计算机控制技术课程设计报告.docx

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计算机控制技术课程设计报告

课程设计

课程名称计算机控制系统综合设计与实践

题目名称基于单片机的PID电机速度调节

专业班级__应用电子技术2班_

年级2011级

学生姓名张旭楷

学号

指导教师黄国宏

2014年6月19日

一、PID算法及PWM控制技术简介2

1.1.PID算法2

1.1.1.模拟PID2

1.1.2.数字PID3

1.1.3.数字PID参数整定方法5

1.2.PWM脉冲控制技术7

1.2.1.PWM控制的基本原理7

1.2.2.直流电机的PWM控制技术8

二、设计方案与论证10

2.1.系统设计方案10

2.2.电机驱动模块设计方案11

2.3.速度采集模块设计方案10

2.4.显示模块设计方案10

三、单元电路设计11

3.1.硬件资源分配11

3.2.电机驱动电路设计11

3.3.电机速度采集电路设计12

3.4.串行通信模块13

四、软件设计14

4.1.算法实现14

4.1.1.PID算法14

电机速度采集算法14

4.2定时程序流程15

五、设计要求16

六、总结24

一、PID算法及PWM控制技术简介

1.1、PID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：

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。

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）项即

（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比模拟控制效果差。

④根据选定的控制度，查表1.1求得T、、、的值[1]。

表1.1扩充临界比例度法整定参数

控制度

控制规律

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）经验法

经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整P、I、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：

参数整定找最佳，从小到大顺序查；

先是比例后积分，最后再把微分加；

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；

曲线偏离回复慢，积分时间往下降；

曲线波动周期长，积分时间再加长；

曲线振荡频率快，先把微分降下来；

动差大来波动慢，微分时间应加长。

下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：

①让调节器参数积分系数=0，实际微分系数=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。

②取比例系数为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。

③积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。

否则，将原比例系数增大一些，再调整积分系数，力求改善控制过程。

如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。

④引入适当的实际微分系数和实际微分时间，此时可适当增大比例系数和积分系数。

和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。

PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。

大惯量如：

大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I在（3、10）之间,D在1左右。

小惯量如：

一个小电机闭环控制，一般P在（1、10）之间,I在（0、5）之间,D在（0.1、1）之间,具体参数要在现场调试时进行修正。

1.2、PWM脉冲控制技术

PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

1.2.1PWM控制的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

例如图1.4中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1.4的a为矩形脉冲，图1.4的b为三角脉冲，图1.4的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。

当窄脉冲变为如图1.4的d所示的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

图1.4形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图1.5a的电路是一个具体的例子。

图中为窄脉冲，其形状和面积分别如图1.4的a、b、c、d所示，为电路的输入。

该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流为电路的输出。

图1.5b给出了不同窄波时的响应波形。

从波形可以看出，在的上升段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。

脉冲越窄，各波形的差异也越小。

如果周期性的施加上述脉冲，则响应也是周期性的。

用傅立叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同[2]。

图1.5冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

1.2.2直流电机的PWM控制技术

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。

直流电动机的转速调节主要有三种方法：

调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。

针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。

例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。