【正文】 變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 由式（ 37）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 z 傳遞函數(shù)為 11()( ) ( 1 )( ) 1 IPDKUzG z K K zE z z ??? ? ? ? ?? （ 38） 或者 1 1 211( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]1 P I DG z K z K K zz ???? ? ? ? ?? （ 39） 由于單片機輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機構：晶閘管 u(k)的值和晶閘管的輸出 電壓值是一一對應的，所以通常稱式 (35)或 (36)為位置式 PID 控制算法。為了書寫方便，將 e（ kT）簡化表示為 e（ k），將上式（ 34）、（ 35）、（ 36）、 (37)代入式（ 32）中，可得離散的 PID 表達式為 ????????????? ??kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k 是采樣序號 k=0、 2...。 比例積分微分控制對象比例 如圖 31 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖 沈陽化工大學學士學位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機調速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 11 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給 定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 PID 控制式工業(yè)控制過程中應用最為廣泛的一種控制方式。與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。 ?恢復時間 vt 從階躍擾動開始，到響應曲線到達并不再超出允許誤差帶所需的最短時間間隔段稱為恢復時間。 ⑵ 靜差率 s 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定負載時所對應的轉速降落 numn? 與理想空載轉速 0n 之比，稱為靜差率 s，表示為： （ 23） 顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)負載變化時轉速的穩(wěn)定程度，而且調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，只有同時提示才有意義。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。因此，調速系統(tǒng)以調壓調速為主，本設計采用調壓調速方式。 電動機型號的選擇 本次設計選用的電動機型號 Z232 型，額定功率 ，額定電壓 110V，額定電流 46A，額定轉速 1500r/min， 勵磁電壓 220V。直流電動機具有良好的調速特性，可以平滑調速，調速范圍廣，操作方便；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可以實現(xiàn)頻繁的無級快速起、制動和反轉，因而能夠滿足生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)等各種不同場合的需要。 課題研究的目的和實際意義 數(shù)字化和智能化已被公認為運動控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，在直流電機調速系統(tǒng)中的應用也已成為發(fā)展趨勢。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技術的應用，使得直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅度提升，應用范圍不斷地擴大，直流調速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。由于直流電動機具有良好的機械特性和調速特性，調速平滑，方便，易于在大范圍內進行平滑調速，過載能力較大，能夠承受頻繁的沖擊負載，可以實現(xiàn)無級快速制動和反轉，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過程中的特殊運行要求，因此直流調速系統(tǒng)至今仍然被廣泛用于自動控制要求較高的生產(chǎn)過程，仍然是調速系統(tǒng)的主要形式。 the hardware is highly integrated, the number of the parts is sharply minimized。 沈陽化工大學 本科畢業(yè)論文 題 目： 直流電動機 雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設計 摘要 近年來，自動化控制系統(tǒng)在各行業(yè)中得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流調速系統(tǒng)作為電力拖動系統(tǒng)的主要方式之一，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著十分重要的作用。 as most functions are carried out by software, Moreover, as SCM works with digital signal, its control is flexible and its ability to antiinterference is very high. The paper is based on the theory of DC speed regulation. In this paper， a 80C196KC SCM is used as the processor for the speed control system of DC motor. The kind of speed controller is PID and that of current controller is PI. It is also discussed in this paper how to analyze the math model of double close loop speed control system by analyzing the functions and characteristics of the speed controlling system for DC motor， and find out the proportion and integral factors of the current and voltage loop. Moreover， the system adopted digital speed measuring method to enhance the accuracy of speed control. Key words： DC motor。 