多電機(jī)同步控制

1、論文題目：電機(jī)同步控制模塊設(shè)計(jì)（軟件）專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)老師：黃夢(mèng)濤 （簽名） 本 科 生：李大威 （簽名） 摘 要多電機(jī)同步控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。論文以?xún)膳_(tái)電機(jī)的同步為研究對(duì)象，采用主從式的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩臺(tái)小功率低電壓直流電機(jī)的同步控制系統(tǒng)，兩臺(tái)直流電機(jī)采用PWM技術(shù)調(diào)速。為了提高控制精度，采用了帶速度反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，選用單片機(jī)C8051F040作為控制器。為了能夠根據(jù)需要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及實(shí)時(shí)顯示兩臺(tái)電機(jī)的速度，我們還建立了單片機(jī)和上位機(jī)之間的串行通信。設(shè)計(jì)的核心是用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了PID控制算法。為了增加PID算法的自適應(yīng)性，設(shè)計(jì)中整定了多組控制參數(shù)，并給出了

2、控制結(jié)果。關(guān)鍵詞：多電機(jī)同步，PWM，C語(yǔ)言，PID算法52SUBJECT ：The software design of Multi-electric motors synchronism control moduleSpecialty ：Electrical Engineering and AutomationInstructor：Huang Mentao （Signature） Name ：Li Dawei （Signature） ABSTRACT Multi-electric motor synchronism control system has been widely used i

3、n the industrial manufacture. Taking the synchronization of two engines as research object, a synchronous control system for two DC motors, which work on small power and low voltage, is designed in this paper. It has a Master-slave structure. The speeds of the two DC motors are regulated with the te

4、chnology of PWM. In order to improve the control precision, a closed loop speed control system with a speed feedback is adopted, while the single chip computer C8051F040 is selected as the controller. We also establish a serial communication between the single chip computer and a PC, so it is easy t

5、o set up the motors speed you want and show the real-time speeds of them. The core of the design is to realize the PID algorithm, using the C language to program. In order to improve the PID algorithms adaptability, several group control parameters are set in the design, and their control effects ar

6、e given.KEY WORDS：Multi-electric motor synchronism, PWM, C language, PID 目 錄前 言5第一章 多電機(jī)同步控制方案及硬件電路71.1 多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)71.1.1 并行控制71.1.2 主從控制81.2 PWM調(diào)速原理與發(fā)展概況81.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路101.4 速度檢測(cè)電路131.5控制器141.6 通信模塊15第二章 PID控制方法172.1 PID控制方法介紹172.2 數(shù)字式增量PID控制算法182.3 標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)202.4 干擾的抑制202.5 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定212.5.1 采樣周期的選定2

7、12.5.2 PID參數(shù)的整定22第三章 軟件實(shí)現(xiàn)233.1 C51語(yǔ)言233.2 單片機(jī)片內(nèi)的資源配置243.2.1 單片機(jī)內(nèi)各功能模塊配置243.2.2 單片機(jī)的端口配置253.3 程序模塊介紹263.3.1初始化模塊263.3.2 測(cè)速子程序283.3.3 串口通信子程序303.3.4主程序323.4 程序調(diào)試34第四章 參數(shù)的整定結(jié)果374.1 高速段內(nèi)的參數(shù)整定及結(jié)果374.2中速段內(nèi)的參數(shù)整定及結(jié)果384.3低速段內(nèi)的參數(shù)整定及結(jié)果394.4 結(jié)果分析40結(jié) 論41致 謝42參考文獻(xiàn)43附錄1 總程序44前 言直流電機(jī)是最早出現(xiàn)的電機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。由于它具有良好的線

8、性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位，是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。PWM是控制數(shù)字化的基礎(chǔ)，用PWM技術(shù)控制直流電機(jī)方法簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的速度和位置調(diào)整，如今已成為主流的直流電機(jī)調(diào)速方式。多電機(jī)同步控制問(wèn)題在工業(yè)生產(chǎn)中的許多場(chǎng)合已成為一個(gè)突出的難題。在多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的機(jī)械長(zhǎng)軸雖然能夠準(zhǔn)確地保持電機(jī)同步，但其缺點(diǎn)日益顯著，如各電機(jī)的工作狀態(tài)相互影響，彼此之間存在嚴(yán)重的耦合作用，通過(guò)鏈、齒輪、軸等多級(jí)鏈接機(jī)構(gòu)后含有積累誤差，使用范圍也受到限制，某些場(chǎng)合已不能滿足現(xiàn)代控制的需要。采用電的方式控制多電機(jī)的同步是一種有效的解

9、決手段，人們對(duì)這方面已作出了大量的研究。對(duì)多電機(jī)的同步控制結(jié)構(gòu)有并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控制等多種控制理論，控制方法除了常規(guī)的PID外，還有各種現(xiàn)代控制理論，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)等，將它們與PID控制相結(jié)合更衍生出多種控制理論。在本設(shè)計(jì)中以C8051F040單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩臺(tái)小功率低電壓直流電機(jī)的主從式同步控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)任務(wù)是從電機(jī)能夠跟蹤主電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，主電機(jī)的速度可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)定，然后傳給單片機(jī)去調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)的目的是嘗試用改進(jìn)的PID控制算法，用C語(yǔ)言編程去實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的速度同步，并達(dá)到一定的控制精度，簡(jiǎn)單地探討一下實(shí)際應(yīng)用中對(duì)多電

