基于PID的直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、基于 PID 的直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：張友旺中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院基于 PID 的直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟練并掌握 89C51、 ADC0809等芯片的原理、硬件以及接線；2. 熟練 89C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)，完全掌握中斷，子程序，查表程序等特殊語(yǔ)句的應(yīng)用；3. 學(xué)習(xí)并掌握浮點(diǎn)數(shù)的原理及應(yīng)用；4. 回顧機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)內(nèi)容并掌握 PID 控制器的原理及用法；5. 鍛煉自己發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題的能力，同時(shí)將課本知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐以得到更好的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 閉環(huán)控制 /開(kāi)環(huán)控制對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制有一般有兩種方式，一種是開(kāi)環(huán)控制

2、， 一種是閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開(kāi)環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)是精度通常較低，無(wú)自動(dòng)糾偏能力； 閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制的精度可以達(dá)到很高，而且對(duì)外界的干擾和系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的抑制作用，且可以通過(guò)輸出反饋控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。缺點(diǎn)是存在穩(wěn)定性，振蕩，超調(diào)等一系列問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比開(kāi)環(huán)控制麻煩。經(jīng)過(guò)利弊的取舍， 本次試驗(yàn)選擇的是閉環(huán)控制， 因?yàn)闇?zhǔn)備應(yīng)用 PID 算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故而需要有實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋與給定的轉(zhuǎn)速形成對(duì)比， 進(jìn)而通過(guò)算法輸出 PWM波形來(lái)控制直流電機(jī)。2. 調(diào)速方式本實(shí)驗(yàn)采用脈沖寬度（

3、 PWM）調(diào)速， PWM調(diào)速具有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：（1） 系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及穩(wěn)定精度好；（2） 電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，運(yùn)行平穩(wěn)；（3） 調(diào)速范圍寬，抗噪性好；（4） 元件使用數(shù)少，線路簡(jiǎn)單。PWM的實(shí)現(xiàn)方式：將電機(jī)電壓的通斷轉(zhuǎn)換為周期控制，用兩個(gè)定時(shí)器T0,T1分別控制周期的時(shí)間和電壓通的時(shí)間，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的平均電壓， 以達(dá)到對(duì)電機(jī)電壓大小的控制。PWM 波的高電平，由T1 確定占空比PWM波 的 周期，由定時(shí)器T0 定時(shí)確定3測(cè)速方式測(cè)速的傳感器用的是光電編碼器， 它的原理是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤(pán)上有很多縫隙， 縫隙每經(jīng)過(guò)紅外管一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖， 進(jìn)而通過(guò)專(zhuān)門(mén)的芯片得到轉(zhuǎn)動(dòng)的頻

4、率。4. PID 控制方法模擬 PID 控制算法表達(dá)式：u( t ) = ? ?( ?) +1?(?)? ?(?)?+?0?數(shù)字 PID 控制算法表達(dá)式（位置式） ：u( k) = u(k - 1) + ? (1?2?+?) ?( ?) - ? (1 +?) ?( ?- 1) +? ?( ?- 2)? ?= u(k - 1)0 ()1 (1)2 ()+ ? -?-+ ?- 2其中：，()， (k -1) 為控制器的輸出信號(hào)；( )，()， ()u(t)u ku? ?- 1e ?- 2為偏差信號(hào)； ? 為比例系數(shù)； ?為積分時(shí)間常數(shù)； ?為微分時(shí)間常數(shù)。?三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ 1）系統(tǒng)方

5、框圖u(t)e(t)PIDPWM 輸出直流電機(jī)測(cè)速裝置（ 2）流程圖直流電機(jī)傳感器測(cè)速F/V 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換PID 運(yùn)算PWM 輸出2. 硬件部分及接線（ 1） ADC0809接線7VCCWR-0D4.7K469574LS32CS_0809174LS32352RDJD11H1ADD_AADD_B2ADD_C345678A0-2JD10HU10HVCC117lsb2-8VCC111422-7AIN-0151232-6ref(+)+Vref842-51852-4191062-3CLOCKCLK20JP12H72-22126IN08msb2-1IN-0127IN1IN-1228IN2IN-2378

