課程設(shè)計(jì) 課程名稱(chēng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐 題目名稱(chēng) 基于單片機(jī)的PID電機(jī)速度調(diào)節(jié)專(zhuān)業(yè)班級(jí)_ 應(yīng)用電子技術(shù)2班 _年 級(jí) 2011級(jí) 學(xué)生姓名 張旭楷 學(xué) 號(hào) 3111002628 指導(dǎo)教師 黃國(guó)宏 2014年6月19日目錄一、 PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介21.1.PID算法21.1.1.模擬PID21.1.2.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(shù)71.2.1.PWM控制的基本原理71.2.2.直流電機(jī)的PWM控制技術(shù)8二、 設(shè)計(jì)方案與論證102.1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案102.2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案112.3.速度采集模塊設(shè)計(jì)方案102.4.顯示模塊設(shè)計(jì)方案10三、 單元電路設(shè)計(jì)113.1.硬件資源分配113.2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)113.3.電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì)123.4.串行通信模塊13四、軟件設(shè)計(jì)144.1.算法實(shí)現(xiàn)144.1.1.PID算法144.1.2.電機(jī)速度采集算法144.2定時(shí)程序流程15五、設(shè)計(jì)要求16六、總結(jié)24一、 PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介1.1、PID算法控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來(lái)實(shí)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(jìn)行的控制，稱(chēng)為PID控制。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID控制能夠滿(mǎn)足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)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(jī)構(gòu)及控制對(duì)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(xiàn)性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差： = （1.1）將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)為PID調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)對(duì)象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)組合，以達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效控制的目的。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(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，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(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)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(shè)計(jì)主要采用數(shù)字PID算法，所以對(duì)于模擬PID只做此簡(jiǎn)要介紹。1.1.2、 數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，不能對(duì)連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算，故在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。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)?： = （1.4）當(dāng)采樣周期T很小時(shí)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(shí)的初值,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用,稱(chēng)為比例（P）項(xiàng),即 （1.8）第二項(xiàng)起積分控制作用,稱(chēng)為積分（I）項(xiàng)即 （1.9）第三項(xiàng)起微分控制作用,稱(chēng)為微分（D）項(xiàng)即 （1.10）這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)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(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此,式（1.7）又稱(chēng)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?yàn)橐奂悠?不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫(xiě)程序，為此對(duì)式（1.7）進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（1.7）不難看出u(n-1)的表達(dá)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(chēng)為比例增益； 稱(chēng)為積分系數(shù)； 稱(chēng)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(guò)程的要求來(lái)考慮。一般來(lái)說(shuō)，要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)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(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過(guò)大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時(shí)滿(mǎn)足上述各項(xiàng)要求是很困難的，必須根據(jù)具體過(guò)程的要求，滿(mǎn)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(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是整定參數(shù)時(shí)不依賴(lài)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時(shí)可能略嫌粗糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實(shí)際問(wèn)題。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。（1）擴(kuò)充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對(duì)象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：選擇一個(gè)足夠小的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時(shí)，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(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時(shí)的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。控制效果的評(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積表示?？刂贫?（1.18）實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，就可以認(rèn)為DDC與模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度為2.0時(shí)，DDC比模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、的值1。表1.1 擴(kuò)充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)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線(xiàn)，來(lái)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(jìn)行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線(xiàn)振蕩很頻繁，比例度盤(pán)要放大；曲線(xiàn)漂浮繞大灣，比例度盤(pán)往小扳；曲線(xiàn)偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線(xiàn)振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)；動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實(shí)際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿(mǎn)意的控制過(guò)程為止。取比例系數(shù)為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿(mǎn)意的控制過(guò)程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿(mǎn)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(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿(mǎn)意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿(mǎn)意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)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(gè)小電機(jī)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(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。1.2、PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。1.2.1 PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)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(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。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(gè)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，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單位脈沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。