計算機控制技術課程設計報告

-.z課程設計課程名稱計算機控制系統(tǒng)綜合設計與實踐題目名稱基于單片機的PID電機速度調(diào)節(jié)專業(yè)班級__應用電子技術2班_年級2021級學生旭楷學號3111002628指導教師黃國宏2014年6月19日-.z目錄一、PID算法及PWM控制技術簡介21.1.PID算法2.模擬PID2.數(shù)字PID31.1.3.數(shù)字PID參數(shù)整定方法51.2.PWM脈沖控制技術7.PWM控制的根本原理7.直流電機的PWM控制技術8二、設計方案與論證102.1.系統(tǒng)設計方案102.2.電機驅(qū)動模塊設計方案112.3.速度采集模塊設計方案102.4.顯示模塊設計方案10三、單元電路設計113.1.硬件資源分配113.2.電機驅(qū)動電路設計113.3.電機速度采集電路設計123.4.串行通信模塊13四、軟件設計144.1.算法實現(xiàn)14.PID算法144.1.2.電機速度采集算法144.2定時程序流程15五、設計要求16HYPERLINK\l"_六、總結"六、總結24一、PID算法及PWM控制技術簡介1.1、PID算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成局部，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例〔P〕、積分〔I〕、微分〔D〕進展的控制，稱為PID控制。實際經(jīng)歷和理論分析都說明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬PID、數(shù)字PID及其參數(shù)整定方法。1.1.1模擬PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.1所示，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構及控制對象組成。圖1.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構成的控制偏差：=－〔1.1〕將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進展控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I、D根本控制規(guī)律進展適當組合，以到達對被控對象進展有效控制的目的。例如，P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器等。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為〔1.2〕式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：〔1〕比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反響控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；〔2〕積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；〔3〕微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢〔變化速率〕，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。由式1.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為〔1.3〕由于本設計主要采用數(shù)字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。1.1.2、數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進展運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進展離散化的算法設計。為將模擬PID控制規(guī)律按式〔1.2〕離散化，我們把圖1.1中、、、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、、、表示，于是式〔1.1〕變?yōu)椋?－〔1.4〕當采樣周期T很小時可以用T近似代替，可用近似代替，“積分〞用“求和〞近似代替，即可作如下近似〔1.5〕〔1.6〕這樣，式〔1.2〕便可離散化以下差分方程〔1.7〕上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例〔P〕項,即〔1.8〕第二項起積分控制作用,稱為積分〔I〕項即〔1.9〕第三項起微分控制作用,稱為微分〔D〕項即〔1.10〕這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有:P控制:〔1.11〕PI控制:〔1.12〕PD控制:〔1.13〕PID控制:〔1.14〕式〔1.7〕的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應到達的位置。因此,式〔1.7〕又稱為位置型PID算式。由〔1.7〕可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式〔1.7〕進展改良。根據(jù)式〔1.7〕不難看出u(n-1)的表達式，即〔1.15〕將式〔1.7〕和式〔1.15〕相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為〔1.16〕從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為〔1.17〕式中：稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)[1]。數(shù)字PID位置型示意圖和數(shù)字PID增量型示意圖分別如圖1.2和1.3所示：圖1.2數(shù)字PID位置型控制示意圖圖1.3數(shù)字PID增量型控制示意圖1.1.3、數(shù)字PID參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法?！?〕擴大臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：①選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。②用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度〔〕直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應到達臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。③選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比擬?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤差平方面積表示?？刂贫龋健?.18〕實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當控制度為1.05時，就可以認為DDC與模擬控制效果相當；當控制度為2.0時，DDC比模擬控制效果差。④根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、、、的值[1]。表1.1擴大臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22〔2〕經(jīng)歷法經(jīng)歷法是靠工作人員的經(jīng)歷及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進展：參數(shù)整定找最正確，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)歷法的整定步驟：①讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。②取比例系數(shù)為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。③積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。④引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟一樣，微分時間的整定也需反復調(diào)整，直到控制過程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般P可在10以上,I在〔3、10〕之間,D在1左右。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般P在〔1、10〕之間,I在〔0、5〕之間,D在〔0.1、1〕之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進展修正。1.2、PWM脈沖控制技術PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進展調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進展調(diào)制，來等效地獲得所需要波形〔含形狀和幅值〕。1.2.1PWM控制的根本原理在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果根本一樣。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果根本一樣，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形根本一樣。