10、機(jī)進(jìn)行同步控制的基本方法。PID控制是最早發(fā)展起來(lái)也是應(yīng)用最廣泛的控制規(guī)律之一，由于其原理簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。但其不足之處是對(duì)非線性、不確定性系統(tǒng)的控制效果不理想。本設(shè)計(jì)采用了數(shù)字PID算法，為了提高控制精度，對(duì)于不同的速度段，整定了多組控制參數(shù)，以提高PID算法的自適應(yīng)性。軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)是為電機(jī)的速度設(shè)定一個(gè)合適的控制參數(shù)，為了方便查看一組控制參數(shù)下的控制效果，我們通過(guò)中斷程序運(yùn)行，在調(diào)試環(huán)境下查看實(shí)時(shí)的電機(jī)速度，多次查看并記錄下這些數(shù)值。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，反復(fù)的調(diào)整控制參數(shù)，直到滿意為止。對(duì)最終控制結(jié)

11、果的分析表明，主電機(jī)速度的調(diào)整精度和從電機(jī)跟蹤的精度都能達(dá)到期望的水平。 第一章 多電機(jī)同步控制方案及硬件電路 本章主要對(duì)目前多電機(jī)同步的兩種基本控制結(jié)構(gòu)以及直流電機(jī)PWM調(diào)速的發(fā)展概況和原理做了一些介紹和分析，確定了本系統(tǒng)兩臺(tái)直流電機(jī)的主從式同步控制結(jié)構(gòu)，給出了直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和速度反饋電路，并對(duì)控制器C8051F040單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)作了介紹。1.1 多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中，傳動(dòng)控制是機(jī)械加工控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)通常有多個(gè)軸需要傳動(dòng)控制，對(duì)這些軸的控制就是控制驅(qū)動(dòng)軸的電動(dòng)機(jī)。在這種傳動(dòng)系統(tǒng)中，目前存在的同步控制技術(shù)包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控

12、制。這里對(duì)并行控制和主從控制這兩種基本的控制方式作一下簡(jiǎn)單的介紹和比較，并選擇了主從式的雙電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)。1.1.1 并行控制 并行控制是一種基于同一定值控制的并聯(lián)運(yùn)行方式，這是一種最簡(jiǎn)單的同步控制方法。并行式適用于每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的控制目標(biāo)基本一致的情況，要求伺服系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性。調(diào)速系統(tǒng)采用同一給定電壓，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。采用并行運(yùn)行方式的同步控制系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)在于啟動(dòng)和停止階段系統(tǒng)的同步性能很好，但是由于整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)控制，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中某一臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)，電機(jī)之間將會(huì)產(chǎn)生同步偏差，同步性能很差。控制器電機(jī)1控制器電機(jī)2 圖1.1 并行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1.2 主從控制主

13、從控制是一種基于跟蹤隨動(dòng)原理的串聯(lián)運(yùn)行方式。以雙電機(jī)為例，主從同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。在這種控制方式中，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速作為從電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考值。由此可推斷，任何加在主電機(jī)上的速度命令或是負(fù)載擾動(dòng)都會(huì)被從電機(jī)反映并且跟隨，但是任何從電機(jī)上受到的擾動(dòng)卻不會(huì)反饋回給主電機(jī)，也不會(huì)影響到其他的從電機(jī)。主從式特點(diǎn)是從系統(tǒng)跟蹤主系統(tǒng)的輸出，大大增加了其控制策略的穩(wěn)定性，但存在跟蹤滯后。這種控制方式要求伺服系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，主要應(yīng)用在對(duì)速度或者位置的同步精度不是很高的工業(yè)生產(chǎn)中?？刂破骺刂破麟姍C(jī)1電機(jī)2 圖1.2 主從同步控制結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電機(jī)同步控制為了提高抗干擾能力，在一臺(tái)電機(jī)速度

14、受到外部擾動(dòng)或人為干擾時(shí)兩臺(tái)電機(jī)仍能保持速度的同步，采用了帶速度反饋的主從式的控制結(jié)構(gòu)，一臺(tái)電機(jī)作為主電機(jī)，一臺(tái)為從電機(jī)，主電機(jī)的輸出即轉(zhuǎn)速作為從電機(jī)的輸入，主電機(jī)的輸入根據(jù)需要設(shè)置。為了提高主從電機(jī)的抗干擾能力以及從電機(jī)對(duì)主電機(jī)的跟蹤精度，在設(shè)計(jì)中盡可能地改善了數(shù)字控制電路。1.2 PWM調(diào)速原理與發(fā)展概況 目前用大功率晶體管控制的PWM永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，是高精度伺服控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動(dòng)形式。這種裝置能實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的速度和位置控制，較常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式，如晶體管線性放大驅(qū)動(dòng)，電液驅(qū)動(dòng)或晶閘管驅(qū)動(dòng)，具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。隨著大功率晶體管的容量和開(kāi)關(guān)速度的不斷提高。PWM裝置一躍成為

15、現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的佼佼者，受到越來(lái)越多的控制工程師的重視。國(guó)外于上世紀(jì)60年代已開(kāi)始注意PWM伺服控制技術(shù)，起初用于飛行器中小功率伺服系統(tǒng)，70年代中后期較為廣泛地應(yīng)用在中等功率的直流伺服系統(tǒng)上，到了80年代，PWM驅(qū)動(dòng)在直流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)普及。現(xiàn)在從國(guó)外引進(jìn)的高精度伺服系統(tǒng)大都采用PWM伺服系統(tǒng)，各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展PWM伺服機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)一些高校，研究所和工廠在上世紀(jì)70年代末相繼開(kāi)展了PWM系統(tǒng)的研究，在一定范圍內(nèi)達(dá)到了工業(yè)推廣水平，應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，精密機(jī)床的進(jìn)給，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置及精密速度控制器中，也用于軍用雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)，火炮和導(dǎo)彈發(fā)射架驅(qū)動(dòng)等快速跟蹤高精度伺服系統(tǒng)中。但由于受到能制