圖1.4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖1.5a的電路是一個(gè)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(shè)其電流為電路的輸出。圖1.5b給出了不同窄波時(shí)的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時(shí)的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。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(yīng)也是周期性的。用傅立葉級(jí)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 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形1.2.2 直流電機(jī)的PWM控制技術(shù)直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)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(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，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)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)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)速范圍寬。同樣，由于開(kāi)關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)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(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷鱌WM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間T內(nèi)脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：，若令，即為占空比，則上式可化為： (U為脈沖幅值) （1.19）若PWM脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，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(guò)改變脈沖幅值U和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過(guò)控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。二、 設(shè)計(jì)方案與論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)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(pán)和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過(guò)鍵盤(pán)將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過(guò)控制器顯示到顯示器上。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測(cè)模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過(guò)數(shù)字PID運(yùn)算后改變PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。圖2.1 系統(tǒng)方案框圖2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類(lèi)要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。ULN2003A由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)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(shè)計(jì)方案采用對(duì)射式光電傳感器。其檢測(cè)方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)方案采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單，功率低、硬件電路簡(jiǎn)單、可對(duì)字符進(jìn)行顯示。三、 單元電路設(shè)計(jì)3.1 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見(jiàn)圖3.1所示。采用51單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，通過(guò)51的P3.3口將電脈沖信號(hào)送入單片機(jī)處理，L298作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，利用1602LCD顯示器3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB?）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。其電路如圖3.3所示，利用兩個(gè)光電耦合器將單片機(jī)的I/O與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端7，使電機(jī)在PWM脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過(guò)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，因此速度采集電路是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見(jiàn)的光電測(cè)速方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤(pán)，且其邊緣上有N個(gè)等分凹槽如圖3.5（a）所示，在圓盤(pán)的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)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(jī)每轉(zhuǎn)一圈在P3.3的輸出端就會(huì)產(chǎn)生N個(gè)低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來(lái)計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，P3.3將輸出如圖3.5所示的脈沖，若知道一段時(shí)間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機(jī)轉(zhuǎn)速v=r/s。 (a) (b)圖3.4 電機(jī)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(huà)PID波形四、軟件設(shè)計(jì)4.1 算法實(shí)現(xiàn)4.1.1 PID算法本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，對(duì)偏差進(jìn)行P、I、D運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)10，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：因此要想實(shí)現(xiàn)PID控制在單片機(jī)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(jī)速度采集算法本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度。在設(shè)計(jì)中采用了光電傳感器做為測(cè)速裝置，其計(jì)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(pán)邊緣上的凹槽數(shù)的多少?zèng)Q定的，為了減少系統(tǒng)誤差應(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設(shè)計(jì)中取凹槽數(shù)N為120，采樣時(shí)間t為0.5s，則速度計(jì)算具體程序流程如圖4.2所示。 4.2定時(shí)程序流程在本系統(tǒng)中定時(shí)器T0中斷子程序是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算，其程序流程如圖4.5所示。五、設(shè)計(jì)要求5.1選用哪種PID結(jié)構(gòu)，為什么？ 選用PI結(jié)構(gòu)，因?yàn)镻I結(jié)構(gòu)綜合了P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)程中，PI結(jié)構(gòu)已滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，所以采用PI結(jié)構(gòu)。5.2 通過(guò)波形圖說(shuō)明PID算法參數(shù)整定規(guī)程（1）【P結(jié)構(gòu)】V=60r/s,kp=0.5,靜差=2，超調(diào)=5 v=60r/s kp=0.81。超調(diào)=3 靜差=1。（2）【PI結(jié)構(gòu)】系統(tǒng)超調(diào)基本消除，但存在靜差，因此需要加入積分環(huán)節(jié)。先設(shè)Ki為一較大值，并將Kp縮小。V=60r/s, kp=0.72，ki=0.02。（3）【PID結(jié)構(gòu)】加入微分環(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 比較控制算法分別采用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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。5.4 系統(tǒng)加入D和不加入D的不同之處。對(duì)于具有較大慣性轉(zhuǎn)速或者之后去的對(duì)象，系統(tǒng)加入D之后，明顯的減小了振蕩，減小了調(diào)節(jié)時(shí)間，使得系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。不加入D的話(huà)，當(dāng)系統(tǒng)較大慣性或滯后的被控對(duì)象，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)近似等幅振蕩，無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。但是一般合理的轉(zhuǎn)速區(qū)間則影響不大。六、總結(jié)本課題的目的在于利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PID算法產(chǎn)生PWM脈沖來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。到目前為止通過(guò)對(duì)控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊、數(shù)字PID算法等進(jìn)行深入的研究。完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件方面利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，增強(qiáng)了程序的可移植性和靈活性并且保證了程序的準(zhǔn)確性。歸納起來(lái)主要做了如下幾方面的工作：1、 PID算法與PWM控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合；2、 設(shè)計(jì)了速度檢測(cè)電路；3、 利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)4、 根據(jù)上面論述結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，掌握了數(shù)字PID算法的使用及編程方法，學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)技巧。20