【導讀】多，模擬PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結構，控制器難以獲得滿意的控制效果。法靈活、可靠性高等優(yōu)點，應用面越來越廣。心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖實現(xiàn)對直流電機轉速的控制。時利用光電傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制，達到轉速無靜差調節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采128×64LCD顯示器作為顯示部件，通過。電機當前的轉速和運行時間。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強的抗干擾能力。Keywords：digitalPID；PWMimpulse；dutyfactor；astaticmodulation. 備的性能和結構發(fā)生了翻天覆地的變化。成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領域。器、通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)、傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構是不一。國際市場，參與國際競爭也成為現(xiàn)實需求。術與解決方案，以提升設備性能、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運動控制及過。技術，正越來越受到國內外各行業(yè)的高度重視。

　　

【正文】 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置功能鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 圖 鍵盤程序流程 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 27 脈沖計數(shù)時間 ＝ 0 . 5 s ?速度計算PID 運算顯示數(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運行時間和進行速度計算和PID 運算 ，其程序流程如圖 所示。 圖 定時程序流程 顯示 程序流程 顯示模塊 是實現(xiàn)人機對話的重要部分，在這里選用 12864LCD 顯示器可實現(xiàn)對漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面 介紹12864LCD 的 相關指令 。 （ 1） 讀取狀態(tài)字 當 R/W=1， D/I=0 時，在 E 信號為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。狀態(tài)字是了解模塊當前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在 每次對模塊操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷 BUSY 是否為 “ 0”。 若不為“ 0”，則計算機需要等待，直至 BUSY =0為止。 （ 2） 顯示開關設置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 BUSY 0 ON／ OFF RST 0 0 0 0 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 28 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 D D=1：開顯示； D=0 關顯示。 （ 3） 顯示起始行設置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行 （ 0~63） 指令表中 DB5～ DB0 為顯示起始行的地址，取值在 0～ 3FH（ 1～ 64 行 ） 范圍內，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對應的顯示存儲器的行地址。 （ 4） 頁面地址設置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 0 1 1 1 Page（ 0~7） 頁面地址是 DDRAM 的行地址。 8 行為一頁， DDRAM 共 64 行即 8 頁，DB2DB0 表示 07 頁。 （ 5） 列地址設置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 1 Yaddress（ 0~63） 列地址是 DDRAM 的列地址。共 64 列， DB5DB0 取不同值得到 03FH（ 164） ，代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計數(shù)器在每一次讀／寫數(shù)據(jù)后它將自動加一。 （ 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器的單元內。操作完成后列地址計數(shù)器自動加一。 （ 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) 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 29 該操作將 12864 模塊中的 DDRAM 存儲器對應單位中的內容讀出，然后列地址計數(shù)器自動加一。 根據(jù)上面指令結合系統(tǒng)要實行的功能， 其顯示子程序流程如圖 所示。 圖 顯示程序流程 系統(tǒng) Proteus 仿真 Proteus 軟件簡介 Proteus 是英國 Labcenter electronics 公司研發(fā)的 EDA 設計軟件， 是一個基于 ProSPICE 混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設計仿真平臺。 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，還可進行多種 CPU的仿真，涵蓋了 5 PIC、 AVR、 HC1 ARM 等處理器，真正實現(xiàn)了在計算機從原理設計、電路分析、系統(tǒng)仿真、測試到 PCB 板完整的電子設計，實現(xiàn) 了從 概念到產(chǎn)品的全過程。 以下 為 本系 統(tǒng)在 Protues 中的仿真流程： （ 1） 新建文件：打開 Protues 點 File，在彈出的下拉菜單中選擇 New Design，在彈出的圖幅選擇對話框中選 Default。 （ 2） 設置編輯環(huán)境：按上述的方法對 Protues 的設計環(huán)境進行設置。 （ 3） 元器件選取：按設計要求，在對象選擇窗口中點 P，彈出 Pickdevices 對 初始化循環(huán)次數(shù)j ＝ 2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) i ＝ 16 ？設置顯示起始頁 、 起始列調用寫入數(shù)據(jù)子程序j = j + 1 。 i = 0i = i + 1RETIYNNY初始化循環(huán)次數(shù)j ＝ 2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) i ＝ 8 ？設置顯示起始頁 、 起始列調用寫入數(shù)據(jù)子程序j = j + 1 。 i = 0i = i + 1RETIYNNYa ) 寫入 16 * 16 漢字程序流程 b ) 寫入 8 * 16 數(shù)字西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 30 話框， 在 Keywords 中填寫要選擇的元器件，然后在右邊對話框中選中要選的元器件，則元器件列在對象選擇的窗口中 如圖 所示 。 