6、61IN3STARTIN-34-222IN40ALEIN-45N74LS143IN5IIN-56A4IN6IN-6774LS145IN7IN-7869ENABLE734EOCADD_A25EOCADD-AADD_B2416ADD-Bref(-)74LS14ADD_C2313ADD-CGNDADC0809單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的P0 口 JD4F接 A/D 轉(zhuǎn)換的 D0 D7口 JD10H，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的 Q0Q7口 JD7F接 0809 的 A0A7 口 JD11H，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的 WR、RD、 P2.0、 ALE、INT1 分別接 A/D 轉(zhuǎn)換的 WR、RD、CS-0809、CLK、

7、EOC。 A/D 轉(zhuǎn)換的 +Vref 接 +5V電源， AIN0 接可調(diào)電源模塊 A2 區(qū)的輸出端（ AIN0 也可在程序運(yùn)行之后接） ，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的 RXD、TXD分別接串行靜態(tài)顯示的 DIN、 CLK。（ 2）電機(jī)接線單片機(jī)的 P1.0 接電機(jī)的 control口。3. 軟件部分(1)A/D 轉(zhuǎn)換值顯示部分見(jiàn)后面附錄程序中的A/D 轉(zhuǎn)換及顯示子程序（ XS）。注意：該程序采用的是用RLC A等語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的串行通信，若使用MOVSBUF ,A 等語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)串行通信，則需要改動(dòng)表格中數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镽LC A等語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的串行通信是數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后；而MOV SBUF ,A等語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的

8、串行通信正好與之相反，低位在前，高位在后。（ 2） PID 運(yùn)算程序見(jiàn)后面附錄程序中的PID 調(diào)節(jié)子程序（ PID）。注意：此處采用位置式方程，并且使用雙字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，以提高精度。（ 3） PWM輸出程序見(jiàn)后面附錄程序中的 PWM的參數(shù)求解子程序（ PWM）以及主程序中 T0，T1中斷語(yǔ)句。注意：此處采用雙字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，以提高精度。（ 4）加減乘除子程序見(jiàn)后面附錄程序中的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算子程序部分。注意：此處都是有符號(hào)雙字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及感想經(jīng)過(guò)兩星期的編程和調(diào)試后，雖然中途出現(xiàn)了很多障礙，但是最終還是實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的速度控制，使其可以調(diào)到速度范圍內(nèi)任意想要的速度，完成了實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這次試

9、驗(yàn)，不僅加深了我對(duì)單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，鞏固了過(guò)去所學(xué)的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)方面的知識(shí)，更重要的是讓我學(xué)到了從課本上學(xué)不到的東西。我大學(xué)里的知識(shí)大部分都來(lái)源于課堂和書(shū)本，基本上都是一知半解，根本沒(méi)有學(xué)會(huì)靈活的應(yīng)用知識(shí)。而通過(guò)這次試驗(yàn)，在將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，不斷的加深對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，從而真正的掌握了解決問(wèn)題的能力。附錄：程序源代碼;主程序;單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)1的 P0 口接 0809的 JD15口,;單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)1的 Q0 口接 0809的 JD16,;單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)1的 ALE、P2.0、 P3.3、P3.6、P3.7 分別;接 0809 的 clk

10、0809、cs-0809、 EOC、 WR、RD,;0809 的模擬信號(hào)輸入口AIN0 接入 05V 可調(diào)電壓 ,+VREF接 +5V;P3.0,P3.1 連接到串行靜態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)K的DIN、CLK。DBUF0EQU 30H ;顯示第一位的緩沖地址TEMPEQU 40HMAXEQU6CH ;電動(dòng)機(jī)最大的工作頻率UAEQU6DH ;給定的 A/D 轉(zhuǎn)換值UBEQU6EH ;實(shí)際的 A/D 轉(zhuǎn)換值A(chǔ)0EQU60H ;比例系數(shù) A0A1EQU63H ;積分系數(shù) A1A2EQU66H ;微分系數(shù) A2TH11EQU5EH ;TH1的值TL11EQU5FH ;TL1的值ORG0000HLJMPSTART

