基于數(shù)字PID的電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 院專(zhuān) 業(yè)學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目基于數(shù)字pid的電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1） 構(gòu)成電機(jī)速度控制系統(tǒng)2） 硬軟件設(shè)計(jì)3） 實(shí)驗(yàn)調(diào)試4） thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5） 撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:1） 第12天，查閱文獻(xiàn)，構(gòu)成電機(jī)速度控制系統(tǒng)2） 第34天，硬軟件設(shè)計(jì)3） 第56，實(shí)驗(yàn)調(diào)試 4）第79天，thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 5）第10天，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：201 年 月 日目錄1電機(jī)硬件控制電路21.1硬件電路器件選型21.2 硬件電路設(shè)計(jì)方案21.3 硬件電路

2、的pcb設(shè)計(jì)42 pid控制算法52.1 比例、積分、微分控制52.2 pid控制器的參數(shù)整定73 基于數(shù)字pid控制程序的設(shè)計(jì)73.1 數(shù)字pid與模擬pid控制算法73.2 數(shù)字pid控制程序84總 結(jié)8附錄9參考文獻(xiàn)12摘 要在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)pid控制，又稱(chēng)pid調(diào)節(jié)。pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid

3、控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。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。pid控制算法分為模擬pid和數(shù)字pid兩種。模擬pid就是在現(xiàn)場(chǎng)安裝的利用ddzii或者ddziii型表再加上其他氣動(dòng)儀表的模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制變量的模擬信號(hào)利用旋鈕或撥盤(pán)對(duì)pid的三個(gè)值進(jìn)行設(shè)定對(duì)或者手動(dòng)控制輸出的系統(tǒng)，其信號(hào)均為模擬信號(hào)。數(shù)字pid就是把現(xiàn)場(chǎng)的控制變量的模擬信號(hào)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)受控變量的輸出信號(hào)均轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)，pid的實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)數(shù)字信號(hào)的設(shè)定來(lái)完

4、成的?，F(xiàn)在大多在dcs、plc系統(tǒng)內(nèi)完成的。本設(shè)計(jì)是基于數(shù)字pid的電機(jī)調(diào)速計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的電機(jī)對(duì)其pid控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的整定從而使電機(jī)工作以更高的效率、更好的調(diào)速性能工作！關(guān)鍵詞：系統(tǒng)參數(shù)；數(shù)字pid；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1電機(jī)硬件控制電路1.1 硬件電路器件選型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)器件選擇英飛凌公司的bts7960。bts7960 是 novalithic 家族三個(gè)獨(dú)立的芯片的一部分:一是 p 型通道的高電 位場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 二是一個(gè) n 型通道的低電位場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 結(jié)合一個(gè)驅(qū)動(dòng)晶片, 形成一個(gè)完全整合的高電流半橋。所有三個(gè)芯片是安裝在一個(gè)共同的引線(xiàn)框,利 用芯片對(duì)芯片和芯片芯

5、片技術(shù)。 電源開(kāi)關(guān)應(yīng)用垂直場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)來(lái)確保最佳的阻 態(tài)。由于 p 型通道的高電位開(kāi)關(guān)，需要一個(gè)電荷泵消除電磁干擾。通過(guò)驅(qū)動(dòng)集成 技術(shù)，邏輯電平輸入、電流取樣診斷、轉(zhuǎn)換速率調(diào)整器，失效發(fā)生時(shí)間、防止欠 電壓、過(guò)電流、短路結(jié)構(gòu)輕易地連接到一個(gè)微處理器上。bts7960 可結(jié)合其他的 bts7960 形成全橋和三相驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。1.2 硬件電路設(shè)計(jì)方案電機(jī)控制從控制方法上可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。開(kāi)環(huán)控制在用法上比較簡(jiǎn)單，只需考慮輸出，不需要反饋信號(hào)，使用上比較簡(jiǎn)單，但是其缺點(diǎn)是速度控制的精度比較低，不能適應(yīng)不同的賽道環(huán)境。另外一種為閉環(huán)控制，電機(jī)的速度控制信號(hào)輸出由需要的速度和電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速二