本設計所需選用的元器件如下： ① AT89C51:單片機 ② RES、 RX RESPACK8:電阻、排阻、上拉電阻 圖 Proteus 元器件選取界面 ③ CRYSTAL:晶振 ④ CAP、 CAPELEC:電容、電解電容 ⑤ 780 7812:5V、 12V 三端穩(wěn)壓塊 ⑥ IN4007： 二極管 ⑦ AMPIRE128? 64： 液晶顯示器 ⑧ OPTOCUPLERNPN： 光電耦合器 ⑨ BOUTTON： 按鍵 ⑩ MOTORENCODER： 直流電機 放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄 Ⅱ 所示的 系統(tǒng)整體 電路，最后進行電氣檢測。 （ 4） 程序編譯 點菜單 Source→ Add/Remove sou rce Files” 在出現(xiàn)的對話框 如圖 中，選擇 ASEM51 編輯器，將上面的匯編源程序 添加。再點菜單Source→ Build ALL 編譯匯編源程序，生成目 標代碼文件 。 （ 5） 程序加載 圖 程序添加界面 在編輯環(huán)境左擊單片機然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的 HEX 文件加載到芯片中，設單片機的時鐘工作頻率為 12MHZ。 （ 6） 電路仿真 點 仿真 按鍵，按照前面介紹的 系統(tǒng) 使 用方法進行 仿真。 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 31 5 系統(tǒng)測試與分析 為了確定系統(tǒng)與設計要求的符合程度， 需要進行系統(tǒng)測試與分析，但是由于試驗調節(jié)的制約和時間的限制，不能完成此次制作，只能通過軟件仿真進行驗證，在這里使用的是英國的 Proteus 軟件進行測試，有關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。 根據(jù)第 1 章 PID 參數(shù)整定方法的介紹與分析，對于本系統(tǒng)采用經(jīng)驗法進行參數(shù)整定，該方法 調試 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 ， 微分時間應加長 。 下 面以 PID 調節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟： ① 讓調節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) IK =0，實際微分系數(shù) DK =0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，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。 ② 取比例系數(shù) PK 為當前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) IK ，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。 ③ 積分系數(shù) IK 保持不變，改變比例系數(shù) PK ，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù) PK 增大一些，再調整積分系數(shù) IK ，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) PK 和積分系數(shù) IK 為止。 ④ 引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù) DK 和實際微分時間 DT ，此時可適當增大比例系數(shù)PK 和積分系數(shù) IK 。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。 PID 參 數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。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。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般 P 在 （ 10） 之間 ,I 在 （ 0、 5） 之間 ,D 在 （ 、 1） 之間 ,具體參數(shù) 要在現(xiàn)場調試時進行修正。 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 32 根據(jù)上訴方法，通過軟件仿真系統(tǒng)得出數(shù)據(jù)如表 所示 ，通過 觀察得出該系統(tǒng)比較合適的 P、 I、 D 三者的參數(shù)值為 : PK =2, IK =, DK =。并且可以反映 表 測試數(shù)據(jù)表 次數(shù) 設定 PK 設定 IK 設定 DK 設定（ r/min） 超調量 調節(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)的響應速度。增大 PK 能提高響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是， PK 值過大會產(chǎn)生較大的超調，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小 PK 可以減小超調，提高穩(wěn)定性，但 PK 過小會減慢響應速度，延長調節(jié)時間； （ 2） 積分環(huán)節(jié) ： 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱 ，反之則越強； （ 3） 微分環(huán)節(jié) ： 能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間 。 通過上訴的數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)完成 了 設計 的 任務及要求，證實了設計 方案 的可行性 和設計方法的正確性 。 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 33 結 論 本課題的目的在于利用單片機實現(xiàn) PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來控制電機轉速。到目前為止通過 對 控制器模塊、 電機驅動模塊、 LCD 顯示模塊 、 鍵盤模塊、 數(shù)字 PID算法等進行 深入 的 研究。 完成了 硬件 電路的系統(tǒng)設計 ，并且利用 Protel99se 軟件繪制 出 PCB 圖紙 （見附錄 Ⅳ ） ，但由于實驗條件不足沒能做出 PCB 板 。軟件方面利用 C 語言進行編程，增強了程序的可移植性和靈活性，并且利用 Proteus 軟件 進行仿真更加保證了程序的準確性。 歸納起來主要做了如下幾方面的工作 ： PID算法與 PWM控制技術有機的結合； 設計了 速度檢測電路 ； 利用 C語言進行程序設計，并通過仿真 （部分源程序見附錄 Ⅱ ） ； 利用 Protel99se對 PCB板 進行繪制 。 根據(jù)上面論述結合 測試 數(shù)據(jù)可以看出本次設計基本完成了設計任務和要求。 通過此次 設計，掌握了 數(shù)字 PID算法的使用及編程方法 ， 學習了如何進行系統(tǒng)設計及相關技巧 ，為 今后的工作和學習奠定了堅實的基礎。 西安科技大學電控 學院畢業(yè)設計（論文） 34 參考文獻 [1] 孫傳友 . 測控系統(tǒng)原理與設計 [M] .北京： 北京航