11、ORG000BHLJMPINT0_PORG001BHLJMPINT1_PORG0100HSTART:MOV A0, #22H;給 A0賦值MOV 61H,#10H;4MOV 62H,#7FHMOV A1,#00H;給 A1 賦值MOV 64H,#10H;0MOV 65H,#7FHMOV A2, #00H;給A2 賦值MOV 66H,#00H;0MOV 67H,#00HMOV UA,#10H;給定期望值MOV 6FH,#20;掃描周期為20msMOV 50H,#05H; 給 U(K-1)賦值MOV 51H,#00H;5MOV 52H,#00HMOV R1,#6LOOP1:MOV R0,#56HM

12、OV R0,#01HINC R0DJNZ R1,LOOP1MOV UA,#022HMOV TMOD,#11HMOV TH0,#0FCHMOV TL0,#18HMOV TH1,#0MOV TL1,#0MOV TH11,#0FFHMOV TL11,#29HSETB TR0;給 e（ k-1）和 e(k-2）賦零;給定電動(dòng)機(jī)的頻率; 控制高電平時(shí)間ton ，即占空比SETB TR1SETB EASETB ET0SETB ET1LOOP2:MOVJNZA,6FHDSQMOV35H,#11H;滅不需要的顯示位MOV36H,#11HMOV37H,#11HMOV R0,#DBUF0MOV R0,#0AHIN

13、CR0MOV R0,#0DHINCR0MOVR0,#11HINCR0MOV DPTR,#0FEF0H;A/DMOVA,#0MOVXDPTR,AWAIT:JBP3.3,WAITMOVXA,DPTR; 讀入結(jié)果MOVP1,AMOVB,AMOVUB,A;將實(shí)際頻率存入U(xiǎn)B 中SWAPAANLA,#0FHXCHA,R0INCR0MOVA,BANLA,#0FHXCH A,R0LCALLDISP1;ACALLDELAYLCALLPID; 調(diào)用 PID 程序LCALL PWM; 調(diào)用 PWM 程序MOV6FH,#20DSQ:AJMPLOOP2;20ms 進(jìn)行一次調(diào)速DISP1:MOVR0,#DBUF0MOV

14、R1,#TEMPMOVR2,#8DP10:MOVDPTR,#SEGTABMOVA,R0MOVCA,A+DPTRMOVR1,AINC R0INC R1DJNZR2,DP10MOVR0,#TEMPMOVR1,#8DP12:MOVR2,#8MOVA,R0DP13:RLCAMOV0B0H,CCLR0B1HSETB0B1HDJNZR2,DP13INC R0DJNZR1,DP12RETSEGTAB:DB 3FH,6,5BH,4FH,66H,6DH ;0,1,2,3,4,5DB7DH,7,7FH,6FH,77H,7CH ;6,7,8,9,A,BDB58H,5EH,79H,71H,0,00H ;C,D,E,F

15、,-DELAY:AA1:MOVR4,#0FFHMOVR5,#0FFH; 延時(shí)程序AA: NOP NOPDJNZ R5,AADJNZR4,AA1RET;PWM T0 中斷INT0_P:MOV TH0,#0FCHMOV TL0,#18HMOV TH1,TH11MOV TL1,TL11SETB P1.0SETB P1.2SETB TR1MOV A,6FHJZ LOOP11DEC 6FH;20ms 計(jì)時(shí)LOOP11:NOPRETI;PWM T1 中斷INT1_P:CLR P1.0CLR P1.2CLR TR1NOPRETI;PID 調(diào)節(jié)PID:MOV UA,#66HMOV UB,#44HCLR CMO

