【正文】 set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect, so the analog PID controller barely has satisfied effect. With the development of puter technology and intelligent control theory , the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID39。s rotate speed. Meanwhile, the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM, this process implements rotate speed39。s astatic this system, the 12864 LCD is used as display unit , the 44 keyboard sets those four parameters P、 I、 D、 V and obverse and reverse control, after starting up, the display unit shows the electromotor39。 但教學設備滯后于新技術的發(fā)展，為此，需要學習掌握先進的控制技術，改進教學設備，以提升教學設備性能、檔次。隨著科技的進步，人們對生活舒適性的追求將越來越高， PID 控制技術作為一項具有發(fā)展前景和影響力的新技術，正越來越受到國內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。當被控對象的結(jié)構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型 時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的積分成正比關系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項 ”。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著 時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 因此在運動控制系統(tǒng)中 PID 控制技術應用更為廣泛，是機器人等高技術領域的技術基礎，它可以對運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，使其符合相應的控制要求 。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 2 本設計特點 本次設計系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電動機驅(qū)動模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機交互模塊。 本次設計系統(tǒng)的主要特點： （ 1） 優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償； （ 2） 使用光電編碼器將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，比較精確的反映出電動機的轉(zhuǎn)速，從而與設定值進行比 較產(chǎn)生偏差，實現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的； （ 3） 采用光電耦合器使主電路和控制電路實現(xiàn)光電隔離，使系統(tǒng)更加安全可靠； （ 4） 1602 顯示模塊、 4*4 鍵盤控制模塊提供了人機對話界面，實時顯示電動機運行速度及參數(shù)的設置修改； （ 5） 利用 Proteus 軟件進行系統(tǒng)整體仿真，從而進一步驗證電路和程序的正確性，避免不必要的損失； （ 6） 采用數(shù)字 PID 算法，利用軟件實現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點； （ 7） 系統(tǒng)性能指標：超調(diào)量 ? 8％； 調(diào)節(jié)時間 ? 4s； 轉(zhuǎn)速誤差 ? ? 1r/min。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。這 里所說的效果基本相同，是指 基本相同的 環(huán)節(jié)的輸出響應波形。 圖 21 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 例如圖 21 中 a、 b、 c 所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 21 的 a 為矩形脈沖，圖 21 的 b 為三角脈沖，圖 21 的 c 為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。 圖 22 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 圖 22a 的電路是一個具體的例子。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL 電路上，設f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 4 U ( t )0tTt 0U其電流 i(t)為電路的輸出。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，脈沖形狀不同時 i(t)的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。如果周期性的施加上述脈沖，則響應 i(t)也是周期性的。 直流電機的 PWM 控制技術 直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。但在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)具有下列優(yōu)點：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。正因為直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制 ( PWM) 技術得到了飛速的發(fā)展。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微型計算機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。下面主要介紹直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。 M 法測速的實現(xiàn) 在系統(tǒng)中，使用單片機的 T/C0 和 T/C1 分別記數(shù)高頻時鐘脈沖個數(shù) M2和同時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的 脈沖個數(shù) M1。 T/C0溢出中斷后，記錄 T/C1 的數(shù)值 M1，并將單片機 PB0 清零，延時 5 個時鐘之后，置位PB0 口后重新開始記數(shù)，再次溢出中斷時：如果測速容許，再次記錄 T/C1 的數(shù)值 M1，否則將單片機 PB0 清零，延時之后置位 PB0 口，重新記數(shù)。那么，電動機的轉(zhuǎn)速為： 10260 Mfn pM? （ 23） 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 6 式中 f0———— 高頻時鐘頻率 4106HZ P—— 旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù) 1024 M2———— 高頻時鐘脈沖個數(shù) 64 PID 算法 控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。下面說明數(shù)字 PID 及其參數(shù)整定方法。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計 ， 對控制規(guī)律進行離散化 的算法設計。因此 ,式（ 27）又稱為位置型 PID 算式。 根據(jù)式（ 27）不難看出 u(n1)的表達式，即 011 })]2()1([)()1({)1( uneneTTneTTneKnu niDIP????????? ??? （ 215） 由公 式（ 27）和式（ 215）相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為 )1()()( ???? nununu )]2()1(2)([)()]1()([ ????????? neneneKneKneneK DIP （ 216） 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 ?????????? （ 217） 式中 KP——比例增益 KI————積分系數(shù) KD————微分系數(shù) 數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型 示意圖分別如圖 25 和 26 所示： 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 8 P I D增 量 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 圖 25 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 圖 26 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化， 小 超調(diào)量，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值， 不宜過大的 操作變量，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。 以能獲得被控對象準確的數(shù)學模型為前提 用理論計算法設計調(diào)節(jié)器，這在工業(yè)過程中一般較難做到。 本設計用的是經(jīng)驗法。經(jīng)驗法的整定步驟： （ 1） 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) KI=0，實際微分系數(shù) KD=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù) KP，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。 （ 3） 積分系數(shù) KI保持不變，改變比例系數(shù) KP，觀察控 制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) KP和積分系數(shù) KI為止。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調(diào)整，直到控制過程滿意為止。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。 本實驗裝置采用經(jīng)驗法，通過實驗數(shù)據(jù)或曲線，修改 PID 參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)控制。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。 圖 21 系統(tǒng)方案框圖 12864LCD 4*4 鍵盤 AT89S51 L298N 直流電動機 電流檢測 速度檢測 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 10 控制器模塊設計方案 根據(jù)設計任務，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖，并對電機當前速度進行采集處理，根據(jù)算法得出當前所需輸出的占空比脈沖。 AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性 能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。 GN*：接地。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。當 P0 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼 輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部 接上拉 10K 電阻 。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 11 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 和 作為光電編碼器的信號輸入口。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖 。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于