6、者決定，即需要對(duì)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集和反饋。這種做法的好處是控制精度比較高，電機(jī)調(diào)速性能比較理想。通常情況下的電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，是通過(guò)軟件的自動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)的，需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給s12，通過(guò)軟件上的自動(dòng)控制算法，由需要的速度同實(shí)際的速度的偏差，給出糾正值，達(dá)到對(duì)速度的穩(wěn)定控制。但是這樣一來(lái)將會(huì)增加s12的負(fù)擔(dān)。而我們的智能車(chē)?yán)胏cd進(jìn)行識(shí)別，使微控制器更多的關(guān)注圖像的采集及處理是我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)一直注意的問(wèn)題。因此我們?cè)陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)電路上下了很大的功夫，最終確定了一種硬件的閉環(huán)控制方案。這種方案使用了光電編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)完成電機(jī)速度信號(hào)的采集。測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的電壓大小表征了電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這

7、一電壓同s12輸出的pwm信號(hào)的積分值進(jìn)行比較，由它們的偏差控制電機(jī)該加速還是減速。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上，我們用mos管作為分立元件搭建了h橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖1.1所示,簡(jiǎn)化h橋驅(qū)動(dòng)電路如圖1.2所示。通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)，可以讓電機(jī)處于多種模式下工作，經(jīng)過(guò)在賽道上對(duì)賽車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)的加減速效果很好，完全可以滿(mǎn)足賽車(chē)對(duì)不同賽道加減速的要求，可以達(dá)到對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制要求。電機(jī)的工作模式如表1所示。圖1.1 驅(qū)動(dòng)電路原理圖圖1.2 h橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路表1 電機(jī)工作模式模式(nenable = 0):hin1nlin1hin2nlin20, 自由正轉(zhuǎn)模式 1, 自由反轉(zhuǎn)模式2, 帶制動(dòng)的正轉(zhuǎn)模式3, 帶制動(dòng)的反轉(zhuǎn)模式

8、4, 雙極驅(qū)動(dòng)的正轉(zhuǎn)模式5, 雙極驅(qū)動(dòng)的反轉(zhuǎn)模式6, 全速前進(jìn)7, 停止(剎車(chē))nenable = 1pwmlpwmnpwm pwmnpwmhllhnpwmpwmnpwmpwmnpwmhlhlhl hnpwmpwmllllhlhnpwmpwm llh1.3 硬件電路的pcb設(shè)計(jì)圖1.3 驅(qū)動(dòng)電路pcb圖1.4 驅(qū)動(dòng)電路pcb2 pid控制算法2.1 比例、積分、微分控制pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其輸入e(t）與輸出u(t）的關(guān)系為： u(t)=kpe(t)+1/tie(t)dt+td*de(t)/dt式中積分的上下限分別是0和t。因此它的傳遞函數(shù)為：g(

9、s)=u(s)/e(s)=kp1+1/(ti*s)+td*s其中kp為比例系數(shù)；ti為積分時(shí)間常數(shù)；td為微分時(shí)間常數(shù)。圖1.1 pid控制的方塊圖比例（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。 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(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)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

10、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

11、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。 2.2 pid控制器的參數(shù)整定pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用

12、，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。 利用該方法進(jìn)行 pid控制器參數(shù)的整定步驟如下： （1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和

13、臨界振蕩周期； （3）在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到pid控制器的參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)與實(shí)際調(diào)試情況相結(jié)合的方法測(cè)得本設(shè)計(jì)電機(jī)的p、i、d合適的參數(shù)為10.0,15.0,5.0。3 基于數(shù)字pid控制程序的設(shè)計(jì)3.1 數(shù)字pid與模擬pid控制算法模擬pid就是在現(xiàn)場(chǎng)安裝的利用ddzii或者ddziii型表再加上其他氣動(dòng)儀表的模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制變量的模擬信號(hào)利用旋鈕或撥盤(pán)對(duì)pid的三個(gè)值進(jìn)行設(shè)定對(duì)或者手動(dòng)控制輸出的系統(tǒng)，其信號(hào)均為模擬信號(hào)。數(shù)字pid就是把現(xiàn)場(chǎng)的控制變量的模擬信號(hào)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)受控變量的輸出信號(hào)均轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)，pid的實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)數(shù)字信號(hào)的設(shè)定來(lái)完成的。3.2 數(shù)字pid控制