16、V A,UASUBB A,UB;計(jì)算e（ k）MOV R2,A;將 e（ k）轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)MOV R3,#00HACALL SFF2MOV 53H,R2MOV 54H,R3MOV 55H,R6MOV R1,73HMOV R4,63H; 求 u（k）并覆蓋u（ k-1）MOV R5,64HMOV R7,65HMOV R2,56HMOV R3,57HMOV R6,58HACALL SFDUMMOV R4,75HMOV R5,76HMOV 2DH,R4MOV 2EH,R5MOV 2FH,R7MOV R1,73HMOV R4,60HMOV R5,61HMOV R7,62HMOV R2,53HMOV R

17、3,54HMOV R6,55HACALL SFDUMMOV R4,75HMOV R5,76HMOV R2,2DHMOV R3,2EHMOV R6,2FHACALL SFDUSMOV 2DH,R4MOV 2EH,R5MOV 2FH,R7MOV R1,73HMOV R4,66HMOV R5,67HMOV R7,68HMOV R2,59HMOV R3,5AHMOV R6,5BHACALL SFDUMMOV R4,75HMOV R5,76HMOV R2,2DHMOV R3,2EHMOV R6,2FHACALL SFDUAMOV R2,50HMOV R3,51HMOV R6,52HACALL SFDUA

18、MOV 50H,R4MOV 51H,R5MOV 52H,R7MOV 59H,56H;用 e（ k-1）覆蓋 e(k-2)MOV 5AH,57HMOV 5BH,58HMOV 56H,53H;用 e（ k）覆蓋 e(k-1)MOV 57H,54HMOV 58H,55HRET;PWM 的參數(shù)求解PWM:MOV A,51H;判斷 U(K)的正負(fù)JB ACC.7,LOOP9MOV A,52HJB ACC.7,LOOP9MOV A,#16SUBB A,R7MOV R7,ALOOP7:CLR CMOV A,R5RRC AMOV R5,AMOV A,R4RRC AMOV R4,ADJNZ R7,LOOP7CL

19、R CMOV A,#0FFH;計(jì)算 T1 初值SUBB A,R5MOV TH11,AMOV A,#0FFHSUBB A,R4MOV TL11,AAJMP LOOP10LOOP9:MOV TH11,#0FCHMOV TL11,#29HLOOP10:RET;P14 1.9.2雙字節(jié)二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換;入口 R3R2SFF2:MOV R6,#10HMOV 20H,R3JB 07H,SEGLP0:JB 06H,LP1LCALL LSTMOV 20H,R3AJMP LP0SEG:JNB 06H,LP1;負(fù)LCALL LSTMOV 20H,R3AJMP SEGLP1:RETLST:CLR CXCH

20、 A,R2RLC AXCH A,R2XCH A,R3RLC AXCH A,R3DEC R6RET;出口 R6 R3R2;P51 4.1.3 雙字節(jié)二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)加法,R7R5R4+R6R3R2=R7R5R4SFDUA:ACALL SJJ;參見(jiàn) 2.6.3（對(duì)階）ACALL AD5432;參見(jiàn)程序一（尾數(shù)相加）JNB OV,SONACALL RST77;參見(jiàn)程序一（右規(guī)）RETSON:ACALL SLST2;參見(jiàn) 2.5.3RET;P49 4.1.1 雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)加法-子程序AD5432: MOV A,R4;尾數(shù)相加ADD A,R2MOV R4,AMOV A,R5ADDC A,R3MOV R5,