16、造的大功率晶體管的電流及電壓等級(jí)的限制，國(guó)內(nèi)僅能做到幾十瓦到幾十千瓦，電壓達(dá)到220伏。PWM驅(qū)動(dòng)原理是就是直流斬波原理，利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源。按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和關(guān)斷，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)電樞上的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。PWM輸出波形如圖1.3所示，周期為T(mén)，一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，則加在電機(jī)兩端的平均電壓為： （1-1）其中，= t /T稱(chēng)為占空比，為電源電壓，本電路中采用12伏。 圖1.3 PWM原理圖直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端電壓成正比，而

17、電機(jī)兩端的平均電壓與控制波形的占空比成正比，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比為1時(shí)，加在電機(jī)兩端的平均電壓最大，電機(jī)轉(zhuǎn)速也就最大。1.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是單極性H型橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以很方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)這四種電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。單極性H型橋式驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖1.4所示，它由4個(gè)開(kāi)關(guān)管和4個(gè)續(xù)流二極管組成，采用單電源供電。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，V1開(kāi)關(guān)管根據(jù)PWM控制信號(hào)同步導(dǎo)通或關(guān)斷，而V2開(kāi)關(guān)管則受PWM反向控制信號(hào)控制，V3保持常閉，V4保持常開(kāi)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，V3開(kāi)關(guān)管根據(jù)PWM控制信號(hào)同步導(dǎo)通或

18、關(guān)斷，而V4開(kāi)關(guān)管則受PWM反相控制信號(hào)控制，V1保持常閉，V2保持常開(kāi)。M 圖1.4 單極性H型橋式驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)電機(jī)在較大負(fù)載下正轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)兩端平均電壓U大于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。在每個(gè)PWM周期的導(dǎo)通區(qū)間，V1導(dǎo)通，V2截止，電流經(jīng)V1、V4從A到B流過(guò)電樞繞組。在每個(gè)PWM周期的關(guān)斷區(qū)間，V2導(dǎo)通，V1截止，電源斷開(kāi)，在自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，經(jīng)二極管VD2和開(kāi)關(guān)管V4進(jìn)行續(xù)流，使電樞中仍然有電流流過(guò)，方向是從A到B，這時(shí)，由于二極管VD2的箝位作用，V2實(shí)際不能導(dǎo)通。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行減速運(yùn)行時(shí)，平均電壓U小于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。在每個(gè)PWM周期的導(dǎo)通區(qū)間，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的共同作用下，電流經(jīng)二極

19、管VD4、VD1流向電源，方向是從B到A，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)PWM周期的關(guān)斷區(qū)間，V2導(dǎo)通，V1截止，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，經(jīng)開(kāi)關(guān)管V2和二極管VD4仍然是從B到A流過(guò)繞組，電動(dòng)機(jī)處于耗能制動(dòng)狀態(tài)。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，平均電壓U等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。在每個(gè)PWM周期的導(dǎo)通區(qū)間，V2截止，電流先經(jīng)VD4、VD1流向電源，當(dāng)減小到零后，V1導(dǎo)通接通電源，電流改變方向，沿V1、V4流動(dòng)。在每個(gè)PWM周期的關(guān)斷區(qū)間，V1截止，電流先是沿VD2、V4續(xù)流，當(dāng)續(xù)流電流減小到零后，V2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流改變方向，沿開(kāi)關(guān)管V2和二極管VD4流動(dòng)。因此，在一個(gè)PWM周期中，電流交替

20、呈現(xiàn)再生制動(dòng)、電動(dòng)、續(xù)流電動(dòng)、耗能制動(dòng)四種狀態(tài)。我們所用的驅(qū)動(dòng)芯片是L298N。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的兩臺(tái)電機(jī)。且價(jià)格便宜，對(duì)本電路來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)合適之選。本設(shè)計(jì)中的硬件電路原理框圖如圖1.5所示。其中驅(qū)動(dòng)部分的原理圖如圖1.6所示。圖1.5 系統(tǒng)硬件電路原理框圖 圖1.6 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖1.7 速度反饋電路 1.4 速度檢測(cè)電路測(cè)速元件是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，改善電動(dòng)機(jī)的低速平穩(wěn)性，要求測(cè)速元件低速輸出穩(wěn)定，波紋小，線性度好。常用的測(cè)速元件有模擬式測(cè)速元件和數(shù)字式測(cè)速元

21、件。模擬式測(cè)速元件通常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)；數(shù)字式測(cè)速元件采用光電式脈沖發(fā)生器。數(shù)字測(cè)速元件具有低慣量低噪聲高分辨率和高精度的特點(diǎn)，有利于控制直流電機(jī)。在現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了提高速度反饋檢測(cè)精度，正在摒棄直流測(cè)速發(fā)電機(jī)加A/D轉(zhuǎn)換器的方案，而采用光電碼盤(pán)直接數(shù)字測(cè)速的方案。本系統(tǒng)采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量電機(jī)的速度。將光電編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。光電編碼器由光源，光電轉(zhuǎn)盤(pán)，光敏元件和光電整形放大電路組成。光電轉(zhuǎn)盤(pán)與被測(cè)軸連接，光源通過(guò)光電轉(zhuǎn)盤(pán)的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，為了判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向，光電編碼器輸出

