【正文】 圖 48 KP=， KI= 的速度曲線 對電機進行分步調(diào)速，設定轉速從 2021， 2500， 3000， 3500。 但是當預期轉速設置為 3500R/min 是，在 3000R/min 下較理想的 PID 參數(shù) KP=， KI=，KD=0 的系統(tǒng)響應超調(diào)量過大，系統(tǒng)近乎不穩(wěn)定，在又一番調(diào)試后我發(fā)現(xiàn) KP=， KI=， KD=0能滿足要求，不過超調(diào)量也很大大，約為 40%，但系統(tǒng)能穩(wěn)定下來，這說明，對同一個控制對象電機，不同的期望轉速所需要的 PID 參數(shù)也是不同的，這要求 PID 控制器使用更為先進的算法，比如說模糊控制和自適應整定等等 [19]。 第一次 PID 算法試驗 借用公式（ ），將每次得到的速度信號轉換為占空比信號，再進行 PID 控制，這樣可大大降低 PID 參數(shù)整定的難度。 簡單閉環(huán)控制的設計思想：利用串口直接輸入轉速，利用公式（ ），將其轉化為占 空比值，將該占空比值轉換為 PWM 信號傳給電機，不斷檢測電機轉速，若電機轉速低于給定速度，則占空比加 1，若電機轉速大于給定速度，則占空比減 1。 PID 算法模塊 本次設計僅有轉速反饋，是單閉環(huán)控制，程序中加入了位置式式 PID 算法。 至于速度顯示則相對簡單，直接調(diào)用 Printf(),就可在串口顯示當 前的速度，但要注意的是，Printf（）在輸出時需要占用大量的時間，需要在后面加上 delay_ms()延時函數(shù)，一個 Printf（）需要 100ms 才能保證顯示的準確性，若用 LCD 則無此顧忌，這是一個需要進一步改進的地方。 30 30 系 統(tǒng) 時 鐘定 時 器 ， 串 口初 始 化T I M 4 計 數(shù) 模 式定 時 1 秒T I M 3 編 碼 器 模 式記 輸 入 脈 沖 數(shù)串 口 是 否輸 入 速 度Y字 符 轉 化 函 數(shù)得 到 輸 入 速 度溢 出 中 斷中 斷 服 務 函 數(shù)中 斷 服 務 函 數(shù)溢 出 中 斷清 除 中 斷 標志 位清 除 中 斷 標志 位N占 空 比 值 賦 給T I M C C R 2控 制 算 法T I M 2 P W M 模 式串 口 顯 示 轉 速 ，方 向 等 信 息W h i l e （ 1 ）循 環(huán) 圖 37 主程序流程簡圖 生成子程序 定 時 器 T I M 2初 始 化對 T I M 2 C C R 2賦 值循環(huán)P A 1 輸 出P W M控 制 算 法 圖 38 PWM 程序流程圖 由于 STM32 的高級或是通用定時器均有 PWM 模式，能直接生成 PWM，我們只需要對相關的寄存器進行操作即可得到想要的 PWM。 STM32 編程有兩種模式一為利用官方給定的庫函數(shù)編程，一為直接利用寄存器進行操作。 圖 36 順時針運動時正交編碼器的輸出波形 順時針運動時， A 相超前 B 相 90 度，逆時針時， B 相超前 A 相 90 度，據(jù)此，根據(jù) A,B 相A 相 B 相 29 29 波形可得電機轉動的方向信息，判定表見下表 32。 A,B 相 90 度的相位差，不但可以用來判斷正反轉的轉速，也可以在檢測 A,B 相上下沿時獲得四倍頻，這就大大提高了檢測精度。如果 IN1 信號為 0， IN2 信號為 1，并且使能信號 ENA 是 1，那么三極管 Q1 和 Q4 導通， 28 28 電流從 OUT1 至 OUT2 流經(jīng)電機；如果 IN1 信號變?yōu)?1，而 IN2 信號變?yōu)?0，那么 Q2 和 Q3 將導通，電流則 反向流過電機，從而達到控制正反轉的目的。 27 27 TIM2 是用來產(chǎn)生 PWM 信號，為 PWM 模式 1，信號的通道是 CH2，由原理圖可知， PA1 即為 PWM 輸出口，接 L298N 的 ENA。 串 口 模 塊 S T M 3 2 正 交 編 碼 器直 流 電 機L 2 9 8 N 驅 動 模 塊速 度 給 定速 度 信 息顯 示P W M脈 沖 圖 31 方案設計簡圖 U S BP CS T M 3 25 V編 碼 器5 V I N 1P A 15 VG N DI N 2G N DE N A5 VG N DL 2 9 8 NV I NG N DO U T 1O U T 2電 機 電 源G N DP A 6P A 75 VG N DA 相B 相M 1 圖 32 電路連接示意圖 26 26 硬件部分 硬件設計部分主要包括了 STM32 開 發(fā)板， L298N 驅動電路，正交編碼器測速，穩(wěn)壓電源電路 開發(fā)板 圖 33 MCU 引腳功能圖 本次設計選用的是 ALIENTEK MiniSTM32 開發(fā)板，它的 MCU 是 STM32F103RBT6， STM32作為基于 ARM CortexM3 的單片機，無疑具有高性能，低功耗等優(yōu)點。 //u1輸入值 float u2[N]={1,2,3,4,5,6,7,8}。 