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1、word模板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，纵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。其设计思路为：以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反响到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。在系统中采12864LCD显示器作为显示部件，通过44键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解
2、电机当前的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。软件局部采用C语言进展程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改与调试方便、易读等。本次设计系统的主要特点：1优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；2使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比拟准确的反映出电机的转速，从而与设定值进展比拟产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；3使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；412864LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；5利用Proteus软
3、件进展系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，防止不必要的损失；6采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；7系统性能指标：超调量8；调节时间4s；转速误差1r/min。1PID算法与PWM控制技术简介算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成局部，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进展的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都明确，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与其参数整定方法。模拟PID在模拟控制系统中，
4、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下列图，系统由模拟PID调节器、执行机构与控制对象组成。 图 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： =将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进展控制，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根本控制规律进展适当组合，以达到对被控对象进展有效控制的目的。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
5、环节：即时成比例地反响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，反之如此越强；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，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由式可得，模拟PID调节器的传递函数为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。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
6、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展运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进展离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式离散化，我们把图中、在第n次采样的数据分别用、表示，于是式变为 ：=当采样周期T很小时可以用T近似代替，可用近似代替，“积分用“求和近似代替，即可作如下近似这样，式便可离散化以下差分方程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 第二项起积分控制作用,称为积分I项即第三项起微分控制作用,称为微分D项即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: PI控制: PD控制: PID控
7、制: 式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,式又称为位置型PID算式。由可看出，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，为此对式进展改良。根据式不难看出u(n-1)的表达式，即将式和式相减，即得数字PID增量型控制算式为 从上式可得数字PID位置型控制算式为式中： 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和所示：图 数字PID位置型控制示意图 图 数字PID增量型控制示意图数字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
8、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，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下
9、面介绍两种常用的简易工程整定法。1扩大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与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拟。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。 控制度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
10、效果的物理概念。通常，当控制度为时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当；当控制度为时，DDC比模拟控制效果差。根据选定的控制度，查表求得T、的值1。表 扩大临界比例度法整定参数控制度控制规律TPIPIDPIPIDPIPIDPIPID2经验法经验法是靠工作人员的经验与对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整P、I、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进展：参数整定找最优，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；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
11、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=0，实际微分系数=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数，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。取比例系数为当前的值乘以，由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善如此继续调整，直到满意为止。否如此，将原比例系数增大一些，再调整积分系数，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。引入适当的实际微分系数和实际微分时间，此时可适当增大比例系数和积分
12、系数。和前述步骤一样，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I在3、10之间,D在1左右。小惯量如：一个小电机闭环控制，一般P在1、10之间,I在0、5之间,D在0.1、1之间,具体参数要在现场调试时进展修正。脉冲控制技术PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进展调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进展调制，来等效地获得所需要波形含形状和幅值。控制的根本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本一样。冲量
13、即指窄脉冲的面积。这里所说的效果根本一样，是指环节的输出响应波形根本一样。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，如此其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图的a为矩形脉冲，图的b为三角脉冲，图的c为正弦半波脉冲，但它们的面积即冲量都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应根本一样。当窄脉冲变为如图的d所示的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图 形状不同而冲量一样的各种窄脉冲图的电路是一个具体的例子。图中为窄脉冲，其形状和面积分别如图的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设
14、其电流为电路的输出。图给出了不同窄波时的响应波形。从波形可以看出，在的上升段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但其下降段几乎完全一样。脉冲越窄，各波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，如此响应也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同2。 图 冲量一样的各种窄脉冲的响应波形直流电机的PWM控制技术直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速X围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速X围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有如下优点：由于PWM调速系统