22、兩路相隔90度電脈沖角度的正交脈沖。利用光電編碼器進(jìn)行數(shù)字測(cè)速的常用方法有兩種：M法和T法。（1）M法測(cè)速：M法又叫定時(shí)計(jì)數(shù)法，是用計(jì)數(shù)器記取規(guī)定時(shí)間內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)反映轉(zhuǎn)速值，即在規(guī)定的時(shí)間間隔T內(nèi)，測(cè)量編碼器光柵所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)獲得被測(cè)的速度值。設(shè)編碼器光柵每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為Z，且在規(guī)定的時(shí)間T內(nèi)，測(cè)得的脈沖數(shù)為M，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為：n=60M/ZT （1-2）將轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測(cè)量值之差與實(shí)際值之比定義為測(cè)量誤差率，反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，越小，準(zhǔn)確度越高。M法測(cè)速誤差率取決于編碼器的制造精度，以及編碼器輸出脈沖前沿和測(cè)速時(shí)間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可以產(chǎn)生一個(gè)

23、脈沖的誤差。因此，M法測(cè)速誤差率的最大值為： （1-3）由上式可知，誤差率與M成反比，即脈沖數(shù)越大，誤差越小，故M法測(cè)速適用于高速段。（2）T法測(cè)速：T法又叫定數(shù)計(jì)時(shí)法，是用定時(shí)器記取光電編碼器輸出脈沖一個(gè)周期內(nèi)的高頻時(shí)基個(gè)數(shù)，然后取其倒數(shù)來(lái)反應(yīng)速度值，即測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)確定被測(cè)速度。設(shè)編碼器光柵每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為Z，定時(shí)器的時(shí)基是一已知頻率為F的高頻脈沖，定時(shí)器的起始和終止由編碼器光柵脈沖的兩個(gè)相鄰脈沖的起始沿控制。若定時(shí)器的讀數(shù)為M，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為： （1-4）T法測(cè)速的誤差產(chǎn)生原因與M法相仿，定時(shí)器的計(jì)數(shù)M最多存在一個(gè)脈沖的誤差，因此，T法測(cè)速誤差率的最大值為： （

24、1-5）低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)得的高頻脈沖個(gè)數(shù)多，誤差小，故T法適用于低速段。我們采用M法測(cè)速。所采用的光電編碼器光柵每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出1000個(gè)脈沖。設(shè)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下，即n=500轉(zhuǎn)/分，則在0.1秒的采樣間隔內(nèi)，計(jì)數(shù)器所應(yīng)接受到的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)為M=500/60*0.1*1000=833個(gè)，可以看出，精度還是較高的。本設(shè)計(jì)中速度反饋回路的原理圖如圖1.7所示。1.5 控制器本設(shè)計(jì)選用手頭上的C8051F040單片機(jī)為系統(tǒng)的控制器，C8051F040單片機(jī)執(zhí)行效率高，片上可利用資源豐富，為以后系統(tǒng)功能的擴(kuò)展留有余地。Silicon Laboratories公司出品的C8051F系

25、單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核。該系單片機(jī)采用全新的CIP-51內(nèi)核，采用流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時(shí)鐘周期和機(jī)器周期，能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令，提高了指令執(zhí)行效率。C8051F040單片機(jī)是該系中功能最全最具代表性的一款。具有控制系統(tǒng)所需的所有的模擬和數(shù)字外設(shè)。其主要特性如下：(1)片內(nèi)看門(mén)狗、定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；(2) 一個(gè)12位、100ksps和一個(gè)8位、500ksps的A/D轉(zhuǎn)換器；(3) 兩個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器；(4)4K字節(jié)的片內(nèi)RAM和64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；(5) 5個(gè)通用的16位定時(shí)器；

26、(6)具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；(7)硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBUS和兩個(gè)UART串行接口； (8)控制器局域網(wǎng)(CAN2.0)控制器, 具有32個(gè)消息對(duì)象；(9)全速、非侵入式的在線調(diào)試接口；(10)引入交叉開(kāi)關(guān)配置，可靈活地將外圍設(shè)備配置到P0P3口。C8051F040單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（SOC）。除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口外，C8051F040還有4個(gè)附加的8位端口，每個(gè)端口都可以配置為推挽輸出或開(kāi)路輸出。最獨(dú)特的改進(jìn)就是引入了數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)，允許將內(nèi)部數(shù)字資源映射到P0口，P1口，P2口，P3口，這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口和所需數(shù)字資

27、源的組合。其MCU能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)，所以其功耗很低。片內(nèi)JTAG調(diào)試支持功能允許對(duì)安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。在系統(tǒng)調(diào)試比采用標(biāo)準(zhǔn)MCU仿真器要優(yōu)越的多，因?yàn)檫@一技術(shù)能保證精確模擬外設(shè)的性能。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)，單步，觀察點(diǎn)，運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行，當(dāng)MCU單步執(zhí)行或遇到斷點(diǎn)而停止運(yùn)行時(shí)，所有的外設(shè)都停止運(yùn)行，以保持同步。FLASH編程非常方便，可以在Silicon Labs集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）下通過(guò)JTAG接口進(jìn)行編程，不需

28、要專(zhuān)用編程器或適配器。每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+80度）內(nèi)用2.73.6V的電壓工作，端口I/O、RST、JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)以及極高的模擬和數(shù)字集成度，對(duì)各種要求小體積，高集成度精確測(cè)量的場(chǎng)合而言，C8051F040實(shí)為理想選擇。1.6 通信模塊本設(shè)計(jì)中為了能夠人為的設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速及觀察兩個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，采用了RS232串行通信方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信，通過(guò)計(jì)算機(jī)的操作界面可以很方便地完成這些任務(wù)。利用C8051F040單片機(jī)內(nèi)部集成的UART控制器，很容易進(jìn)行串行通信。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊

29、兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。RS-232-C接口（又稱(chēng)EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)電平和信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定。在RS-2

30、32-C中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系：邏輯“1”的電平是-5-15V，邏輯“0”的電平是+5+15V。噪聲容限為2V,即要求接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯“0”，高至-3V的信號(hào)作為邏輯“1”。實(shí)際上，RS-232-C的25條引線中有很多是很少使用的，在計(jì)算機(jī)與終端通訊中一般只使用常用的39條引線。PC機(jī)上的RS-232串行接口有兩個(gè)COM1和COM2，一般都是9針的接頭，這個(gè)接頭為公接頭。由于RS-232電平和單片機(jī)內(nèi)TTL邏輯電路產(chǎn)生的電平是不一樣的，因此，PC機(jī)與單片機(jī)之間必須經(jīng)過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換邏輯電平。單片機(jī)C8051F040內(nèi)部有兩個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART,一個(gè)增強(qiáng)型SP

31、I總線和SMBUS協(xié)議，這些串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向微處理器申請(qǐng)中斷，因此需要很少CPU的干預(yù)。我們采用UART0與上位機(jī)通信。第二章 PID控制方法 本章分析了PID的控制規(guī)律，推出了數(shù)字式增量PID控制算法，介紹了兩種克服積分飽和的方法以及抑制干擾的措施。重點(diǎn)介紹了PID控制參數(shù)的實(shí)用的整定方法。2.1 PID控制方法介紹PID控制是迄今為止最通用的控制策略，有許多不同的方法以確定合適的控制器參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)代理論的觀點(diǎn)，PID調(diào)節(jié)器具有本質(zhì)的魯棒性、符合二次型最優(yōu)控制選型原則、且具有智能化的專(zhuān)家特色。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器。PID控制是比例積分微分控制

32、的簡(jiǎn)稱(chēng)，本身是一種基于對(duì)“過(guò)去”、“現(xiàn)在”和“未來(lái)”信息估計(jì)的控制算法，最早出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，通過(guò)硬件（電子元件，氣動(dòng)和液壓元件）來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破飨到y(tǒng)原理圖如圖2.1所示?，F(xiàn) 在過(guò) 去未 來(lái)對(duì) 象 圖2.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖PID的三種控制規(guī)律可以組成不同的線性控制器。在電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，常采用的串聯(lián)校正控制裝置有比例微分（PD）控制器、比例積分（PI）控制器及比例積分微分（PID）控制器。由PD控制器構(gòu)成的超前校正可以提高穩(wěn)定裕度并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI控制器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但快速性不佳；用PID控制器實(shí)現(xiàn)的滯后-超前校正兼有二者的優(yōu)點(diǎn)

33、，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能。連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬PID控制規(guī)律為: （2-1）式中, u ( t ) 控制器的輸出 e ( t ) 控制量的偏差 Kp 比例系數(shù) Ti 積分時(shí)間常數(shù) Td 微分時(shí)間常數(shù)(1) 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)對(duì)偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。比例調(diào)節(jié)器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量震蕩,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2) 積分環(huán)節(jié)為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)

34、具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過(guò)累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。如果積分時(shí)間常數(shù)Ti大，則積分作用弱，反之為強(qiáng)。增大Ti將減慢消除靜差的過(guò)程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分環(huán)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。 (3) 微分環(huán)節(jié)為了加快控制過(guò)程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度，但對(duì)噪聲非常敏感，使用前需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。2.2 數(shù)字式增量PID控制算法計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的

35、偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法，根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，離散化得： （2-2） 式中 k為采樣序號(hào)，k=0,1,2,3 如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當(dāng)精確。式中u（k）為全量輸出，它對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第k次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此，上式稱(chēng)為PID位置型控制算式?？梢钥闯?，按PID位置型控制算式計(jì)算u(k)時(shí)，輸出值與過(guò)去所有狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量時(shí)(如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng))，可導(dǎo)出下式： （2-3） 其中， 此式稱(chēng)為增量型PID控制算式，增量型PID控制算式具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，

36、即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動(dòng)作影響小。2. 在k時(shí)刻的輸出u(k)，只需要用到此時(shí)刻的偏差，及前兩次的偏差和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存的計(jì)算時(shí)間。3. 在手動(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過(guò)渡。位置式控制算法可通過(guò)增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式： （2-4）這就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推PID控制算式。2.3 標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn) 在實(shí)際過(guò)程中，控制變量因受到執(zhí)行元件機(jī)械和物理性能的約束而限制在有限范圍內(nèi)，即UminuUmax，如果由計(jì)算機(jī)給出的控制量u在上述范圍內(nèi)，那么控制可以按預(yù)期的結(jié)果進(jìn)行。一旦超出上述范圍，例如超出最大閥門(mén)開(kāi)度或進(jìn)入執(zhí)行元件的飽和區(qū)，那

37、么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，由此將引起不希望的效應(yīng)，這類(lèi)效應(yīng)通常稱(chēng)為飽和效應(yīng)。這類(lèi)現(xiàn)象在給定值發(fā)生突變時(shí)特別容易發(fā)生，所以有時(shí)也稱(chēng)為啟動(dòng)效應(yīng)。下面,我們分析這類(lèi)效應(yīng)在PID算法中帶來(lái)的影響及克服的辦法：若給定值w從0突變到w0，且根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制范圍，那么實(shí)際上控制量只能取上界值Umax，而不是計(jì)算值。此時(shí)系統(tǒng)輸出y雖不斷上升，但由于控制量受到限制,其增長(zhǎng)要比沒(méi)有限制時(shí)慢。偏差e將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間保持在正值，而使PID位置算式中的積分項(xiàng)有較大的累積值。當(dāng)輸出超過(guò)給定值w0后，開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)偏差，但由于積分項(xiàng)的累積值很大，還要經(jīng)過(guò)相當(dāng)一段時(shí)間后控制變量u才能脫離

