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1、课程设计课程名称 计算机控制系统综合设计与实践 题目名称基于单片机的PID电机速度调节 专业班级应用电子技术2班 年级2011级学生旭楷学号3111002628指导教师黄国宏2014年6月19日目录一、PID算法及PWM控制技术简介21.1. PI。算法21.1.1. 模拟 PID21.1.2. 数字 PID31.1.3. 数字PID参数整定方法51.2.PWM脉冲控制技术71.2.1. PWM控制的基本原理71.2.2. 直流电机的PWM控制技术8二、设计方案与论证102.1. 系统设计方案102.2. 电机驱动模块设计方案112.3. 速度采集模块设计方案102.4. 显示模块设计方案10
2、三、单元电路设计113.1. 硬件资源分配113.2. 电机驱动电路设计113.3. 电机速度采集电路设计123.4. 串行通信模块13四、软件设计144.1.算法实现144.1.1外十算法144.1.2. 电机速度采集算法144.2定时程序流程 15五、设计要求16六、总结24一、PID算法及PWM控制技术简介1.1、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（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
3、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 及其参数整定方法。1.1.1 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PI D控制系统原理框图 如图1. 1所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。图1.1 模拟？山控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r（t）与实际输出值（t）构成的控制偏差:（1.1）e(t)= r(t) _ c(t)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，将P、I、D基本控制规律进行适当 组合，以达到
4、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（1.2）u (t) = K e (t) + _1 j e (t) dt + T 屁()P T。D dtI u式中，K P为比例系数，T为积分时间常数，TD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e(t),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T，T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
5、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，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由式1.2可得，模拟PID调节器的传递函数为D (S)=U (S)ES=K (1 + + T S)pTSd(1.3)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。1.1.2、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
6、制规律按式(1.2)离散化，我们把图1.1中r()、e(t)、u(t)、C(t) 在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是式(1.1)变为：(1.4)e(n)= r(n) _ c(n)当采样周期T很小时出可以用T近似代替，de(t)可用e(n) e(n一D近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似de(t)e(n) - e(n -1)(1.5)dtjt e(t)dt e(i)T0一(1.6)i=1这样，式(1.2)便可离散化以下差分方程/ 、“一、T 寸，、T ru(n) = K e(n) + e(n) + -de(n) 一 e(n 一 1) + ui
7、=1(1.7)上式中u 0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up （ n ）,(1.8)第二项起积分控制作用，称为积分（I）项uj（11）即/、 T q ,、 u (n) = K 一 寸 e(i)i=1(1.9)第三项起微分控制作用，称为微分（D）项uD（n）即u (n) = K 八e(n) - e(n -1) d p t(1.10)P控制：u (n) = u (n) + u(1.11)PI控制：u (n) = u (n) + u (n) + u(1.12)PD控制：u (n) = u (n) + u (n) + u(1.13)PID控制:u (n) = u (
8、n) + u (n) + u (n) + uPID0(1.14)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:式（1.7）的输出量u （n）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（1.7）又称为位置型PID算式。由（1.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e （i），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（1.7）进行改进。根据式（1.7）不难看出u（n-1）的表达式，即u(n 1) = K e(n 1) + e(n) + de(n 1) e(n 2) + u ( 15)i=1将式（1.7）和式（1
9、.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为u (n) = u (n) - u (n -1)(1.16)=K e(n) 一 e(n -1) + K e(n) + K e(n) 一 2e(n -1) + e(n 一 2)从上式可得数字PID位置型控制算式为u(n) = K e(n) 一 e(n -1) + K e(n) + K e(n) 一 2e(n -1) + e(n 一 2) + u (1.17)式中：K p称为比例增益;丫 TK = K pT称为积分系数;Tkd = K pTD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1.2和1.3所示:图1.2 数字PID位置型
10、控制示意图1.1.3、数字PID参数整定方法如何选择控制算法的参数，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
11、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5 (5 = 1/KP)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5 K及系统的临界振荡周期Tk。 选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基
12、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，e2(t)表示。卜 e2(t)dtDDC控制度= (1.18)J00 e 2( t) dt 模拟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1.1求得T、K p、T 、T D的值1表1.1扩充临界比例度法整定参数控制度控制规律TKTT1.05PI0.03 TP0.53 5KI0.88 TD1.05PID0.014 T0.63 50.49 T0
13、.14 T1.20PIK-0.05 TK0.49 5K0.91 TK1.20PIDK0.043 TK0.047 5K0.47 T0.16 T1.50PIK0.14 TK0.42 5 KK0.99 TK1.50PID0.09 T0.34 S0.43 T0.20 T2.00PIK0.22 TK0.36 &K1.05 TK2.00PIDK0.16 TK0.27 糙K0.40 T0.22 TKKKK（2）经验法经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调 整P、I、。三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分
14、加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数K/二0，实际微分系数K d二0，控制系统投入闭环运行，由小到 大改变比例系数K p，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为 止。 取比例系数Kp为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数气，同样让扰动信号作 阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 积分系数K保持不变，改变比例系数K p，观察控制过程有无改善，如有改善则继续 调整，直到满意为止。否则
