沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）I摘 要本設(shè)計采用微控制器 AT89S52 完成小型直流電機 轉(zhuǎn)速的采集、計算、顯示、鍵盤設(shè)定等功能。并將非均勻采樣情況下的增量式積分分離 PID 控制算法應(yīng)用于直流電機的 PWM 調(diào)速，實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)速的測量和分段控制，解決了通常低采樣周期時系統(tǒng)的超調(diào)問題。在設(shè)計過程中主要包括了以下兩個方面的內(nèi)容：一是直流電動機調(diào)速理論的研究及其控制器的理論設(shè)計，二是控制電路的仿真和硬件設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明采用分段 PID 控制具有算法簡單快速性能好動態(tài)恢復(fù)特性快的特點。對調(diào)速系統(tǒng)的研究及以后同類系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了一定的參考。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；PID 控制；AT89S52；PWM沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IIAbstractThis design uses microcontroller AT89S52 to complete performances such as sampling， calculating， displaying， and keyboard setting of rotational speed for small DC electromotor. Under situation of non-uniform sampling， the increment type integral separation PID control algorithm has been applied in the PWM speed regulation for DC electromotor， which can realize measuring and sectional controlling of the electromotor rotational speed， and has solved the general overshoot problem with low sampling period. The paper mainly includes two aspects. The first aspect is the principle research in the speed regulation system of DC electromotor and design of it. The second aspect is simulation of circuit and hardware design. The results of design have indicated that， with sectional PID controller， the system has features including simple algorithm， good rapidity， fast dynamic recovery performances. The paper offers some consults for researching system of speed regulation and design of similiar system.Key words DC speed regulation system; PID control; AT89S52; PWM沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）III目 錄1 緒 論 11.1 課題來源及研究背景 .11.2 直流電動機的發(fā)展與現(xiàn)狀 .21.3 直流電機調(diào)速系統(tǒng) .31.4 數(shù)字 PID 技術(shù)概述 41.5 本文內(nèi)容及章節(jié)安排 .52 直流電機轉(zhuǎn)速分段 PID 控制的單片機實現(xiàn)方案 .62.1 整體方案設(shè)計 .62.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案 62.1.2 轉(zhuǎn)速測量方案 62.1.3 電機驅(qū)動方案 72.1.4 鍵盤顯示方案 72.1.5 PWM 軟件實現(xiàn)方案 82.2 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計 .82.3 本章小結(jié) .93 硬件系統(tǒng)模塊組成與電路分析 103.1 速度測量電 路設(shè)計 .103.1.1 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 .103.1.2 脈沖濾波整形電路的設(shè)計 113.2 電機驅(qū)動電路的設(shè)計 .113.3 LCD 顯示電路與單片機的接口設(shè)計 .123.4 按鈕控制電路設(shè)計 .133.5 本章小結(jié) .144 系統(tǒng)程序設(shè)計及實現(xiàn) 154.1 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計 .154.2 系統(tǒng)各部分子功能程序設(shè)計 .164.2.1 電機轉(zhuǎn)速測量程序設(shè)計 164.2.2 鍵盤程序設(shè)計 184.2.3 LCD 顯示子程序的設(shè)計 194.3 PWM 信號的單片程序?qū)崿F(xiàn) .214.4 本章小結(jié) .215 數(shù)字 PID 及其算法的改進 .22沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IV 5.1 PID 控制基本原理 225.2 三個基本參數(shù) Kp，Ti，Td 在實際控制中作用研究 275.3 PID 算法的改進“飽和”作用的抑制 .285.4 PID 控制算法的單片機程序?qū)崿F(xiàn) 315.5 本章小結(jié) .316 系統(tǒng)的調(diào)試過程與測試 326.1 轉(zhuǎn)速度測量部分調(diào)試 .326.2 PID 各項系數(shù)賦初值 336.3 實驗調(diào)試和確定 PID 算法各項系數(shù) 346.3.1 賦初值調(diào)試分析 346.3.2 修改 PID 各項系數(shù)值調(diào)試分析 .356.3.3 PID 各項系數(shù)值的確定 .356.4 本章小結(jié) .35結(jié)論 37社會經(jīng)濟效益分析 38參考文獻 39致謝 40附錄符號表 41附錄 II 元器件清單 42附錄 單片機程序 43附錄 硬件原理圖 53附錄 PCB 圖 54沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1 1 緒 論1.1 課題來源及研究背景目前見到的許多關(guān)于直流電機的測速與控制中雖然能實現(xiàn)直流電機的無級調(diào)速，但還存在一些問題如無法與計算機直接接口許多較為復(fù)雜的控制算法無法，在不增加硬件成本的情況下實現(xiàn)控制器的人機界面不理想。總的來講控制器的智能化程度不高可移植性差。雖然采用 PWM 芯片來實現(xiàn)電機無級調(diào)速的方案成本較低 ，但當(dāng)控制器針對不同的應(yīng)用場合增加多種附加功能時，其靈活性不夠而且反而增加硬件的成本。還有一些使用 PLC 控制器或高檔處理器芯片（如 DSP 器件）的文獻，它們雖然具有較高的控制性能，但由于這些高檔處理器價格過高需要更多的外圍器件因此也不具備在通常情況下大規(guī)模使用的條件。從發(fā)展趨勢上看，總體的研究方向是提出質(zhì)量更高的算法和調(diào)速方案以及在考慮成本要求的前提下，選擇適合這種算法的核心控制器。直流電動機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通開環(huán)控制或單閉環(huán)的直流電動機可靠性差需要經(jīng)常維護；開環(huán)控制加負載時電流增大負載轉(zhuǎn)矩也將加大轉(zhuǎn)速只能降下來，影響了直流電動機在控制系統(tǒng)中的進一步應(yīng)用。