38、飽和區(qū)，這樣，就使系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的超調(diào)。顯然，在PID位置算法中“飽和作用”主要是由積分項(xiàng)引起的，故稱(chēng)為”積分飽和”。克服積分飽和的方法有：1遇限削弱積分法。這一修正算法的基本思想是，一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體說(shuō)，在計(jì)算ui時(shí)，將判斷上一時(shí)刻的控制量ui-1是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。2積分分離法。減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過(guò)大。上面的方法是一開(kāi)始就積分，但進(jìn)入限制范圍后即停止累積。積分分離法與其相反，它在開(kāi)始時(shí)不積分，直到偏差達(dá)到一定閥值后

39、才進(jìn)行積分累積。這樣，一方面防止一開(kāi)始有過(guò)大的控制量，另一方面即使進(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。2.4 干擾的抑制PID控制算法的輸入量是偏差e，也就是給定值與系統(tǒng)輸出的差。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)后，由于輸出已接近給定，e的值不會(huì)太大。所以相對(duì)而言，干擾對(duì)調(diào)節(jié)有較大的影響，除了從系統(tǒng)硬件及環(huán)境方面采取措施外，在控制算法上也可采取一定的措施，以抑制干擾的影響。對(duì)于作用時(shí)間較為短暫的快速干擾，例如采樣器，A/D轉(zhuǎn)換器的偶然出錯(cuò)等，我們可以簡(jiǎn)單地采用連續(xù)多次采樣求平均值的辦法予以濾除。例如圍繞著采樣時(shí)刻ti連續(xù)采樣N次，可得到ei1、ei2、 、eiN。由于快速干擾往往比較強(qiáng)烈，只要有

40、一個(gè)采樣數(shù)據(jù)受到快速隨機(jī)干擾，即使對(duì)它們求平均值，干擾的影響也會(huì)反映出來(lái)。因此，應(yīng)剔除其中的最大最小值，對(duì)其余的N-2次采樣求平均值。由于在N次中連續(xù)偶然出錯(cuò)的可能很小，故這樣做已足以消除這類(lèi)快速隨機(jī)干擾的影響。2.5 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō)可分為兩個(gè)部分，首先是選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除穩(wěn)態(tài)誤差。如要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，則應(yīng)選擇包含積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器如PI，PID等。對(duì)于有滯后性質(zhì)的對(duì)象，往往引入微分環(huán)節(jié)等。另外，根據(jù)對(duì)象和對(duì)控制性能的要求，還可采用一些改進(jìn)的PID算法。一旦調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)確定下來(lái)，下一步的任務(wù)就是調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。2.5.1

41、采樣周期的選定進(jìn)行數(shù)字PID控制器參數(shù)整定時(shí)，首先應(yīng)該解決的一個(gè)問(wèn)題是確定合理的采樣周期T。采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。但采樣周期短則會(huì)加重計(jì)算機(jī)的任務(wù)，影響工作效率，因此應(yīng)合理選擇采樣周期。采樣周期T應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中其它的時(shí)間常數(shù)，否則可能會(huì)由于采樣的頻帶寬度不夠而無(wú)法反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，采樣周期T的最大值受系統(tǒng)穩(wěn)定性條件和香農(nóng)采樣定理的限制而不能太大。T的最小值則受到計(jì)算機(jī)在一個(gè)采樣周期內(nèi)能完成的計(jì)算工作量的限制，實(shí)際中常選2PAI/T為系統(tǒng)有用信號(hào)最高頻率的410倍。系統(tǒng)的給定頻率較高時(shí)，采樣周期T相應(yīng)減少，以使給定的變化得到反映。采樣周期還與所采用的控制算法和

42、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型有關(guān)。當(dāng)采用數(shù)字PID控制算法時(shí)，積分作用和微分作用都與采樣周期有關(guān)。選擇T太小時(shí)，e（k）變化就很小，積分和微分作用將都不明顯。此外，通常執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性較大，采樣周期T應(yīng)能與之相適應(yīng)。如果系統(tǒng)的干擾是高頻的，則要適當(dāng)?shù)倪x擇采樣周期，使得干擾信號(hào)的頻率處入采樣器頻帶之外，從而使系統(tǒng)具有足夠的抗干擾能力。如果干擾是頻率已知低頻干擾，為了能夠采用濾波的方法排除干擾信號(hào)，采樣頻率應(yīng)該與干擾信號(hào)的頻率成整數(shù)倍的關(guān)系。2.5.2 PID參數(shù)的整定采樣周期T通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，因此，PID參數(shù)的整定可以按模擬調(diào)節(jié)器的方法來(lái)進(jìn)行。參數(shù)整定通常有兩種：理論設(shè)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)確定法。前者需要有被控

43、對(duì)象的精確模型，然后采用最優(yōu)化的方法確定PID的各參數(shù)。被控對(duì)象的模型可通過(guò)物理建模或系統(tǒng)辨識(shí)方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定法（如試湊法，工程整定法）來(lái)選擇PID參數(shù)是經(jīng)常采用又行之有效的方法。本方案采用了試湊法。試湊前先要知道PID各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。 試湊法是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)（Kp，Ti，Td）對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。增大比例系數(shù)Kp將加快系統(tǒng)響應(yīng)并減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量，產(chǎn)生震蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分時(shí)間常數(shù)Ti可使減小超調(diào)，提高系

