【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(jī)輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：晶閘管 u(k)的值和晶閘管的輸出 電壓值是一一對(duì)應(yīng)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(jiǎn)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(dá)式為 ????????????? ??kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k 是采樣序號(hào) k=0、 2...。 比例積分微分控制對(duì)象比例 如圖 31 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)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(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)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(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 PID 控制式工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。 ?恢復(fù)時(shí)間 vt 從階躍擾動(dòng)開始，到響應(yīng)曲線到達(dá)并不再超出允許誤差帶所需的最短時(shí)間間隔段稱為恢復(fù)時(shí)間。 ⑵ 靜差率 s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 numn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱為靜差率 s，表示為： （ 23） 顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，只有同時(shí)提示才有意義。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。因此，調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，本設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速方式。 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào) Z232 型，額定功率 ，額定電壓 110V，額定電流 46A，額定轉(zhuǎn)速 1500r/min， 勵(lì)磁電壓 220V。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性，可以平滑調(diào)速，調(diào)速范圍廣，操作方便；過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因而能夠滿足生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)等各種不同場(chǎng)合的需要。 課題研究的目的和實(shí)際意義 數(shù)字化和智能化已被公認(rèn)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用也已成為發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技術(shù)的應(yīng)用，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅度提升，應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大，直流調(diào)速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的機(jī)械特性和調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，易于在大范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)速，過(guò)載能力較大，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)快速制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的特殊運(yùn)行要求，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛用于自動(dòng)控制要求較高的生產(chǎn)過(guò)程，仍然是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 the hardware is highly integrated, the number of the parts is sharply minimized。 沈陽(yáng)化工大學(xué) 本科畢業(yè)論文 題 目： 直流電動(dòng)機(jī) 雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 摘要 近年來(lái)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速系統(tǒng)作為電力拖動(dòng)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(diào)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(yùn)算電路等，雖然一定程度上滿足了生產(chǎn)過(guò)程的要求，但是因?yàn)樵谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，線路復(fù)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(yùn)行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，可靠性較差。 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。直流調(diào)速系統(tǒng)是指人為地或自動(dòng)地調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足控制系統(tǒng)性能的要求。由于微機(jī)具有較高的性價(jià)比，因此在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)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(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法有以下三種： ⑴ 調(diào)節(jié)電樞電壓 U。 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞電壓主要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，靜止變流裝置， PWM 脈寬調(diào)制變換器 (或稱直流斬 波器 )。考慮到使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(gè)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低轉(zhuǎn)速是還能滿足靜差率要求下的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn) 的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。 在本系統(tǒng)中，采用了 PID 控制算法。 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)， 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(hào) 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(shí)刻的輸出值； )(ke 是第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； )1( ?ke 是 k1 次采樣時(shí)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(duì)于電流閉環(huán)， PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為 1() iiiisW s K ? ??? （ 315） 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 17 式中 iK 電流調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)； i? 調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)。 變壓器的設(shè)計(jì) 工業(yè)供電電壓為 AC 380V，而電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 110V，所以必須通過(guò)降壓變壓器使之達(dá)到系統(tǒng)供電要求。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對(duì)過(guò)電壓過(guò)電流敏感，在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通角很小等缺點(diǎn)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù) 晶閘管有換相方便，無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)。以過(guò)電壓保護(hù)的部位來(lái)分，有交流側(cè)過(guò)壓保護(hù)、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)和器件兩端的過(guò)電壓保護(hù)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(yīng)有一定的限制?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。必須對(duì)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(hào)在處理完畢后能夠不失真地重復(fù)連續(xù)的模擬信號(hào)。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，響應(yīng)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(gè)工頻周期轉(zhuǎn)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(shí)際檢測(cè)時(shí)間， T0 是一固定不變的定時(shí)時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，啟動(dòng)定時(shí) T0，由兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖 M1 和高頻脈沖數(shù) M2 計(jì)數(shù)。 ⑴ 因?yàn)橐谲浖〞r(shí)器 2 的第一次中斷中進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的 PID 計(jì)算，所以測(cè)速?gòu)倪@里開始。見(jiàn)圖 53 然后用公式 (53)計(jì)算轉(zhuǎn)速。 圖 55 觸發(fā)脈沖順序圖 那么， 1o 所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)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(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，寫入 HSO 時(shí)間寄存器，靠 HSO 的定時(shí)功能來(lái)控制角度的大小。其控制流程圖如圖 57 所示。對(duì)于不同的控制對(duì)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(lái)完成的，所以使硬件得以簡(jiǎn)化，故障率比較小。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié) 。因?yàn)?HSO CAM 只能存儲(chǔ)8 個(gè) HSO 事件，考慮到軟件定時(shí)器對(duì) HSO CAM 的占用情況，我們把 24 個(gè)觸發(fā)時(shí)刻分為 4 組，每組 6 個(gè)觸發(fā)時(shí)刻，分別由同步中斷與 HSO 中斷產(chǎn)生。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 讀給定速度將給定速度轉(zhuǎn)換為碼讀實(shí)測(cè)速度實(shí)測(cè)速度轉(zhuǎn)換為 碼顯示給定速度顯示實(shí)測(cè)速度軟件定時(shí)中斷軟件定時(shí)器0中斷軟件定時(shí)器1中斷軟件定時(shí)器2中斷第一次中斷第二次中斷第三次中斷啟動(dòng) 轉(zhuǎn)換測(cè)給定電流電流 計(jì)算啟動(dòng) 轉(zhuǎn)換測(cè)電流值設(shè) 中斷模式允許 中斷查表計(jì)算值速度 計(jì)算電流PID計(jì)算開 中斷關(guān) 數(shù)據(jù)有效中斷設(shè)置測(cè)速定時(shí)時(shí)間到位標(biāo)志返回 圖 54 軟件定時(shí)中斷子程序 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì) 顯示部分的程序是采用軟件定時(shí)中斷來(lái)完成的，多少時(shí)間顯示一次可在軟件 中設(shè)定。 ⑵ 轉(zhuǎn)速脈沖引起 HSI0 中斷，如果是第一次中