但是，在實際環(huán)境中，系統(tǒng)不可能是同步運行，每一個環(huán)節(jié)輸入與輸出都是有時差的，這就需要我們用串行的算法來模擬系統(tǒng)的并行運行。 算法的探索 以一個雙閉環(huán) PID 控制，對象未知的控制系統(tǒng)為例，進行模擬算法的探索。 狀態(tài)空間法與串行算法模擬并行的探索 狀態(tài)空間法的啟示 經(jīng)典控制理論，適用于單輸入 — 單輸出（ SISO）系統(tǒng)，而現(xiàn)代控制理論建立了狀態(tài)的概念，以狀態(tài)方程為基礎，以線性矩陣理論為數(shù)學工具，以計算機技術為依托，不僅適用于線性定常系統(tǒng)，而且適用于線性時變和非線性系統(tǒng)的分析，綜合。離散化法是設計連續(xù)控制系統(tǒng)的控制器，然后通過 某種離散化方法轉化成數(shù)字控制器，這種方法僅能逼近連續(xù)系統(tǒng)的性能，不會由于連續(xù)系統(tǒng)的性能，但對熟悉連續(xù)系統(tǒng)的設計者不失為一種較好的方法。我們習慣于用連續(xù)系統(tǒng)成熟的理論解決計算機控制系統(tǒng)的某些分析和設計問題，控制器的設計同樣如此。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制器的設計使用模擬器件實現(xiàn)；在計算機控制系統(tǒng)中，控制器的設計用軟件編程實現(xiàn)。 臨界比例度整定法又稱為“閉環(huán)振蕩法” ,它的特點是 :不需要求得控制對象的特性 ,而直接在閉合的控制系統(tǒng)中進行整定 ,適用于一般的控制系統(tǒng)，但對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用 . 我將上述結果代入閉環(huán)系統(tǒng)，其階躍響應見圖 217，為不穩(wěn)定系統(tǒng)，還需進行二次整定。 3. 針對其開環(huán)系統(tǒng)作根軌跡圖，根據(jù) MATLAB 的圖像顯示，可預測臨界比例度 K 的大致范圍。 這是目前使用較多的一種方法。 13 13 圖 25 pK 取不同值時系統(tǒng)的階躍響應 圖 26 iK 取不同值時的階躍響應 14 14 圖 27 dK 取不同值時的階躍響應 3）用 PID 控制器校正系統(tǒng) 利用在相關書籍 [10]上尋找到的電機參數(shù)和速度負反饋參數(shù)，建立了如下的電機模型： ?INOUT? 44 ?s 101 1 ?s s0 7 1 1 9 2 1 圖 28 電機開環(huán)系統(tǒng) 傳遞函數(shù)為 對其進行性能分析，階躍響應見圖 210 15 15 圖 210 開環(huán)系統(tǒng)階躍響應及性能指標 由以上數(shù)據(jù)可知，單純的電機系統(tǒng)響應速度 太慢，動態(tài)性能不佳，且不具有抗干擾性。 1G 2G 3G 4G5GPID? ?? ?圖 24 單閉環(huán)控制系統(tǒng) 其中0 0 1 , 11,1,10 0 1 4454321???????GGsGsGsG 在 MATLAB 中編寫 M 文件（見附錄），觀察 PID 各環(huán)節(jié)參數(shù)變化時，系統(tǒng)階躍響應的變化，根據(jù)圖 25,26,27 分析得： 比例調(diào)節(jié)作用： pK 增大可增大系統(tǒng)的響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎上，在電流環(huán)內(nèi)再加電流變化率內(nèi)環(huán)或電壓內(nèi)環(huán)構成兩種三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不在 *電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 在實際工作中 ,我們希 望在電機最大電流受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。 、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 直流電機雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。 10 10 轉速反饋電壓與轉速指令電壓相比較形成偏差電壓，偏 差電壓作為輸入信號，后與開環(huán)電路相同。 直流電機調(diào)速系統(tǒng) 本次試驗選用的是小功率的直流電機，根據(jù)本次設計的要求，僅對與本實驗相關部分的理論進行闡述。 （ 2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持 2t 不變，只改變 1t ，使周期與頻率也隨之改變。 電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值 0U 為 10,)()0(112110?????????????