44、統(tǒng)穩(wěn)定性，但系統(tǒng)誤差的消除將隨之變慢。增大微分時(shí)間常數(shù)Td可加速系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)抗干擾能力下降。試湊時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響趨勢(shì)，實(shí)行先比例，后積分，再微分的反復(fù)調(diào)整。（1）首先只調(diào)比例系數(shù)，將Kp由小到大，使響應(yīng)曲線略有超調(diào)。此時(shí)系統(tǒng)若無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍內(nèi)，并且認(rèn)為響應(yīng)曲線已屬滿意，那么，只須用比例調(diào)節(jié)器即可。（2）若在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差太大，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)先將第一步所整定的比例系數(shù)略為縮?。ㄈ?.8倍），再將積分時(shí)間常數(shù)Ti置為一較大值并連續(xù)減小，使得在保持良好動(dòng)態(tài)性能的前提下消除穩(wěn)態(tài)誤差。這一步可反復(fù)

45、進(jìn)行。（3）若使用PI調(diào)節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍不能令人滿意，則加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)先將微分時(shí)間常數(shù)Td設(shè)定為零，再逐步增加Td并同時(shí)進(jìn)行前面兩步的調(diào)整，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。需要指出，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，參數(shù)整定結(jié)果可以不唯一。第三章 軟件實(shí)現(xiàn)本章是整個(gè)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，電機(jī)的同步需要一個(gè)合理的數(shù)字控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，就要將前面介紹的PID控制算法用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。以下首先介紹了用C51語(yǔ)言給單片機(jī)編程的優(yōu)點(diǎn)，接著對(duì)所用到的單片機(jī)內(nèi)部資源作了介紹，這是編程過(guò)程中前期要做的工作。對(duì)主體程序各模塊子程序的功能以及設(shè)計(jì)思想

46、作了描述。調(diào)試是程序設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組成部分，用C語(yǔ)言給單片機(jī)編程序，且單片機(jī)功能相對(duì)也比較多，程序是在多次調(diào)試中完善的。具體程序部分見(jiàn)附錄2。3.1 C51語(yǔ)言在單片機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，匯編語(yǔ)言曾是單片機(jī)工程師進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的惟一選擇。匯編是一種面向機(jī)器的程序語(yǔ)言，可以直接控制硬件，指令執(zhí)行速度快，效率很高。但其語(yǔ)言形式晦澀，可讀性差，難于編寫(xiě)和調(diào)試，也不便于移植。目前，C語(yǔ)言已漸成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)單片機(jī)的主流語(yǔ)言。C語(yǔ)言是一種通用的編譯型結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。一般的高級(jí)語(yǔ)言難以實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言對(duì)于

47、計(jì)算機(jī)硬件直接進(jìn)行操作的功能，而C語(yǔ)言既有一般高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又能直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)，運(yùn)行速度快，編譯效率高，并且便于在不同類(lèi)型計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行移植。因此，C語(yǔ)言應(yīng)用范圍廣，是單片機(jī)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的必然趨勢(shì)。C語(yǔ)言在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1.語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，使用方便靈活。C語(yǔ)言是現(xiàn)有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中規(guī)模最小的語(yǔ)言之一，關(guān)鍵字少，ANSI C標(biāo)準(zhǔn)一共只有32個(gè)關(guān)鍵字，9種控制語(yǔ)句。C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)形式自由，表達(dá)方式簡(jiǎn)潔，使用一些簡(jiǎn)單的方法就可以構(gòu)造出相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型和程序結(jié)構(gòu)。2.可移植性好，不同公司開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言都必須符合ANSI C的標(biāo)準(zhǔn)真正存在差異的是非ANSI C的擴(kuò)展部分。

48、3.表達(dá)能力強(qiáng)。C語(yǔ)言具有豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算，C還具有多種運(yùn)算符，增強(qiáng)了程序處理能力。對(duì)于直接與單片機(jī)相關(guān)的中斷服務(wù)程序的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)，中斷向量表的填寫(xiě)問(wèn)題，都由C編譯器代辦。4.可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。C以函數(shù)作為程序基本設(shè)計(jì)單元，一個(gè)函數(shù)即相當(dāng)于一個(gè)程序模塊。5.可直接操作計(jì)算機(jī)硬件。C語(yǔ)言可直接訪問(wèn)片內(nèi)外存儲(chǔ)器，還可進(jìn)行位操作，提供auto、static、register、const等和data、idata、pdata、xdata、code等存儲(chǔ)類(lèi)，自動(dòng)為變量合理分配地址。針對(duì)8051的派生芯片，還提供等small、compact、large編譯模式以適應(yīng)存儲(chǔ)

49、器的大小。3.2 單片機(jī)片內(nèi)的資源配置3.2.1 單片機(jī)內(nèi)各功能模塊配置程序設(shè)計(jì)中所需要的單片機(jī)內(nèi)部各功能模塊如表3.1，包括5個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，PCA0以及串口控制器UART0。其中，Timer0和Timer1與傳統(tǒng)MCS-51的設(shè)計(jì)是一樣的，可按傳統(tǒng)51用法使用，這里就不介紹了，具體工作方式見(jiàn)初始化程序模塊。T2、T3和T4是增強(qiáng)型16位自重載和捕捉定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可用作定時(shí)ADC采樣、DAC波形生成、方波輸出和通常用途。PCA0為可編程計(jì)數(shù)器陣列，提供了增強(qiáng)型計(jì)數(shù)器功能，使得MPU軟件干預(yù)更少，更易于信號(hào)生成和處理。UART0為增強(qiáng)型串行通信總線，C8051F040的UART0與傳統(tǒng)MSC-5