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1.4中a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1.4的a為矩形脈沖，圖1.4的b為三角脈沖，圖1.4的c為正弦半波脈沖，但它們的面積〔即沖量〕都等于1，則，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應根本一樣。當窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單位脈沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖1.4形狀不同而沖量一樣的各種窄脈沖圖1.5a的電路是一個具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖1.4的a、b、c、d所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設其電流為電路的輸出。圖1.5b給出了不同窄波時的響應波形。從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全一樣。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同[2]。圖1.5沖量一樣的各種窄脈沖的響應波形1.2.2直流電機的PWM控制技術直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領域中得到了廣泛的應用。直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速圍寬。同樣，由于開關頻率高,快速響應特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作在開關狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制(PWM)技術得到了飛速的開展。根據(jù)PWM控制的根本原理可知，一段時間加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，則如果在短時間T脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時間脈沖的等效直流電壓為：，假設令，即為占空比，則上式可化為：(U為脈沖幅值)〔1.19〕假設PWM脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，則與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述一樣，即〔為矩形脈沖占空比〕〔1.20〕圖1.7周期性PWM矩形脈沖由式1.20可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0～U之間任意調(diào)節(jié)，從而到達利用PWM控制技術實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進展調(diào)節(jié)的目的。二、設計方案與論證2.1系統(tǒng)設計方案根據(jù)系統(tǒng)設計的任務和要求，設計系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其過鍵盤將需要設置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反響到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。圖2.1系統(tǒng)方案框圖2.2電機驅(qū)動模塊設計方案ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003A由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網(wǎng)絡以及鉗位二極管網(wǎng)絡構成，具有同時驅(qū)動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。2.3速度采集模塊設計方案采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發(fā)射器和承受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準承受器，當測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進展測量。2.4顯示模塊設計方案采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進展顯示。三、單元電路設計3.1硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖3.1所示。采用51單片機作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機轉(zhuǎn)速測量裝置，通過51的P3.3口將電脈沖信號送入單片機處理，L298作為直流電機的驅(qū)動模塊，利用1602LCD顯示器3.2電機驅(qū)動電路設計驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。其中輸出腳〔SENSEA和SENSEB?〕用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機驅(qū)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(diào)速。其電路如圖3.3所示，利用兩個光電耦合器將單片機的I/O與驅(qū)動電路進展隔離，保證電路平安可靠。這樣單片機產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端[7]，使電機在PWM脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。圖3.3電機驅(qū)動電路3.3電機速度采集電路設計在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進展比擬，通過偏差進展PID運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的局部。本次設計中應用了比擬常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個等分凹槽如圖3.5〔a〕所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖3.4〔b〕所示，從圖中可以得出電機每轉(zhuǎn)一圈在P3.3的輸出端就會產(chǎn)生N個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時，P3.3將輸出如圖3.5所示的脈沖，假設知道一段時間t傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機轉(zhuǎn)速v=r/s。(a)(b)圖3.4電機速度采集方案3.4串行通信模塊主要用于與電腦通信繪畫PID波形四、軟件設計4.1算法實現(xiàn)4.1.1PID算法本系統(tǒng)設計的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設定值進展比擬得出偏差，對偏差進展P、I、D運算最終利用運算結果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)[10]，進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為：因此要想實現(xiàn)PID控制在單片機就必須存在上述算法，其程序流程如圖4.1所示。4.1.2電機速度采集算法本系統(tǒng)中電機速度采集是一個非常重要的局部，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為：v=r/min從這里可以看出速度v的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的，為了減少系統(tǒng)誤差應盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設計中取凹槽數(shù)N為120，采樣時間t為0.5s，則速度計算具體程序流程如圖4.2所示。4.2定時程序流程在本系統(tǒng)中定時器T0中斷子程序是用來控制電機運行時間和進展速度計算和PID運算，其程序流程如圖4.5所示。五、設計要求5.1選用哪種PID構造，為什么.選用PI構造，因為PI構造綜合了P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，能夠更好的減小超調(diào)、消除穩(wěn)態(tài)誤差。由于在本次PID整定過程中，PI構造已滿足系統(tǒng)要求，所以采用PI構造。5.2通過波形圖說明PID算法參數(shù)整定規(guī)程〔1〕【P構造】V=60r/s,kp=0.5,靜差=2，超調(diào)=5v=60r/skp=0.81。超調(diào)=3靜差=1?！?〕【PI構造】系統(tǒng)超調(diào)根本消除，但存在靜差，因此需要參加積分環(huán)節(jié)。先設Ki為一較大值，并將Kp縮小。V=60r/s,kp=0.72，ki=0.02?！?〕【PID構造】參加微分環(huán)節(jié)后。Kp=0.72，ki=0.2，kd=0.1。系統(tǒng)出現(xiàn)Kp=0.72，ki=0.2，kd=0.2。系統(tǒng)出現(xiàn)靜差，靜差=15.3比擬控制算法分別采用P、PI、PD、PID，控制效果的不同之處。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進展控制的。比例〔P〕控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差〔Steady-stateerror〕。積分〔I〕控制在