【正文】 提升設(shè)備性能、檔次與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。其 控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入輸出接口。s demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller barely has satisfied the development of puter technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID39。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字 PID技術(shù)漸漸發(fā)展起來(lái)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬 PID 所完成的控制任務(wù)， 而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用面越來(lái)越廣。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字 PID； PWM 脈沖；占空比；無(wú)靜差 調(diào)節(jié) 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 Abstract In the motion control system,the control of electromotor39。s current rotate speed and system has great control precision and antijamming capability. Keywords： digital PID； PWM impulse； dutyfactor； astatic modulation 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 前言 21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進(jìn)步帶動(dòng)了控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性 能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。隨著社會(huì)的發(fā)展 用戶對(duì)其性能提出了越來(lái)越高的要求，借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的 智能控制已經(jīng)深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，各種新技術(shù)的應(yīng)用也大大提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，高頻化、交流化和網(wǎng)絡(luò)化成為今后的發(fā)展方向。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 比 例微 分積 分 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 對(duì) 象r ( t )+++u ( t )c ( t )e ( t )1 PID 算法及 PWM 控制技術(shù)簡(jiǎn)介 PID 算法 控制算法是微機(jī)化 控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如， P 調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器等。 為將模擬 PID 控制規(guī)律按式 （ ） 離散化，我們把圖 中 )(tr 、 )(te 、 )(tu 、)(tc 在第 n 次 采樣的數(shù)據(jù)分別用 )(nr 、 )(ne 、 )(nu 、 )(nc 表示，于是式 （ ）變?yōu)? ： )(ne = )(nr － )(nc （ ） 當(dāng)采樣周期 T 很小時(shí) dt 可以用 T 近似代替， )(tde 可用 )1()( ?? nene 近似代替，“積分”用“求 和”近似代替，即可作如下近似 T nenedt tde )1()()( ??? （ ） ? ???t niTiedtte01)()( （ ） 這樣，式 （ ） 便可離散化以下差分方程 01 })]1()([)()({)( uneneTTneTTneKnuniDIP?????? ?? （ ） 上式中 0u 是偏差為零時(shí)的初值 ,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用 ,稱為比例 （ P） 項(xiàng))(nuP ,即 )()( neKnu Pp ? （ ） 第二項(xiàng)起積分控制作用 ,稱為積分 （ I） 項(xiàng) )(nuI 即 ??? niIPIieTTKnu1)()( （ ） 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 P I D位 置 算 法控 制 器 被 控 對(duì) 象r ( t )+e ( t ) uc ( t )第三項(xiàng)起微分控制作用 ,稱為微分 （ D） 項(xiàng) )(nuD 即 )]1()([)( ??? neneTTKnu DPD （ ） 這三種作用可單獨(dú)使用 (微分作用一般不單獨(dú)使用 )或合并使用 ,常用的組合有 : P 控制 : 0)()( ununu P ?? （ ） PI 控制 : 0)()()( unununu IP ??? （ ） PD 控制 : 0)()()( unununu DP ??? （ ） PID 控制 : 0)()()()( ununununu DIP ???? （ ） 式 （ ） 的輸出量 )(nu 為全量輸出 ,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置 。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到。 ③ 選擇控制度：所謂控制度就是 以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC 的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。 控制度 控制規(guī)律 T PK IT DT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 ③ 積分系數(shù) IK 保持不變，改變比例系數(shù) PK ，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。 PWM 脈沖控制技術(shù) PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 abcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0圖 的電路是一個(gè)具體的例子。 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 直流電機(jī)的 PWM 控制 技術(shù) 直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ， 調(diào)速平滑、方便 ， 調(diào)速范圍廣 ， 過(guò)載能力大 ，能承受頻繁的沖擊負(fù)載 ， 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng) 、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn) ； 能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 ， 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。正因?yàn)橹绷?PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn) ， 并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0的不斷提高 ， 直流脈寬調(diào)制 ( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。圖中 控制器模塊為系統(tǒng)的 核心 部件 ，鍵盤和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互 功能，其中 通過(guò)鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù) 和狀態(tài) 輸入到單片機(jī)中， 并且通過(guò)控制器 顯示到 顯示器上 。 AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編 程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [4]。因此在本 次 設(shè)計(jì) 選用 方案二。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成 。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案 在 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 ，系統(tǒng)需要 對(duì) 參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)顯示模塊， 考慮有 三 種方案： 方案 一 ：使用 七段 數(shù)碼管 （ LED） 顯示。但是由于獨(dú)立式鍵盤每個(gè)按鍵需要占用一根輸入口線， 所以 在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口浪費(fèi)大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。 (a) (b) 圖 電機(jī)速度采集方案 圖 傳感器輸出脈沖波形 顯示電路 設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求要對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示， 因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。其運(yùn)算公 式為： ?)(nu 因此要想實(shí)現(xiàn) PID 控制在單片機(jī)就必須存在上述算法， 其程序流程 如圖 所示。狀態(tài)字是了解模塊當(dāng)前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在 每次對(duì)模塊操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷 BUSY 是否為 “ 0”。 （ 6） 寫顯示數(shù)據(jù) D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 顯 示 數(shù) 據(jù) 該操作將 8 位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲(chǔ)器的單元內(nèi)。 （ 3） 元器件選?。喊丛O(shè)計(jì)要求，在對(duì)象選擇窗口中點(diǎn) P，彈出 Pickdevices 對(duì) 初始化循環(huán)次數(shù)j ＝ 2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) i ＝ 16 ？設(shè)置顯示起始頁(yè) 、 起始列調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序j = j + 1 。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 5 系統(tǒng)測(cè)試與分析 為了確定系統(tǒng)與設(shè)計(jì)要求的符合程度， 需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與分析，但是由于試驗(yàn)調(diào)節(jié)的制約和時(shí)間的限制，不能完成此次制作，只能通過(guò)軟件仿真進(jìn)行驗(yàn)證，在這里使用的是英國(guó)的 Proteus 軟件進(jìn)行測(cè)試，有關(guān)改軟件的使用在前面的章節(jié)已經(jīng)介紹，在這里 不再重復(fù)。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。 通過(guò)上訴的數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)完成 了 設(shè)計(jì) 的 任務(wù)及要求，證實(shí)了設(shè)計(jì) 方案 的可行性 和設(shè)計(jì)方法的正確性 。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 參考文獻(xiàn) [1] 孫傳友 . 測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì) [M] .北京： 北京航空。到目前為止通過(guò) 對(duì) 控制器模塊、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 LCD 顯示模塊 、 鍵盤模塊、 數(shù)字 PID算法等進(jìn)行 深入 的 研究。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。 下 面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說(shuō)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(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿意的控制過(guò)程為 止。 i = 0i = i + 1RETIYNNYa ) 寫入 16 * 16 漢字程序流程 b ) 寫入 8 * 16 數(shù)字西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 話框， 在 Keywords 中填寫要選擇的元器件，然后在右邊對(duì)話框中選中要選的元器件，則元器件列在對(duì)象選擇的窗口中 如圖 所示 。 （ 7） 讀顯示數(shù)據(jù) D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 顯 示 數(shù) 據(jù) 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 該操作將 12864 模塊中的 DDRAM 存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)單位中的內(nèi)容讀出，然后列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。 （ 2） 顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 BUSY 0 ON／ OFF RST 0 0 0 0