【正文】 湖南電子電 氣網(wǎng) 33 結(jié)論 本課題的目的在于利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 根據(jù)第 1 章 PID 參數(shù)整定方法的介紹與分析，對(duì)于本系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)整定，該方法調(diào)試的原則為： 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(shí)間往下降 ； 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng) ； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái) ； 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢 ， 微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng) 。操作完成后列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。 電機(jī)速度采集算法 本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制 H 橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、 ENB?引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入 PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?[5]，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。相對(duì)于FPGA 來(lái)說(shuō)，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代 ， 這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能 。圖中 )(te 為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 的 a、 b、 c、 d 所示，為電路的輸入 。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(guò)程。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0 dttdeTdtteTteKtu DtIp??? ? （ ） 式中， PK 為比例系數(shù)， IT 為積分 時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 本次設(shè)計(jì)主要研究的是 PID 控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的控制對(duì)象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求 ，其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 PID 控制器就是根據(jù) 偏差的 比例、積分、微分進(jìn)行控制的。我們已進(jìn)入高速發(fā)展的信息時(shí)代，控制技術(shù)成為當(dāng)今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應(yīng)用工程等各個(gè)領(lǐng)域。湖南電子電 氣網(wǎng) 1 摘要 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬 PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬 PID 控制系統(tǒng) 中，參數(shù)一旦整定好后，在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的，而在實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果，因此采用模擬 PID控制器難以獲得滿意的控制效果。 控制理論的發(fā)展經(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(gè)階段。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其設(shè)計(jì)思路為： 以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 簡(jiǎn)單的說(shuō)， PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （ 1） 比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) )(te ,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差； （ 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是整定參數(shù)時(shí)不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) PK 和積分系數(shù) IK 為止。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL電路上，設(shè)其電流 )(ti 為電路的輸出。 目前 ， 在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制 技術(shù) 。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 湖南電子電 氣網(wǎng) 17 方案二： 采用對(duì)射式光電傳感器。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 nm? 個(gè)按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。 其電路如圖 所示，利用兩個(gè)光電耦合器將單片機(jī)的 I/O 與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。在設(shè)計(jì)中采用了光電傳感器做為測(cè)速裝置，其計(jì)算公式為： v= 60??tNn r/min 從這里可以看出速度 v 的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少?zèng)Q定的，為了減少系統(tǒng)誤差應(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設(shè)計(jì)中取凹槽數(shù) N 為 120，采樣時(shí)間 t為 ，則速度計(jì)算具體程序流程如圖 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) 湖南電子電 氣網(wǎng) 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。 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。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。 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。 湖南電子電 氣網(wǎng) 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)。 （ 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)。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。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。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。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。 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]。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關(guān)性能湖南電子電 氣網(wǎng) 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 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湖南電子電 氣網(wǎng) 12 abcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0圖 的電路是一個(gè)具體的例子。 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 湖南電子電 氣網(wǎng) 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。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。例如， P 調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器等。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。實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。s current rotate speed and system has great control precision and antijamming capability. Keywords： digital PID； PWM impulse； dutyfactor； astatic modulation 湖南電子電 氣網(wǎng) 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。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。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。其控制器的輸出與 輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。同時(shí)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，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。積分作用的強(qiáng)弱取決于湖南電子電 氣網(wǎng) 7 積分時(shí)間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng) ； （ 3） 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變 化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時(shí)可能略嫌粗糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實(shí)際問(wèn)題。 ④ 引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù) DK 和實(shí)際微分時(shí)間 DT ，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)PK 和積分系數(shù) IK 。圖 給出了不同窄波時(shí) )(ti 的響應(yīng)波形。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn) 數(shù)字化控制 ， 是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一 。 方案 三 ：采用傳統(tǒng)的 AT89C51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。其檢測(cè)方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 [6]。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端 [7]，使電機(jī)在 PWM 脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。 圖 測(cè)速程序流程 計(jì)算 e ( n )計(jì)算 KIe ( n )計(jì)算 KP ( e ( n ) e ( n 1 ))計(jì)算 KD ( e ( n ) 2 e ( n 1 )+ e ( n 2 ))計(jì)算 Δ u ( n )計(jì)算 Δ u ( n )＋ u ( n 1 )e ( n 1 ) → e ( n 2 )e ( n ) → e ( n 1 )u ( n ) → u ( n 1 )返回圖 4 . 1 PID 程序流程湖南電子電 氣網(wǎng) 25 開始初始化調(diào)用清屏子程序開始界面顯示設(shè)置鍵按下 ？調(diào)用清屏子程序設(shè)置界面顯示根據(jù)設(shè)置計(jì)算參數(shù)啟動(dòng)鍵按下 ？調(diào)用清屏子程序電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示PWM 脈沖輸出YNYN 程序流程 主流程圖 在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分 是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖 所示。 根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實(shí)行的功能，其顯示子程序流程如圖 所示。 ② 取比例系數(shù) PK 為當(dāng)前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) IK ，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿意的控制過(guò)程。完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且利用 Protel99se 軟件繪制出 PCB 圖紙（見附錄 Ⅳ ），但由于實(shí)驗(yàn)條件不足沒(méi)能做出 PCB 板。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)； （ 3） 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 （ 6） 電路仿真 點(diǎn)仿真按鍵，按照前面介紹 的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。共 64 列 ， DB5DB0 取不同值得到 03FH（ 164） ，代表某一頁(yè)面上的某一單元地址，列地址計(jì)數(shù)器在每一次讀／寫數(shù)據(jù)后它將自動(dòng)加一。 湖南電子電 氣網(wǎng) 24 0)]2()1(2)([)()]1()