計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

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課程設(shè)計(jì) 課程名稱 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐 題目名稱 基于單片機(jī)的PID電機(jī)速度調(diào)節(jié) 專業(yè)班級(jí)__ 應(yīng)用電子技術(shù)2班 _ 年 級(jí) 2011級(jí) 學(xué)生姓名 張旭楷 學(xué) 號(hào) 3111002628 指導(dǎo)教師 黃國(guó)宏 2014年6月19日 目錄 一、 PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介 2 1.1.PID算法 2 1.1.1.模擬PID 2 1.1.2.數(shù)字PID 3 1.1.3.數(shù)字PID參數(shù)整定方法 5 1.2.PWM脈沖控制技術(shù) 7 1.2.1.PWM控制的基本原理 7 1.2.2.直流電機(jī)的PWM控制技術(shù) 8 二、 設(shè)計(jì)方案與論證 10 2.1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 2.2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 11 2.3.速度采集模塊設(shè)計(jì)方案 10 2.4.顯示模塊設(shè)計(jì)方案 10 三、 單元電路設(shè)計(jì) 11 3.1.硬件資源分配 11 3.2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 11 3.3.電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì) 12 3.4.串行通信模塊 13 四、軟件設(shè)計(jì) 14 4.1.算法實(shí)現(xiàn) 14 4.1.1.PID算法 14 4.1.2.電機(jī)速度采集算法 14 4.2定時(shí)程序流程 15 五、設(shè)計(jì)要求 16 六、總結(jié) 24 一、 PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介 1.1、PID算法 控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行的控制，稱為PID控制。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(duì)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。下面分別介紹模擬PID、數(shù)字PID及其參數(shù)整定方法。 1.1.1 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1.1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(duì)象組成。 圖1.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖 PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差： =－ （1.1） 將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)對(duì)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(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效控制的目的。例如，P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器等。 模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 （1.2） 式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。 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),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。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，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。 由式1.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 （1.3） 由于本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字PID算法，所以對(duì)于模擬PID只做此簡(jiǎn)要介紹。 1.1.2、 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(lái)完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。 由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，不能對(duì)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(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。 為將模擬PID控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖1.1中、、、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、、、表示，于是式（1.1）變?yōu)?： =－ （1.4） 當(dāng)采樣周期T很小時(shí)可以用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （1.5） （1.6） 這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 （1.7） 上式中是偏差為零時(shí)的初值,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用,稱為比例（P）項(xiàng),即 （1.8） 第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分（I）項(xiàng)即 （1.9） 第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分（D）項(xiàng)即 （1.10） 這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)使用)或合并使用,常用的組合有: P控制: （1.11） PI控制: （1.12） PD控制: （1.13） PID控制: （1.14） 式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此,式（1.7）又稱為位置型PID算式。 由（1.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠?不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此對(duì)式（1.7）進(jìn)行改進(jìn)。 根據(jù)式（1.7）不難看出u(n-1)的表達(dá)式，即 （1.15） 將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 （1.16） 從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為 （1.17） 式中： 稱為比例增益； 稱為積分系數(shù)； 稱為微分系數(shù)[1]。 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1.2和1.3所示： 圖1.2 數(shù)字PID位置型控制示意圖 圖1.3 數(shù)字PID增量型控制示意圖 1.1.3、 數(shù)字PID參數(shù)整定方法 如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過(guò)程的要求來(lái)考慮。一般來(lái)說(shuō)，要求被控過(guò)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(guò)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。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是很困難的，必須根據(jù)具體過(guò)程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。 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。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。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。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。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。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。 （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(duì)象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： ①選擇一個(gè)足夠小的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。 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（）直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時(shí)的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。 ③選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 控制度＝ （1.18） 實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理 概念。通常，當(dāng)控制度為1.05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2.0時(shí)，DDC比模擬控制效果差。 ④根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、、、的值[1]。 表1.1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) 控制度 控制規(guī)律 T 1.05 PI 0.03 0.53 0.88 1.05 PID 0.014 0.63 0.49 0.14 1.20 PI 0.05 0.49 0.91 1.20 PID 0.043 0.047 0.47 0.16 1.50 PI 0.14 0.42 0.99 1.50 PID 0.09 0.34 0.43 0.20 2.00 PI 0.22 0.36 1.05 2.00 PID 0.16 0.27 0.40 0.22 （2）經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來(lái)調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進(jìn)行： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查； 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)。 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)=0，實(shí)際微分系數(shù)=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)，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。 ②取比例系數(shù)為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，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。 ③積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，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。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。 ④引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。 PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)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（3、10）之間,D在1左右。