50、1的相比增加了幀錯(cuò)誤檢驗(yàn)和通訊地址識(shí)別功能。以下具體地對(duì)這些功能模塊作一些介紹。表3.1 單片機(jī)內(nèi)部功能模塊使用情況說(shuō)明表定時(shí)器Timer0:PCA0定時(shí)/計(jì)數(shù)器時(shí)基Timer1:UART0使用Timer2:計(jì)主電機(jī)的速度脈沖Timer3:計(jì)從電機(jī)的速度脈沖Timer4:25ms定時(shí)器，循環(huán)4次構(gòu)成采樣時(shí)間和計(jì)算時(shí)間PCA0PCA0:產(chǎn)生主電機(jī)PWM波PCA1:產(chǎn)生從電機(jī)PWM波UART0單片機(jī)與上位機(jī)串行通信控制器T2、T3和T4的功能是相同的，不能作為8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，只能工作在16位模式下，可自動(dòng)重載、捕捉和產(chǎn)生50%占空比的頻率可調(diào)脈沖方波，且可以控制計(jì)數(shù)的方向。它們的時(shí)鐘源可以是系統(tǒng)

51、時(shí)鐘及其分頻、外部時(shí)鐘或它們輸入引腳的脈沖。這些都是通過(guò)特殊功能寄存器TMRnCN和TMRnCF設(shè)置的。雙向計(jì)數(shù)模式對(duì)電機(jī)速度控制很方便，可計(jì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。捕捉模式常用來(lái)測(cè)量脈寬。方波輸出模式可產(chǎn)生50%占空比的頻率可調(diào)脈沖方波。PCA0提供了一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和6個(gè)捕捉/比較模塊。每個(gè)捕捉/比較模塊都有獨(dú)立的I./O口，可通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置到CEXn。PCA定時(shí)/計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源可為系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘4分頻、系統(tǒng)時(shí)鐘12分頻、外部時(shí)鐘8分頻、T0溢出和ECI。ECI可配置到P口上，作為PCA時(shí)鐘的一個(gè)擴(kuò)展。6個(gè)模塊共用一個(gè)時(shí)鐘，可分別獨(dú)立工作在以下6中模式：邊沿觸發(fā)捕捉；軟件定時(shí)；高速輸出；頻

52、率輸出；8位PWM脈寬調(diào)制；16位PWM脈寬調(diào)制。其中在8位PWM脈寬調(diào)制模式下的輸出波形頻率為PCA時(shí)鐘頻率的256分頻，8位PWM占空比公式為： （3-1）此時(shí)，只要將PCA0開(kāi)啟，為PCA配置一個(gè)時(shí)鐘源，將相應(yīng)模塊設(shè)在8為PWM模式下，并將PWM輸出開(kāi)啟，再將該模塊配置到一個(gè)I/O口上，則不再需要處理器的干預(yù)，PCA會(huì)自動(dòng)地向外端口輸出PWM波，只有當(dāng)需要改變占空比的時(shí)候，修改一下該模塊的捕捉比較寄存器PCA0CPHn即可。UART0有同步（半雙工）和異步（全雙工）模式，同步模式下MPU只能處于主機(jī)模式，無(wú)法作為從機(jī)模式，因此，雙MPU不能直接通信。同步模式常用來(lái)作為移位寄存器的接口。異

53、步模式有三種，這里僅介紹模式1。模式1為標(biāo)準(zhǔn)的異步全雙工通信，用10位表示一字節(jié)信息：1個(gè)起始位、1個(gè)停止位和8位數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)由TX0發(fā)送，RX0接收，總線上不帶時(shí)鐘，靠主從機(jī)預(yù)先指定的波特率進(jìn)行通信。向SBUF0寫(xiě)數(shù)據(jù)即啟動(dòng)UART0發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀停止位發(fā)送完畢，TI0自動(dòng)置1。接收數(shù)據(jù)時(shí)當(dāng)接收到停止位時(shí)將數(shù)據(jù)載入SBUF0，同時(shí)將RI0自動(dòng)置1。模式1波特率時(shí)鐘靠定時(shí)器溢出產(chǎn)生，系統(tǒng)可根據(jù)需要選擇T1T4之間的任一個(gè)定時(shí)器作為UART0波特率發(fā)生器。其中，T1作為波特率發(fā)生器時(shí)工作在8位自動(dòng)重載模式下。波特率計(jì)算公式如下： （3-2）3.2.2 單片機(jī)的端口配置單片機(jī)的外部輸入輸出端

54、口配置如表3.2。C8051F040單片機(jī)由于體積小，不可能把每一個(gè)功能都設(shè)計(jì)成一個(gè)關(guān)口，而是采用交叉開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)優(yōu)先級(jí)解碼，將各個(gè)功能按優(yōu)先級(jí)順序配置到P0P3口上。P0P3口既可作為普通通用輸入/輸出口，又可作為特殊功能口，比如UART、PWM、定時(shí)器輸入輸出口及外部事件中斷等，由交叉開(kāi)關(guān)寄存器XBR0,XBR1,XBR2和XBR3配置決定。優(yōu)先級(jí)高的模塊會(huì)自動(dòng)分配到前面的端口上。大部分被交叉開(kāi)關(guān)配置的端口其輸出模式仍受PnMDOUT控制，有推挽和開(kāi)漏兩種輸出模式。表3.2. 單片機(jī)I/O端口配置表資源分配I/O管腳P0.0:TX0發(fā)送數(shù)據(jù)端P0.1：RX0接收數(shù)據(jù)端P0.2:CEX0,PWM0輸出P0.3：CEX1,PWM1輸出P0.4:T2主電機(jī)速度脈沖輸入P0.5:T3從電