基于51单片机的PID直流电机设计.docx
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1、课 程 设 计 课程名称 计 算 机 控 制 技 术 题目名称 直 流 电 机 PID 调 速 学生学院 信 息 工 程 学 院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 目 录(contents)摘要.* 第一章 方案选择1.1 PID算法 . .*1.2 PID参数整定.*1.3 PWM脉冲控制技术.*第二章 分析与计算2.1. 系统设计方案. . .*2.2. 数字PID控制器. .*2.3. 凑式法整定PID参数. .*2.4. 直流电机测速. . .*第三章 硬件电路设计3.1. 元器件介绍. . .*3.2. 电源驱动电路. . .1*3.3. 电机调速控制电路. .1*第四章 程序设
2、计4.1. 系统程序流程图. .1*4.2. 抗积分饱和的办法. .1*4.3. 积分分离的办法. .1*4.4 指令冗余技术的应用. .1*第五章 调试过程5.1. 只有比例环节(P). . .1*5.2. 加入积分环节(PI). . .2*5.3. 加入微分分离(PID) .2*5.4. 只使用比例积分环节(PD). . .2*第六章 设计心得. . .2*第七章 参考文献. .2*第八章 附录(程序). .2* 摘 要现代工业生产中,随着生产规模的不断壮大,人们对产品质量的要求日益提高,以及现代环境的复杂化,使工业过程控制系统已成为生产中必不可少的设备。PID控制是最为广泛和通用的的控制
3、方法,PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。虽然各种现代控制技术频繁的出现,但并没有削弱PID控制器的应用。相反,新技术的出现对于PID控制技术的发展起了很大的推动作用。一方面,各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器,PID控制技术被注入了新的活力。另一方面,某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制,从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。本次课程设计以8051单片机为基础设计一个PID控制器,包括电源、显示、按键电路和复位晶振电路还有测速和控制电机电路,最后在Proteus
4、与Keil搭建的仿真平台上进行仿真。关键词:PID控制器; 8051单片机; PID参数;ABSTRACTWith the growing scale of production in modern industrial production , product quality increasing the complexity of modern environmental and industrial process control systems have become essential equipment in the production .PID control is the m
5、ost widespread and common control , PID controller is its simple structure , good stability , reliable , and easy to adjust and become one of the industrial control . Although a variety of modern control technology is frequent, but did not weaken the application of the PID controller . On the contra
6、ry, the emergence of new technologies for the development of the PID control technology played an important role in promoting .On the one hand , among the variety of new control ideas continue to be applied to the PID controller design or use of thought control to design a new controller with PID st
7、ructure , the PID control technology has injected new vitality . On the other hand , the development of some of the new control technology requirements for more accurate PID control , thereby stimulating the development of PID controller design and parameter tuning technology .This paper based on th
8、e design of a PID controller in 8051 , including the power supply , display , button and reset circuit crystal oscillator circuit , the speed of Measurement and motor conversion circuit , and finally the simulation on Proteus and Keil simulation platform Keywords: PID controller; 8051SCM ; PID param
9、eters 第一章 方案选择1.1 PID算法增量式PID:是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。采用增量式算法时,计算机输出的控制量u(k)对应的是本次执行机构位置的增量,而不是对应执行机构的实际位置,因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能,才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现;也可以采用软件来实现,如利用算式u(k)=u(k-1)+u(k)程序化来完成。增量式算法优点:算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近3次的采样值有关,容易通过加权处理获得比较好的控制效果;计算机每次只输出控制增量,即对应执行机构位置的变化量,故机器发生故障时
10、影响范围小、不会严重影响生产过程;手动自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时,可以作到无扰动切换。位置式PID算法,该控制算法提供了执行机构的具体位置,PID输出与整个过去的状态有关,容易产生大的累加误差。位置式PID控制算法的缺点:当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关,计算时要对e(k)进行累加,运算量大;而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置,如果计算机出现故障,u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。方案选择:此次课设采用增量式PID算法,原因是PWM占空比和转速不成线性关系,无法准确改变占空比来达到期望速度,采用增量式的好处是只要有误差存在就可以不断增加或
11、者减少占空比来达到期望速度,同时也不会出现一旦计算机出现故障,u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化的问题。1.2 PID参数整定在模拟控制系统中,参数整定的方法较多,常用的实验整定法有:临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法,如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。扩充临界比例度法:是对模拟控制器中使用的临界比例度法的扩充。其步骤如下:(1)选择一个足够短的周期,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。(2)用选定的采样周期使系统工作。这时,数字控制器去掉积分作用和微分作用,只保留比例作用。然后逐渐减小比例
12、度,直到系统发生持续等幅振荡。记下使系统发生振荡的临界比例度和系统的临界振荡周期。(3)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 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。(4)根据选定的控制度,查表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.
13、20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22表1.扩充临界比例度法整定参数凑试法,根据参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例,后积分,再微分的整定步骤。凑试法整定规则:增大比例系数Kp一般将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生震荡,使稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调,减小震荡,使系统更加稳定,但系统的静差消除将随之减慢。增大微分时间Td亦有利于加快系统响应,使超
14、调量减少,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱,对扰动有较敏感的响应。在凑试时,可以参考以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行下述先比例,后积分,再微分的整定步骤。具体也可以按照以下口诀进行: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。 3方案选择:此次课设采用凑试法。主要原因是由于被控对象是直流电机,一般不具有振荡特性,其飞升曲线是单调变化的,并没有自平衡特性,也就是说在只有比例
15、环节的情况下不可能出现等幅震荡的情况。再者又发现直流电动机的纯滞后时间往往为零点零几秒左右,要选择一个足够短的采样周期,使其为直流电动机对象的纯滞后时间的十分之一以下,若选择十分之一,当采用此周期作为系统采样周期时,发现根本采集不了速度,因为测速模块的频率跟不上系统采样频率。基于以上原因,故选择采用凑试法来确定PID参数。1.3 PWM脉冲控制技术PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。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
16、效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异。例如图1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同,其中图1的a为矩形脉冲,图1的b为三角脉冲,图1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,其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如图1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1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图2a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1的a、b、c、d所示,为电路的输入。该输入
17、加在可以看成惯性环节的R-L电路上,设其电流为电路的输出。图2b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相同。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,则响应也是周期性的。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2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广,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
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