21、ARET;P55 4.2.3 雙字節(jié)有符號(hào)數(shù)減法，R7R5R4-R6R3R2=R7R5R4SFDUS: LCALL SJJ;參見(jiàn) 2.6.3（對(duì)階）LCALL SU5432;參見(jiàn)程序一（尾數(shù)相減）JB OV,LPSLCALL SLST2;參見(jiàn) 2.5.3（左規(guī)）RETLPS:MOV A,R5JNB 0E7H,LEKCLR CAJMP LPELEK:SETB CLPE:LCALL RST77;參見(jiàn) 4.1.1（右規(guī)）RET;P27 2.6.3 二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)對(duì)階SJJ:MOV A,R6XRL A,R7JZ RET1CLR CMOV A,R7SUBB A,R6JB 0E7H,SRSH7LCALL S

22、RST6AJMP SJJSRSH7: LCALL SRST7AJMP SJJRET1:RETSRST6: MOV A,R3JB 0E7H,LPS0;右規(guī)CLR CAJMP LPS1LPS0:SETB CLPS1:RRC AMOV R3,AMOV A,R2RRC AMOV R2,AINC R6RETSRST7: MOV A,R5JB 0E7H,LPS00CLR CAJMP LPS11LPS00:SETB CLPS11:RRC AMOV R5,AMOV A,R4RRC AMOV R4,AINC R7RET;P53 4.2.1 雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)減法-子程序SU5432: CLR CMOV A,R4SU

23、BB A,R2MOV R4,AMOV A,R5SUBB A,R3MOV R5,ARET;P23 2.5.3 雙字節(jié)有符號(hào)數(shù)左規(guī)SLST2: MOV 20H,R5JB 07H,SEGALPSS0: JB 06H,LPSS1;正LCALL LSTBMOV 20H,R5AJMP LPSS0SEGA:JNB 06H,LPSS1LCALL LSTBMOV 20H,R5AJMP SEGALPSS1: RETLSTB:CLR CXCH A,R4RLC AXCH A,R4XCH A,R5RLC AXCH A,R5DEC R7RET;P49 4.1.1 二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)加法-子程序 -右規(guī)RST77:MOV A,R

24、5RRC AMOV R5,AMOV A,R4RRC AMOV R4,AINC R7RET;P59 4.3.3 雙字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)有符號(hào)數(shù)乘法,R7R5R4 X R6R3R2 =R7 R1四位SFDUM:ACALL SLST2;參見(jiàn) 2.5.3（左規(guī)）ACALL SLST32;左規(guī)MOV A,R7ADD A,R6MOV 21H,AACALL SDUMUL;參見(jiàn) 3.3.4MOV R7,21HMOV A,R1;積左規(guī)ADD A,#04HMOV R0,AMOV 7AH,AMOV A,R7MOV R0,APOP 0E0HMOV R2,#04HACALL SMLST;參見(jiàn)PUSH 0E0HMOV A,R0MO

25、V R7,AMOV A,7AHRET2.5.4（左規(guī)）SLST32:LCP0:SAEG:LCP1:LAST:MOV 20H,R3;左規(guī)JB 07H,SAEGJB 06H,LCP1ACALL LSTMOV 20H,R3SJMP LCP0JNB 06H,LCP1ACALL LASTMOV 20H,R3SJMP SAEGRETCLR CMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R3RLC AMOV R3,ADEC R6RET;P37 3.3.4 雙字節(jié)有符號(hào)二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)乘法SDUMUL: MOV A,R5;求被乘數(shù)符號(hào)ANL A,#80HMOV R6,AJZ NEG32NEG54:MOV A,R4CPL AADD A,#01HMOV R4,AMOV A,R5CPL AADDC A,#00HMOV R5,ANEG32:MOV A,R3;求乘數(shù)符號(hào)ANL A,#80HMOV R7,AJZ DDUMULMOV A,R2;乘數(shù)求補(bǔ)CPL AADD A,#01HMOV R2,AMOV A,R3CPL AADDC A,#00HMOV R3,ADDUMUL: MOV A,R6;求積的符號(hào)XRL A,R7MOV 20H,AACALL DUMUL;參見(jiàn)程序一JNB 07H,R