【正文】 歸納起來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 速度檢測電路 ； 利用 C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并通過仿真 （部分源程序見附錄 Ⅱ ） ； 利用 Protel99se對 PCB板 進(jìn)行繪制 。并且可以反映 表 測試數(shù)據(jù)表 次數(shù) 設(shè)定 PK 設(shè)定 IK 設(shè)定 DK 設(shè)定（ r/min） 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時間（ s） 誤差 1 2 100 8％ 4 %1? 2 3 100 15％ 5 %2? 3 4 100 22％ 11 %5? 4 1 100 5％ 6 %3? 5 0 100 1％ 12 %6? 6 2 100 6％ 8 %2? 7 2 0 100 2% 15 %9? 8 2 100 8％ 5 %1? 9 2 100 9％ 7 %2? 10 2 100 8％ 6 %1? 11 2 0 100 6% 5 %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) ： PK 值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。否則，將原比例系數(shù) PK 增大一些，再調(diào)整積分系數(shù) IK ，力求改善控制過程。再點(diǎn)菜單Source→ Build ALL 編譯匯編源程序，生成目 標(biāo)代碼文件 。 Proteus 不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)模混合電路的仿真，還可進(jìn)行多種 CPU的仿真，涵蓋了 5 PIC、 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)品的全過程。 8 行為一頁， DDRAM 共 64 行即 8 頁，DB2DB0 表示 07 頁。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 延時去抖動P 1 口低四位置 1讀 P 1 口低四位數(shù)據(jù)到 KEYLKEYL 、 KEYH相與為 KEYP 1 口高四位置 1讀 P 1 口高四位數(shù)據(jù)到 KEYHKEY = 0 XEE ?KEY = 0 XEB ?KEY = 0 XED ?KEY = 0 XE 7 ?KEY = 0 XDE ?KEY = 0 XDD ?KEY = 0 XDB ?KEY = 0 XD 7 ?KEY = 0 XBD ?KEY = 0 XBE ?KEY = 0 XBB ?KEY = 0 XB 7 ?KEY = 0 X 7 E ?KEY = 0 X 7 D ?KEY = 0 X 7 B ?KEY = 0 X 77 ?數(shù)字鍵 0數(shù)字鍵 1數(shù)字鍵 2數(shù)字鍵 3數(shù)字鍵 4數(shù)字鍵 5數(shù)字鍵 6數(shù)字鍵 7數(shù)字鍵 8數(shù)字鍵 9正 / 反功能鍵暫停功能鍵繼續(xù)功能鍵啟動功能鍵停止功能鍵設(shè)置功能鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 圖 鍵盤程序流程 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 脈沖計(jì)數(shù)時間 ＝ 0 . 5 s ?速度計(jì)算PID 運(yùn)算顯示數(shù)據(jù)刷新定時器 T 0 賦初值RETI各變量重新賦值YN 定時 程序 流程 在本系統(tǒng)中定時器 T0 中斷子程序是用來控制電機(jī)運(yùn)行時間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算 ，其程序流程如圖 所示。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號 L0～ L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號 H0～ H3 [9]。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實(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 個等分凹槽 如圖 （ a） 所示， 在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管， 其位置 對準(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 電動機(jī) 轉(zhuǎn)到凹槽處時 ，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通， 反之三極管西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920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 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個 低電平 。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。 電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是 任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來源，無論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮一下兩種方案。 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。 方案三：采用 測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量 。設(shè)計(jì)者不需要對硬件電路設(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。本題目在確定圓周坐標(biāo)值時，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算 。 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)時系統(tǒng)的控制核心。 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)。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。脈沖越窄，各 )(ti 波形的差異也越小。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。 PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。 表 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) （ 2） 經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法是 靠 工作人員的 經(jīng)驗(yàn)及 對 工藝的熟悉 程度 ，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲 線， 來 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，積分時間往下降 ； 曲線波動周期長，積分時間再加長 ； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 ； 動差大來波動慢 ， 微分時間應(yīng)加長 。 （ 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象。一般來說，要求被控過程是穩(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，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。 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)軟件來完成的。 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)及控制對象組成。 因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機(jī)交互模塊。 因此在 運(yùn)動控制 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)，它可以對運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時控制管理，使其符合相應(yīng)的控制要求。在積分控制中，控制器的輸出與輸入 偏差 信號的積分成正比關(guān)系。隨著科技的進(jìn)步，人們對生活舒適性的追求將越來越高， 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)，正越來越受到國 內(nèi)外 各行業(yè)的高度重視。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。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。同時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)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過44 鍵盤設(shè)置 P、 I、 D、 V 四個參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動后可以 通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時間。s closed loop control to attain the purpose of rotate speed39。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作 可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱 這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) （ System with Steadystate Error） 。被廣泛應(yīng)用于汽車制造、醫(yī)療、鐵道運(yùn)輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)等領(lǐng)域，并受到各行各業(yè)地重視。 軟件部分采用 C 語言 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn) 為 ：可移植性強(qiáng)、算法容易實(shí)現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值 )(tr 與實(shí)際輸出值 )(tc 構(gòu)成的控制偏差 ： )(te = )(tr － )(tc （ ） 將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制，故 稱為PID 調(diào)節(jié)器。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。顯然，要同時滿足上述各項(xiàng)要求是很困難的， 必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié) 器參數(shù)的步驟是： ① 選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。 下 面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟： ① 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) IK =0，實(shí)際微分系數(shù) DK =0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù) PK ，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般 P 可在 10 以上 ,I 在 （ 10） 之間 ,D 在 1 左右。例如圖 中 a、 b、 c 所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 的 a 為矩形脈沖，圖 的 b 為三角脈沖，圖 的 c 為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng) )(ti 也是周期性的。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn) ：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高 ， 僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流 電流 ， 低速特性 好 、 穩(wěn)速精度高 、 調(diào)速范圍寬 。 根據(jù) PWM 控制的基本原理 可知，一段時間內(nèi)加在 慣性 負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與 相等 時間內(nèi) 沖量 相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在 短 時間 T 內(nèi)脈沖寬度為 0t ,幅值為 U， 由圖 可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直 流電壓為： 圖 PWM 脈沖 TUtU ?? 00 ， 若令 Tt0?? ， ? 即為占空比，則上式可化為： UU ???0 (U 為脈沖幅值 ) （ ） 若 PWM 脈沖 為 如圖 所示 周期性 矩形脈沖 ， 那么與此脈沖 等效 的 直流電壓的計(jì)算方法 與上述 相同， 即 UT UtnT UntU ?????? ?000 （ ? 為矩形脈沖占空比） （ ） 圖 周期性 PWM 矩形 脈沖 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 由式 可知，要改變等效直流 電壓 的 大小，可以通過改變脈沖幅 值 U 和 占空比 ? 來實(shí)現(xiàn)， 因?yàn)樵趯?shí)際 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中 脈沖幅 值 一般 是恒定的，所以通常 通過控制占空比 ? 的大小 實(shí)現(xiàn) 等效直流電壓在 0～ U 之間任意 調(diào)節(jié) ， 從而達(dá)到利用 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA， FPGA 通過程序設(shè)計(jì)控制 PWM 脈沖的占空比 ，但是由于本 次 設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路