14、程序本設(shè)計(jì)采用增量計(jì)算位置輸出的pid控制算法，位置式pid控制的輸出與整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的累加值；而增量式pid的輸出只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差有關(guān)，因此位置式pid控制的累積誤差相對(duì)更大；增量式pid控制輸出的是控制量增量，并無(wú)積分作用，因此該方法適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對(duì)象，如步進(jìn)電機(jī)等，而位置式pid適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件的對(duì)象，如電液伺服閥。由于增量式pid輸出的是控制量增量，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，誤動(dòng)作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置式的輸出直接對(duì)應(yīng)對(duì)象的輸出，因此對(duì)系統(tǒng)影響較大。本設(shè)計(jì)的控制程序如下： motor_p

15、= (int) ( kp*(motor_er-motor_er1) ) ; motor_i = (int) ( ki*motor_er ); motor_d = (int) ( kd*(motor_er-2*motor_er1+motor_er2) ); motor_out = motor_out + motor_p + motor_i + motor_d ;式中motor_er是編碼器采集的速度與電機(jī)設(shè)定速度只差，motor_er1和motor_er2是前兩個(gè)采樣周期采集的誤差，motor_p、motor_i、motor_d分別是pid控制算法的p項(xiàng)、i項(xiàng)、d項(xiàng)，motor_out是電機(jī)輸出

16、值。4總 結(jié)電機(jī)調(diào)速在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有很廣泛的應(yīng)用，而要建立電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型是很困難的，其他基于準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的控制算法在這里有一定的局限性，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，所以這里采取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的pid控制算法。通過(guò)這次設(shè)計(jì)讓我對(duì)p、i、d在控制電機(jī)性能方面有了更進(jìn)一步的理解，也讓我感覺(jué)到了自己所學(xué)知識(shí)的不全面和對(duì)細(xì)節(jié)把握的不準(zhǔn)確。讓我去彌補(bǔ)了很多以前不怎么在意的細(xì)節(jié)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，讓我看到基礎(chǔ)是一切后續(xù)學(xué)習(xí)的基本保證，要在掌握基礎(chǔ)理論的知識(shí)同時(shí)積極結(jié)合實(shí)際以達(dá)到學(xué)以致用的目的！附錄控制器采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司mc9s12xs128系列的16位控制芯片，基于數(shù)字pid的電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的控制程序

17、如下：#include #include #includelqeeprom.h#include system.h#pragma link_info derivative mc9s12xs128int d_speed,w_speed,l_speed,speed_set; int motor_er,motor_er1,motor_er2,motor_out,motor_p,motor_i,motor_d,kp=10,ki=15,kd=5;int key_temp; void mott_ctr(void) /pwmdty01 電機(jī)反轉(zhuǎn) /pwmdty23 電機(jī)正轉(zhuǎn) motor_er = speed_

18、set - pulse_count; motor_p = (int) ( kp*(motor_er-motor_er1) ) ; motor_i = (int) ( ki*motor_er ); motor_d = (int) ( kd*(motor_er-2*motor_er1+motor_er2) ); motor_out = motor_out + motor_p + motor_i + motor_d ; if(stop_flag=1) motor_out=0; if(motor_out=0) if(motor_out=8000) motor_out=8000; pwmdty23 = motor_out; pwmdty01 = 0; else if(motor_out=-8000) motor_out = -8000; pwmdty01 = -motor_out; pwmdty23 = 0; motor_er2 = motor_er1; motor_er1 = motor_er; void mode_select(void) unsigned char key_temp; key_temp = mode_get(); portb = portb - key_temp; switch (key_temp) case 0: d_speed=85; w_s