小慣量如：一個(gè)小電機(jī)閉環(huán)控制，一般P在（1、10）之間,I在（0、5）之間,D在（0.1、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。 1.2、PWM脈沖控制技術(shù) PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 1.2.1 PWM控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1.4中a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖1.4的a為矩形脈沖，圖1.4的b為三角脈沖，圖1.4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(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單位脈沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。 圖1.4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖1.5a的電路是一個(gè)具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖1.4的a、b、c、d所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設(shè)其電流為電路的輸出。圖1.5b給出了不同窄波時(shí)的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時(shí)的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅立葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同[2]。 圖1.5 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 1.2.2 直流電機(jī)的PWM控制技術(shù) 直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)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。同樣，由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷鱌WM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。 根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間T內(nèi)脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： ，若令，即為占空比，則上式可化為： (U為脈沖幅值) （1.19） 若PWM脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.20） 圖1.7 周期性PWM矩形脈沖 由式1.20可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過(guò)改變脈沖幅值U和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過(guò)控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0～U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。 二、 設(shè)計(jì)方案與論證 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過(guò)鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過(guò)控制器顯示到顯示器上。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測(cè)模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過(guò)數(shù)字PID運(yùn)算后改變PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。 圖2.1 系統(tǒng)方案框圖 2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。ULN2003A由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。 2.3 速度采集模塊設(shè)計(jì)方案 采用對(duì)射式光電傳感器。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。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。 2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)方案 采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單，功率低、硬件電路簡(jiǎn)單、可對(duì)字符進(jìn)行顯示。 三、 單元電路設(shè)計(jì) 3.1 硬件資源分配 本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見(jiàn)圖3.1所示。采用51單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，通過(guò)51的P3.3口將電脈沖信號(hào)送入單片機(jī)處理，L298作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，利用1602LCD顯示器 3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB?）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1-IN4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。其電路如圖3.3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。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3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3.3電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過(guò)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，因此速度采集電路是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見(jiàn)的光電測(cè)速方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個(gè)等分凹槽如圖3.5（a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖3.4（b）所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在P3.3的輸出端就會(huì)產(chǎn)生N個(gè)低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來(lái)計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，P3.3將輸出如圖3.5所示的脈沖，若知道一段時(shí)間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機(jī)轉(zhuǎn)速v=r/s。 (a) (b) 圖3.4 電機(jī)速度采集方案 3.4串行通信模塊 主要用于與電腦通信繪畫PID波形 四、軟件設(shè)計(jì) 4.1 算法實(shí)現(xiàn) 4.1.1 PID算法 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，對(duì)偏差進(jìn)行P、I、D運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)[10]，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為： 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4.1所示。 4.1.2 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。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= 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0.5s，則速度計(jì)算具體程序流程如圖4.2所示。 4.2定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器T0中斷子程序是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算，其程序流程如圖4.5所示。 五、設(shè)計(jì)要求 5.1選用哪種PID結(jié)構(gòu)，為什么？ 選用PI結(jié)構(gòu)，因?yàn)镻I結(jié)構(gòu)綜合了P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好的減小超調(diào)、消除穩(wěn)態(tài)誤差。由于在本次PID整定過(guò)程中，PI結(jié)構(gòu)已滿足系統(tǒng)要求，所以采用PI結(jié)構(gòu)。 5.2 通過(guò)波形圖說(shuō)明PID算法參數(shù)整定規(guī)程 （1）【P結(jié)構(gòu)】V=60r/s,kp=0.5,靜差=2，超調(diào)=5 v=60r/s kp=0.81。超調(diào)=3 靜差=1。 （2）【PI結(jié)構(gòu)】系統(tǒng)超調(diào)基本消除，但存在靜差，因此需要加入積分環(huán)節(jié)。先設(shè)Ki為一較大值，并將Kp縮小。V=60r/s, kp=0.72，ki=0.02。 （3）【PID結(jié)構(gòu)】加入微分環(huán)節(jié)后。Kp=0.72，ki=0.2，kd=0.1。系統(tǒng)出現(xiàn) Kp=0.72，ki=0.2，kd=0.2。系統(tǒng)出現(xiàn)靜差，靜差=1 5.3 比較控制算法分別采用P、PI、PD、PID，控制效果的不同之處。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 　　比例（P）控制 　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 　　積分（I）控制 　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 　　微分（D）控制 　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入?“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 5.4 系統(tǒng)加入D和不加入D的不同之處。 對(duì)于具有較大慣性轉(zhuǎn)速或者之后去的對(duì)象，系統(tǒng)加入D之后，明顯的減小了振蕩，減小了調(diào)節(jié)時(shí)間，使得系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。不加入D的話，當(dāng)系統(tǒng)較大慣性或滯后的被控對(duì)象，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)近似等幅振蕩，無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。但是一般合理的轉(zhuǎn)速區(qū)間則影響不大。 六、總結(jié) 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。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、數(shù)字PID算法等進(jìn)行深入的研究。完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件方面利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，增強(qiáng)了程序的可移植性和靈活性并且保證了程序的準(zhǔn)確性。 歸納起來(lái)主要做了如下幾方面的工作： 1、 PID算法與PWM控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合； 2、 設(shè)計(jì)了速度檢測(cè)電路； 3、 利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì) 4、 根據(jù)上面論述結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。 通過(guò)此次設(shè)計(jì)，掌握了數(shù)字PID算法的使用及編程方法，學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)技巧。 20