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1、基于8088控制器的直流电机闭环调速摘要：本课程设计系统由AEDK-Lab ACT自控/计控原理实验箱中的直流电机和电机驱动功率放大器、调节器（8088控制器）、电机转速检测传感器、F/V转换器等组成，本课程设计采用单闭环控制方案结合PID算法来实现直流电机的调速。在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最
2、佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。关键词：直流电机；闭环调速；PID；8088控制器目录第1章 绪论11.1 课题背景11.2 选题的目的和意义11.3 本课程设计的主要内容1第2章 PID算法及参数整定22.1 PID算法22.2 PID参数整定方法5第3章 控制系统设计方法73.1 系统设计思路73.2 硬件组成及工作原理73.3 软件设计及流程图9第4章 参数调试及数据分析 11 4.1 调整F/V转换
3、静态工作点 11 4.2 测空连线11 4.3 实验数据及分析12 4.4 PID调节参数的分析19第五章 结束语21致谢22参考文献23附录124II第1章 绪论1.1 背景21世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。不同的控制系统、传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统
4、的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。 1.2 选题的目的和意义受益于数十年来全球经济高速成长所获得的PID控制成果,在中国市场，一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了医疗、汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。但是由于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过程控制方面PID控
5、制技术的应用更是越来越广泛和深入。1.3 本课程设计的主要内容本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的应用，众所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、DA转换模块、AD转换模块。第2章 PID算法及其参数整定2.1 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（
6、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。2.1.1 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2.1所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。 （图2.1 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:= （2.1）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，
7、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 （2.2）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
8、统的动作速度，减少调节时间。由式2.2可得，模拟PID调节器的传递函数为 （2.3）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。2.1.2 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（2.2）离散化，我们把图2.1中、在第n次采样的数据分别用、表示，于是式（2.1）变为 ： = （2.4）当采样周期T很小时可以用T近似代替，可
9、用近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （2.5） （2.6）这样，式（2.2）便可离散化以下差分方程 （2.7）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 （2.8）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项即 （2.9）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项即 （2.10）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: （2.11）PI控制: （2.12）PD控制: （2.13）PID控制: （2.14）式（2.7）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（2.7）又称为位
10、置型PID算式。由（2.7）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（2.7）进行改进。根据式（2.7）不难看出u(n-1)的表达式，即 （2.15）将式（2.7）和式（2.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为 （2.16） 从上式可得数字PID位置型控制算式为 （2.17）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2.2和2.3所示：（图2.2 数字PID位置型控制示意图）（ 图2.3 数字PID增量型控制示意图）2.2 PID参数整定方法如何选择控制算
11、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
12、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：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。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。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。根据选定的控制度，查表2.1求得T、的值控制度控制规律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.