在傳統(tǒng) 的直流調速系統(tǒng)中，控制回路全部采用模擬電子器件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖然一定程度上滿足了生產(chǎn)過程的要求，但是因為在使用中易受外界干擾影響，線路復雜、通用性差，而且容易老化，控制系統(tǒng)的效果受到器件性能、溫度等不確定因素的影響，致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，可靠性較差。 隨著微型計算機技術、電力電子技術、自動控制理論的發(fā)展，電力電子器件、超大規(guī)模集成電路和傳感器的 出現(xiàn)，電力拖動控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。直流調速系統(tǒng)是指人為地或自動地調節(jié)直流電動機的轉速，以滿足控制系統(tǒng)性能的要求。由于微機具有較高的性價比，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程和設備控制中得到了廣泛的應用。 直流調速系統(tǒng)的控制方法的選擇 直流電動機轉速的表達式如下： ??? ?e aC RIUn （ r/min） （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A）； aI —— 電樞電路總電阻（ ? ）； 由式（ 21）可知，調節(jié)直流電機轉速 n 的控制方法有以下三種： ⑴ 調節(jié)電樞電壓 U。 變電壓調速是直流調速系統(tǒng)用的主要方法，調節(jié)電樞電壓主要有三種方式：旋轉變流機組，靜止變流裝置， PWM 脈寬調制變換器 (或稱直流斬 波器 )?？紤]到使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，因此選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。一個系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低轉速是還能滿足靜差率要求下的轉速可調范圍。 總體結構設計 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn) 的功能，選擇最適合設計要求的虛擬控制電路。得到過電流的自動保護。 在本系統(tǒng)中，采用了 PID 控制算法。 簡單說來， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： ⑴ 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e（ t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 )(ku 是 k 次采樣時刻的輸出值； )(ke 是第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； )1( ?ke 是 k1 次采樣時刻輸入的偏差值： jk 是積分系數(shù)， jpj TTkk /? 。圖 32 給出了位置式 PID 控制系統(tǒng)示意圖。 對于電流閉環(huán)， PI 調節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為 1() iiiisW s K ? ??? （ 315） 沈陽化工大學學士學位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機調速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 17 式中 iK 電流調節(jié)器放大倍數(shù)； i? 調節(jié)器時間常數(shù)。 變壓器的設計 工業(yè)供電電壓為 AC 380V，而電動機的額定電壓為 110V，所以必須通過降壓變壓器使之達到系統(tǒng)供電要求。由于晶閘管的單向導電性，不允許電流反向，對過電壓過電流敏感，在低速運行時，導通角很小等缺點。 直流調速系統(tǒng)的保護 晶閘管有換相方便，無噪音等優(yōu)點。以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。 1MAU =（ ~ ） DCU =（ ~ ） 110V= 242~198 V 選 MY31230/5 型壓敏電阻。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應有一定的限制?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。必須對系統(tǒng)的采樣頻率作出一定的要求，才能保證離散的數(shù)字信號在處理完畢后能夠不失真地重復連續(xù)的模擬信號。 在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中電流環(huán)作為速度環(huán)的內環(huán)，響應速度快，采樣周期取 3ms；速度環(huán)是外環(huán)，采樣周期取 15ms,每個工頻周期轉速環(huán) PID 算一次，電流環(huán)算三次。具體方法如下： 在圖 51 中， T 為實際檢測時間， T0 是一固定不變的定時時間，當轉速脈沖的上升沿到來時，啟動定時 T0，由兩個計數(shù)器分別對轉速脈沖 M1 和高頻脈沖數(shù) M2 計數(shù)。 ⑴ 因為要在軟件定時器 2 的第一次中斷中進行轉速環(huán)的 PID 計算，所以測速從這里開始。見圖 53 然后用公式 (53)計算轉速。 圖 55 觸發(fā)脈沖順序圖 那么， 1o 所對應的計數(shù)器 1 的計數(shù)值為 2 0 5 0 0/ 1 5 5 .5 6 /3 6 0 9 ooms s? ?? （ 53） 把觸發(fā)角和脈寬所對應的計數(shù)值，寫入 HSO 時間寄存器，靠 HSO 的定時功能來控制角度的大小。其控制流程圖如圖 57 所示。對于不同的控制對象和控制要求，只需要改變控制算法軟件即可。 (4)由于許多功能都是由軟件來完成的，所以使硬件得以簡化，故障率比較小。用軟件編程完成電流、轉速等各項參數(shù)的計算，實現(xiàn)最優(yōu)化調節(jié) 。因為 HSO CAM 只能存儲8 個 HSO 事件，考慮到軟件定時器對 HSO CAM 的占用情況，我們把 24 個觸發(fā)時刻分為 4 組，每組 6 個觸發(fā)時刻，分別由同步中斷與 HSO 中斷產(chǎn)生。 沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調速系統(tǒng)的軟件設計 29 讀給定速度將給定速度轉換為碼讀實測速度實測速度轉換為 碼顯示給定速度顯示實測速度軟件定時中斷軟件定時器0中斷軟件定時器1中斷軟件定時器2中斷第一次中斷第二次中斷第三次中斷啟動 轉換測給定電流電流 計算啟動 轉換測電流值設 中斷模式允許 中斷查表計算值速度 計算電流PID計算開 中斷關 數(shù)據(jù)有效中斷設置測速定時時間到位標志返回 圖 54 軟件定時中斷子程序 顯示模塊的軟件設計 顯示部分的程序是采用軟件定時中斷來完成的，多少時間顯示一次可在軟件 中設定。 ⑵ 轉速脈沖引起 HSI0 中斷，如果是第一次中