的取值范圍為：與周期的比值內(nèi)，開關管道通的時間它表示了在一個周期為占空比，式中：TTtUUTtttUtUsss （ ） 由公式（ ）可知，當電源電壓 sU 不變的情況下，電樞電壓的平均值 0U 取決于平均值 0U 取決于占空比 ? 的大小，改變 ? 值就可以改變端電壓的平均值，達到調(diào)速的目的，這就是 PWM調(diào)速原理。 對直流電機電樞電壓的控制和驅動中， 對半導體功率器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式。 ：由于電阻耗能大，機械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場合。近年來，隨著電力電子的迅速發(fā)展，有晶閘管變流器供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機 電動機調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能遠遠超過了發(fā)電機 電動機調(diào)速系統(tǒng)。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場合。具有控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改等優(yōu)點，從而達到很高的控制精度和良好的穩(wěn)定性。而且，電機控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應用資料豐富，但是又很分散，需要花時間收集整理、分析消化。由于微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。目前相比直流電機和交流電機他們各有所長，如直 流電機調(diào)速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結構都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié)。 對于簡單的微處理器控制電機，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關元器件，使電路開通或關斷就可實現(xiàn)對電機的控制。而微處理器的應用使電氣傳動控制技術再次發(fā)生了巨大地變革，使用微處理器實現(xiàn)數(shù)字化控制不僅可以簡化控制硬件，而且可以加入人工智能對系統(tǒng)運行狀態(tài)進 行診斷，這對電氣傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響 [2]。僅對占傳動總量三分之一強的風機，水泵設備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可以節(jié)電 30%左右。它的發(fā)展過 程是這樣的，由最早的旋轉交流機組控制發(fā)展為放大機，磁放大機控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的 PWM 控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)的快速性，可靠性，經(jīng)濟性不斷提高。 縱觀運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交，直流兩大電氣傳動并存于各個工業(yè)領域，雖然各個時期科學技術的發(fā)展使他們所處的地位，所起的作用不同，但他們始 終是隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是電力電子和微電子技術的發(fā)展，在相互競爭，相互促進中，不斷完善并發(fā)生著變化。Universal Controller。 這次設計的通用控制器其通用性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是 PID控制器結構的通用性即可以選擇單閉環(huán)，雙環(huán)，甚至三環(huán)控制，對不需要的控制只需要將該參數(shù)設置為 0；二是 PID 參數(shù)的通用性，即可以很方便的對 PID參數(shù)進行調(diào)整，以適應實際的需求。目前，電機控制專用集成電路芯片技術已經(jīng)比較成熟，電機控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得不足。而且，電機控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應用資料豐富，但是又很分散，需要花時間收集整理、分析消化，研究電機的通用控制器很有必要。 就目前的研究結果來看，理論研究基本完成，亦根據(jù)實際情況擬合出了電機轉速與占空比之間的函數(shù)關系，將這種關系應用在簡單的單閉環(huán)控制中取得了很好的效果，在不使用這種關系，亦對 PID參數(shù)進行了整定，還需要進一步檢驗 PID算法對實際電機控制的效果，提高其通用性。PID。由于歷史上最早出現(xiàn)的是直流電