直流電機調速計算機控制技術課程設計.doc

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計算機控制技術課程設計 評語： 考勤10分 守紀10分 過程30分 設計報告30分 答辯20分 總成績(100分) 專 業(yè)： 自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 2016 年 07 月 15 日 直流電機調速系統(tǒng)設計 1設計目的 本課程設計是在修完《計算機控制技術A》課程之后，為加強對學生系統(tǒng)設計和應用能力的培養(yǎng)而開設的綜合設計訓練環(huán)節(jié)。本課程設計結合《計算機控制技術A》課程的基礎理論，重點強調實際應用技能訓練，包括計算機控制系統(tǒng)算法軟件和硬件設計。其課程設計任務是使學生通過應用計算機控制技術的基本理論，基本知識與基本技能，掌握計算控制技術中各主要環(huán)節(jié)的設計、調試方法，初步掌握并具備應用計算機進行設備技術改造和產品開發(fā)的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。 2 設計方法 設計一個直流電機系統(tǒng)，合理選擇PID控制規(guī)律，掌握被控對象參數檢測方法、H橋驅動的功能、旋轉編碼器的功能、單片機PWM控制波形輸出方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應用能力，進而提高解決實際工程問題的能力。直流電機調速系統(tǒng)是以電機轉速作為變量，單片機根據采集電機轉速的測量值與設定值的偏差去控制PWM波形的脈寬，從而改變直流電機兩端的電壓，達到控制轉速的目的。直流電機調速系統(tǒng)由單片機、直流電機、光電式旋轉編碼器、H橋驅動、LCD顯示屏等及相關電路組成。 3 設計方案及原理 3.1系統(tǒng)功能介紹 整個控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送組成，在本次控制系統(tǒng)中控制器為單片機，采用算法為PID增量算法控制規(guī)律，執(zhí)行器為H橋驅動電路，測量變送器為光電式旋轉編碼器，被控對象為直流電機。然后通過單片機對數據進行處理，控制轉速的大小和正反轉。 3.2系統(tǒng)組成總體結構 計算機控制系統(tǒng)由控制計算機系統(tǒng)和生產過程兩大部分組成?？刂朴嬎銠C是指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機系統(tǒng)，它可以根據系統(tǒng)的規(guī)模和要求選擇或設計不同種類的計算機。計算機控制系統(tǒng)基本結構如圖1所示。 圖1 計算機控制系統(tǒng)基本結構 直流電機調速系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。 圖2 直流電機調速系統(tǒng)基本結構 3.3直流電機調速系統(tǒng)的實現 本系統(tǒng)中轉速的值由一定時間內的脈沖數來表示。給單片機輸入一個給定脈沖數值，可由按鍵增減給定值，單片機輸出PWM后經過三極管放大電路和H橋驅動，然后傳給直流電機，從電機轉速輸入到光電式旋轉編碼器，編碼器將檢測到的實際脈沖數輸入到單片機中，最后，在單片機中根據脈沖的的前三個時刻的偏差值，利用PID增量型控制程序程序算法得到控制增量，將控制增量給單片機，產生對應的脈寬PWM波形控制電機兩端的電壓，從而達到調速目的。最后在LCD顯示電路中顯示出來。 4硬件設計 硬件電路由開關控制模塊、單片機、晶振電路、顯示電路、驅動電路電路、直流電機、旋轉編碼器組成。硬件總體框圖如圖3所示。 圖3 硬件總體框圖 4.1主控芯片AT89C52 89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準的MCS-51的HCMOS產品。它結合了CMOS的高速和高密度技術及CMOS的低功耗特征，它基于標準的MCS-51單片機體系結構和指令系統(tǒng)，屬于89C51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應用場合。89C52內置8位中央處理單元、512字節(jié)內部數據存儲器RAM、8k片內程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。 4.2 H橋驅動的選擇 H橋（H-Bridge), ，即全橋（因外形與H相似故得名），通過開關的開合，將直流電（來自電池等）逆變?yōu)槟硞€頻率或可變頻率的交流電或直流開關電源的斬波，從而用于驅動電機。本系統(tǒng)采用四個三極管放大功率以控制NMOSFET管H橋。三極管選用FAIRCHILD公司的2N5210。它是NPN型低噪聲、高增益的通用放大器，當集電極電流從1A到5mA時，它是一個通用放大電路。NMOSFET管選用ON半導體公司的NTD18N06L，它是低電壓，高速度開關應用電力用品，可用于轉換器和功率電機控制和橋電路，開啟電壓最低為1V，最大為2V。 4.3 直流電機的選擇 直流電機選用KINGLYMOTOR公司的直流碳刷微型電機JRS-385 RA/SA，使用范圍為DC 4~20V，額定電壓為DC 12V，額定轉速為14000r/min，額定電流為0.15A，起動電流為1A。 4.4 光電式旋轉編碼器的選擇 旋轉編碼器是用來測量轉速并配合PWM技術可以實現快速調速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出（REP）。本例中我選擇了東莞市林積為公司的內密控157線增量式旋轉編碼器，編碼器每圈產生的脈沖數為157。 4.5 轉速顯示電路的選擇 為方便對轉速大小的直觀印象，決定使用顯示一定時間內單片機捕捉的脈沖數來表示轉速。為此該系統(tǒng)選擇了LCD1602液晶顯示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。 