【正文】 ith society39。 （ 1)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電子電路和控制軟件流程及源代碼。 （ 3)穩(wěn)壓管設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速到脈沖信號的轉(zhuǎn)換采用光電傳感器或霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)。 題目分析 根據(jù)題目要求要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的位置控制那么就必須實(shí)現(xiàn)位置的采集和反饋等基本功能，對于位置信息我們用角度來實(shí)現(xiàn)。 二、 系統(tǒng)方案 方 案選擇 調(diào) 節(jié) 器 驅(qū) 動 電 路 直 流 電 機(jī)傳 感 器+ 圖 1 系統(tǒng)方案圖 模型設(shè)計(jì) 直流電機(jī)模型建立： 電機(jī)方程： (1) 5 (2) ； 通過拉普拉斯變換可得 ， 直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為： (3) (4) 驅(qū)動電路模型： 由于采用的是 L293D 驅(qū)動模塊即為 H 橋電路，所以有 (5) 6 所以驅(qū)動電路的傳遞函數(shù)為： (6) 所以可 以得到整個(gè)結(jié)構(gòu)圖為： r(t) e(t) ＋ － 圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 三、系統(tǒng)硬件選擇 直流電機(jī) 直流電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電流在通過電機(jī)轉(zhuǎn)子上的線圈時(shí)產(chǎn)生洛倫磁力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，線圈受到的磁場方向改變，而此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，線圈上的電流方向改變，產(chǎn)生的洛倫磁力方向不變，電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動。這就是正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的原理。 我們通過 PWM 改變電壓來調(diào)速，從而達(dá)到位置控制的目的。 PID C(t) 7 工作電壓 參數(shù) 直流 3V 直流 5V 電機(jī) (不加齒輪箱 ) 轉(zhuǎn)速 5000 轉(zhuǎn) /分 電流 80100mA 齒輪箱 減速比 256 空載轉(zhuǎn)速 20 轉(zhuǎn) /分 32 轉(zhuǎn) /分 負(fù)載轉(zhuǎn)速 14 轉(zhuǎn) /分 22 轉(zhuǎn) /分 輸出扭矩 1kg cm 輪胎直徑 電流 110130mA 120140 mA 重量 50kg 外形尺寸（ mm） 70*22*18 噪音 65db 表 1 直流電機(jī)參數(shù) 主控制芯片方案的選擇 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM ），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位 央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大。同時(shí)， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。使用該電路結(jié)構(gòu)簡單，程序較為簡單；但是該電路顯示內(nèi)容有限，占用 IO 口資源較多。它由若干個(gè) 5X7 或者 5X11 等點(diǎn) 陣 字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运? 不能很好地顯示圖形（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好）。 我們選用 LED 進(jìn)行顯示 。 L298 內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。 在對直流電動機(jī)電壓的控制和驅(qū)動中，半導(dǎo)體功率器件（ L298）在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。 優(yōu)點(diǎn)：控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小。 方案二： 用 L293D 進(jìn)行驅(qū)動。該芯片采用 16 引腳封裝。內(nèi)含兩個(gè) H 橋高電壓大電流全橋式驅(qū)動電路，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載； 與 L298 相比 L293d 的散熱比 L298 好所以選擇 L293D 穩(wěn)壓模塊的 選擇 LM7805 是常用的三端穩(wěn)壓器 ， 一般使用的是 TO220 封裝，能提供 DC 5V 的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。 在這里我們用 Lm7805 給單片機(jī)供電。由于 光電碼盤 與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以平均每格為 18 度。與反射式光電開關(guān)不同之處在于，前者是通過電 光 電的9 轉(zhuǎn)換，而后者是通過介質(zhì)完成。 四、系統(tǒng)仿真 將選擇硬件參數(shù)代入模型可得，傳遞函數(shù)為： 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： （ 7） 仿真電路圖： 圖 3 未校正時(shí)仿真電路圖 仿真結(jié)果： 10 比 例微 分積 分 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 對 象r ( t )+++u ( t )c ( t )e ( t ) 圖 4 仿真結(jié)果 由仿真結(jié)果可得，波形不符合要求，所以引入 PID 算法進(jìn)行校正。目前提出的控制算法有很多。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當(dāng) 多 工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最 為廣泛 的控制算法 之一 。 模擬 PID 在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)由 模擬 PID 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對象組成。在實(shí)際應(yīng) 用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將 P、 I、 D基本控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)組合，以達(dá)到對被控對象進(jìn)行有效控制的目的。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0 dttdeTdtteTteKtu DtIp??? ? （ 9） 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)。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(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度， 減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 數(shù)字 PID 在 DDC 系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來完成的。 由于計(jì)算機(jī)只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算，故 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。 因此 ,式 （ ） 又稱為位置型 PID 算式。 根據(jù)式 （ ） 不難看出 u(n1)的表達(dá)式，即 011 })]2()1([)()1({)1( uneneTTneTTneKnu niDIP????????? ??? （ 22） 將式 （ ） 和式 （ ） 相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為 )1()()( ???? nununu 13 P I D位 置 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t )P I D增 量 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t ))]2()1(2)([)()]1()([ ????????? neneneKneKneneK DIP （ 23） 從上式可得數(shù)字 PID 位置型控制算式為 )(nu 0)]2()1(2)([)()]1()([ uneneneKneKneneK DIP ?????????? （ 24） 式中： PK 稱為比例增益； IPI TTKK ? 稱為積分系數(shù)； TTKK DPD ?稱為微分系數(shù) 。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量 小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。當(dāng)然，這是一種近似14 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)際問題。 （ 1） 擴(kuò)充臨界比例度法 這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。 ② 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時(shí)，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度 ? （ PK/1?? ）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時(shí)的臨界比例度 K? 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期kT 。 控制效果的評價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積??0 2 )(te 表示。通常，當(dāng)控制度 為 時(shí)，就可以認(rèn)為 DDC 與模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度為 時(shí)， DDC 比模擬控制效果差。 表 2 擴(kuò)充臨界比例