基于单片机和PID算法的直流电机调速设计毕业论文Word文档格式.docx
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基于单片机和PID算法的直流电机调速设计毕业论文Word文档格式.docx
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即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据偏差的比例、积分、微分进行控制的。
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
在积分控制中,控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
因此在运动控制系统中PID控制技术应用更为广泛,是机器人等高技术领域的技术基础,它可以对运动部件的位置、速度等进行实时控制管理,使其符合相应的控制要求。
被广泛应用于汽车制造、医疗、铁道运输、航天航空、钢铁生产等领域,并受到各行各业地重视。
其中电机速度的控制在运动控制理论中占有至关重要的作用,本设计主要应用数字PID算法,利用PWM调制技术实现电机转速的控制。
随着社会的发展用户对其性能提出了越来越高的要求,借助于数字和网络技术的智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面,各种新技术的应用也大大提高了运动控制系统的性能,高频化、交流化和网络化成为今后的发展方向。
本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的应用,纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机,在不同的生产过程中,电机的运行状态要满足生产要求,其中电机速度的控制在占有至关重要的作用,因此本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。
其设计思路为:
以AT89S51单片机为控制核心,产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。
同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中,构成转速闭环控制系统,达到转速无静差调节的目的。
在系统中采128×
64LCD显示器作为显示部件,通过4×
4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制,启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。
因此该系统在硬件方面包括:
电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。
软件部分采用C语言进行程序设计,其优点为:
可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。
本次设计系统的主要特点:
(1)优化的软件算法,智能化的自动控制,误差补偿;
(2)使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率,比较精确的反映出电机的转速,从而与设定值进行比较产生偏差,实现比例、积分、微分的控制,达到转速无静差调节的目的;
(3)使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开,使系统更加安全可靠;
(4)128×
64LCD显示模块提供一个人机对话界面,并实时显示电机运行速度和运行时间;
(5)利用Proteus软件进行系统整体仿真,从而进一步验证电路和程序的正确性,避免不必要的损失;
(6)采用数字PID算法,利用软件实现控制,具有更改灵活,节约硬件等优点;
(7)系统性能指标:
超调量
8%;
调节时间
4s;
转速误差
1r/min。
1PID算法及PWM控制技术简介
1.1PID算法
控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分,整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。
目前提出的控制算法有很多。
根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的控制,称为PID控制。
实际经验和理论分析都表明,PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求,至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。
下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。
1.1.1模拟PID
在模拟控制系统中,调节器最常用的控制规律是PID控制,常规PID控制系统原理框图如图1.1所示,系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。
图1.1模拟PID控制系统原理框图
PID调节器是一种线性调节器,它根据给定值
与实际输出值
构成的控制偏差:
=
-
(1.1)
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称为PID调节器。
在实际应用中,常根据对象的特征和控制要求,将P、I、D基本控制规律进行适当组合,以达到对被控对象进行有效控制的目的。
例如,P调节器,PI调节器,PID调节器等。
模拟PID调节器的控制规律为
(1.2)
式中,
为比例系数,
为积分时间常数,
为微分时间常数。
简单的说,PID调节器各校正环节的作用是:
(1)比例环节:
即时成比例地反应控制系统的偏差信号
偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减少偏差;
(2)积分环节:
主要用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数
,
越大,积分作用越弱,反之则越强;
(3)微分环节:
由式1.2可得,模拟PID调节器的传递函数为
(1.3)
由于本设计主要采用数字PID算法,所以对于模拟PID只做此简要介绍。
1.1.2数字PID
在DDC系统中,用计算机取代了模拟器件,控制规律的实现是由计算机软件来完成的。
因此,系统中数字控制的设计,实际上是计算机算法的设计。
由于计算机只能识别数字量,不能对连续的控制算式直接进行运算,故在计算机控制系统中,首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。
为将模拟PID控制规律按式(1.2)离散化,我们把图1.1中
、
在第n次采样的数据分别用
表示,于是式(1.1)变为:
(1.4)
当采样周期T很小时
可以用T近似代替,
可用
近似代替,“积分”用“求和”近似代替,即可作如下近似
(1.5)
(1.6)
这样,式(1.2)便可离散化以下差分方程
(1.7)
上式中
是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例(P)项
即
(1.8)
第二项起积分控制作用,称为积分(I)项
即
(1.9)
第三项起微分控制作用,称为微分(D)项
(1.10)
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:
P控制:
(1.11)
PI控制:
(1.12)
PD控制:
(1.13)
PID控制:
(1.14)
式(1.7)的输出量
为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。
因此,式(1.7)又称为位置型PID算式。
由(1.7)可看出,位置型控制算式不够方便,这是因为要累加偏差
不仅要占用较多的存储单元,而且不便于编写程序,为此对式(1.7)进行改进。
根据式(1.7)不难看出u(n-1)的表达式,即
(1.15)
将式(1.7)和式(1.15)相减,即得数字PID增量型控制算式为
(1.16)
从上式可得数字PID位置型控制算式为
(1.17)
式中:
称为比例增益;
称为积分系数;
称为微分系数[1]。
数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图1.2和1.3所示:
图1.2数字PID位置型控制示意图
图1.3数字PID增量型控制示意图
1.1.3数字PID参数整定方法
如何选择控制算法的参数,要根据具体过程的要求来考虑。
一般来说,要求被控过程是稳定的,能迅速和准确地跟踪给定值的变化,超调量小,在不同干扰下系统输出应能保持在给定值,操作变量不宜过大,在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
显然,要同时满足上述各项要求是很困难的,必须根据具体过程的要求,满足主要方面,并兼顾其它方面。
PID调节器的参数整定方法有很多,但可归结为理论计算法和工程整定法两种。
用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型,这在工业过程中一般较难做到。
因此,实际用得较多的还是工程整定法。
这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型,简单易行。
当然,这是一种近似的方法,有时可能略嫌粗糙,但相当适用,可解决一般实际问题。
下面介绍两种常用的简易工程整定法。
(1)扩充临界比例度法
这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。
使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是:
①选择一个足够小的采样周期,具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。
②用选定的采样周期使系统工作:
工作时,去掉积分作用和微分作用,使调节器成为纯比例调节器,逐渐减小比例度
(
)直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态,记下此时的临界比例度
及系统的临界振荡周期
。
③选择控制度:
所谓控制度就是以模拟调节器为基准,将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。
控制效果的评价函数通常用误差平方面积
表示。
控制度=
(1.18)
实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积,控制度仅表示控制效果的物理
概念。
通常,当控制度为1.05时,就可以认为DDC与模拟控制效果相当;
当控制度为2.0时,DDC比
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