位，在空閑模式中 WDT 將停止計數(shù)，直到從空閑（ IDLE）模式中退出重新開始計數(shù)。 0和定時器 1： AT89S51的定時器 0和定時器 1操作與 AT89C51一樣 。 IE 也包含總中斷控制位 EA， EA 清 0，將關(guān)閉所有中斷。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 5. 外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。采用外部時鐘的電路如圖 5右圖所示。此時，片內(nèi) RAM 和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變。 ： 在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。 當(dāng)加密位 LB1 被編程時，在復(fù)位期間， EA 端的邏輯電平被采樣并所存，如果單片機上電后一直沒有復(fù)位，則鎖存器的初始值是一個隨機數(shù)，且這個隨機數(shù)會一直保存到真正復(fù)位為止。自適應(yīng)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特性參數(shù)，實時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。這是因為 PID控制器中的積分、比例和微分 作用分別反映了設(shè)定值與測量值之間誤差的歷史積累、當(dāng)前狀態(tài)和未來變化趨勢，包含了控制系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和將來的信息，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于整定的優(yōu)點，能夠滿足一般工業(yè)過程對于控制品質(zhì)的要求。 PID控制器有幾個重要功能 :它提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除靜態(tài)偏差，通過微分作用可以預(yù)測未來。 PID 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中 常見的 反饋 回路部件。 從技術(shù)角度看， PID 控制是自動控制中產(chǎn)生最早的一種控制方法，至少可追逆到 1000年前我國北宋年間發(fā)明的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng) —— 水運儀象臺；從理論角度看，是 20世紀(jì) 40年代開始的調(diào)節(jié)原理的一種典型代表。在 PID控制算法中，通過增加抗積分飽和、自整定和自適應(yīng)等功能來提高控制系統(tǒng)的性能 :通過引入 Smith預(yù)估補償器解決了 PID控制應(yīng)用于大時滯過程的問題。由此可見， PID控制還將得到了進一步的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。并且 PID控制器操作簡單、維護方便，對設(shè)備和技術(shù)人員的要求不高 。然而在這種情況下，為什么 PID控制器依然能在過程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 ?其中一個原因是許多高級控制策略 (如模型預(yù)測控制 )都采用分層結(jié)構(gòu)，而 PID控制被用于最底層 。微處理器的出現(xiàn)對 PID控制器產(chǎn)生了重大影響，實際上今天幾乎所有的 PID控制器都是建立在微處理 器基礎(chǔ)上。 PID控制中的積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分作用可以解決大慣性過程的控制問題。 在實現(xiàn)技術(shù)上， PID控制器己經(jīng)經(jīng)歷了從氣動儀表到由電子管、晶體管和集成電路組成的電動 I型、 H型和 m型儀表階段，再到以微處理器為核心的智能儀表和計算機控制系統(tǒng)的階段。實際上，許多 DCS、 PLC和 FCS供應(yīng)商都在各自的系統(tǒng)中提供了 PID江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 控制器自整定功能。另一方面，對于 PID控制器各種設(shè)計方法的適用性缺乏系統(tǒng)的分析研究，因而很難在特定對象的 PID控制器設(shè)計時選擇合適的設(shè)計方法，也缺少基于綜合的控制性能要求設(shè)計 PID控制器的方法。將是本篇論文的研究重點。 同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和 智能控制 理論三個階段?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(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（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn) 品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中 PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。 4. PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接 用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。 PID 控制器的原理 PID 制器是一種基于“過去”，“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的有效而簡單的控制算法。 各環(huán)節(jié)作用 比例環(huán)節(jié)的作用 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。 下面將對比例環(huán)節(jié)進行仿真研究，考察 PK =15， DT =0， IT =無窮大時，對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。 G3=tf(44,[ 1])。 for i=1:length(Kp) Gc=feedback(Kp(i)*G,)。假設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，則此時 控制輸出量 u(t)和控制偏差量 e (t)都將保持在某個常數(shù)值上，不失一般性，我們分別用 0u 和 0e 來表示。 G2=tf(1,[ 0])。 G=G12*G3*G4。 Gcc=feedback(G*Gc,)。 IT 值過小，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定， IT 值能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 差，提高系統(tǒng)的控制精度 。39。 圖 216 微分的預(yù)測作用 下面將對微分環(huán)節(jié)進行仿真研究，考察 PK =， DT =1284， IT = 對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響 源程序代碼： G1=tf(1,[ 1])。 G4=tf(1,)。 td=[12:36:8