5 PID算法及軟件設計 5.1 PID算法分析 數字PID控制是在實驗研究和生產過程中采用最普遍的一種控制方法，在電機轉速控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。 圖4 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖 根據給定轉速r(t)與實際轉速c(t)構成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后將偏差按比例、積分、微分，通過線性組合構成控制量，控制被控對象，控制規(guī)律為： 其中，Kp是比例系數，Ti是積分時間，Td是微分時間。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應速度越快系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度變慢，從而延長調節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但Ti過小，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。若Ti過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。 3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但Td過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 該直流電機轉速系統(tǒng)采用單片機來控制，其PID控制規(guī)律采用增量式，差分方程如下： 其中，K為采樣信號，u(k)是第K次時計算機輸出值，e(k)是第K次采用輸入差值，e(k-1)為第K-1次采用輸出偏差值。 把捕獲的脈沖數與設定值相比，便可得到兩者的偏差，然后經過PID的運算，得到控制器的輸出量，調整PWM的脈寬，來改變轉速。 6系統(tǒng)仿真及實際調試 6.1 MATLAB程序與仿真 見附錄1。 6.2 PROTEUS程序與仿真 見附錄2。 7總結 根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制（簡稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經驗和理論的分析都表明。這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能達到滿意的效果。不過，用計算機實現PID控制不是簡單地把PID控制規(guī)律數字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結合，使PID控制更加靈活。在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分、用后相差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭? 在控制系統(tǒng)中，每個采樣周期，控制器輸出的控制量，是相對于上次控制量的增加，此時控制器應采用數字PID增量式控制算法。通過此次設計，我掌握了直流電機調速控制系統(tǒng)的構成，知道它最基本的部分有控制器、調節(jié)器、被控對象和測量變送組成。并且學會了如何去設計一個過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設計步驟，認知被控對象、設計控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、參數整定、設計系統(tǒng)流程圖，掌握MATLAB仿真和PROTEUS的硬件仿真和設計。這次課程設計令我受益匪淺。 參考文獻 [1]李華.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007. [2]阮毅.電力拖動自動控制系統(tǒng) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2003. [3]姜香菊.傳感器原理及應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2015. [4]薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設計 [M].北京：清華大學出版社，2012. [5]王思明.單片機原理與應用系統(tǒng)設計 [M].北京：科學出版社，2012. [6]童詩白.模擬電子技術基礎 [M].北京：高等教育出版社，1980. 附錄1 MATLAB程序與仿真 圖5 電機調速的PID增量仿真模型 圖6 電機調速的PID增量仿真結果 附錄2 PROTUES程序與仿真 圖7 電機調速的硬件示意圖 PID增量算法程序如下： int PID() //增量式PID { int change; err_now = set - now; err_bef = set - bef; err_bbef = set - bbef; change = kp*(err_now - err_bef) + ki*err_now + kd*(err_now - 2*err_bef + err_bbef); if(change > 0) { printchar(1,10,+); printuint(1,11,4,change); } else if(change < 0) { printchar(1,10,-); printuint(1,11,4,-change); } else if(change == 0) { printchar(1,10, ); printword(1,11," 0 "); } return(change); } 附錄3 直流電機調速系統(tǒng)流程圖