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動加速時間又過長，為了克服直流電機開環(huán)工作時增加負載而導(dǎo)致速度降過大或閉環(huán)啟動時加速時間過長等不利因素，雙閉環(huán)直調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)用而生。雙閉環(huán)控制直流電動機不僅使直流電動機有著良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性且運行可靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)它要求實現(xiàn)快、穩(wěn)、準的位置控制。普通的伺服電機通常轉(zhuǎn)速較高而轉(zhuǎn)矩較小，在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件去拖動負載時都必須經(jīng)過齒輪減速裝置，但由于齒隙的影響往往使系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性下降。因此為了減小甚至消除誤差簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高精度和穩(wěn)定性達到少用或不用減速器的目的，就研制并應(yīng)用了力矩電動機。它具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度等特點可以滿足伺服系統(tǒng)更高性能要求。另外采用雙閉環(huán)控制電路控制電機運行可進一步提高系統(tǒng)的可靠性同時沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）2 也符合“無刷化、稀土化、同步化” 的發(fā)展趨勢。1.2 直流電動機的發(fā)展與現(xiàn)狀一個多世紀以來雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一直被廣泛應(yīng)用著電動機，作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。電動機主要類型有同步電動機、異步電動機與直流電動機三種，其容量小到幾瓦大至上萬千瓦。但它們工作的時候都離不開速度調(diào)節(jié)或是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。眾所周知直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多數(shù)均采用三相異步電動機。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展人們生活水平的提高需要不斷地開發(fā)各種新型電動機?？茖W(xué)技術(shù)的進步新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)更促進了電功機產(chǎn)品的不斷推陳出新。針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病早在本世30年代就有人開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的直流無刷電動機，并取得了一定成果但由于當(dāng)時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段沒能找到理想的電子換相元器件，使得這種電動機只能停留在實驗室研究階段而無法推廣使用。1955年美國D.哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電動機機械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代直流無刷電動機的雛形，但由于該電動機尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化后，又經(jīng)過人們多年努力借助于霍爾元件來實現(xiàn)換相的直流無刷電動機。終于在1952年問世，從而開創(chuàng)了直流無刷電動機產(chǎn)品化的新紀元。70年代以來隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件如GTRMOSFET， IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料如釤鈷、鐵硼等的問世均為直流無刷電動機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。由于直流無刷電動機既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點故在當(dāng)今國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。如計算機硬盤驅(qū)動器和軟盤驅(qū)動器里的主軸電動機、錄象機中的伺服電動機均數(shù)以百萬計地運用直流電動機。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3 1.3 直流電機調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求調(diào)速采用 PID 控制器，因此需要設(shè)計一個閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速使電機速度等于設(shè)定值并且實時顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過對設(shè)計功能分解設(shè)計方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測量方案論證，電機驅(qū)動方案論證，鍵盤顯示方案論證，PWM 軟件實現(xiàn)方案論證。采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PID 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流 值以后靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地dcrI控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 1.1a 所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小因而加速過程必然拖長。a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán) b）雙閉環(huán)理想快速啟動過程調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程圖 1.1 調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形對于像龍門刨床、可逆軋鋼機那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此在電機最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4 過程波形示 1.1b，這時起動電流呈方形波而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上由于主電路電感的作用電流不能突跳圖 1.1b 所示的理想波形，只能得到近似的逼近不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律采用某個物理量的負反饋就可dmI以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋不再靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用。1.4 數(shù)字 PID 技術(shù)概述現(xiàn)代控制理論在興旺發(fā)達的六七十年代，曾有不少學(xué)者預(yù)言終會有那么一天，現(xiàn)代控制理論給出的新型控制器將會取代經(jīng)典調(diào)節(jié)理論給出的 PID 調(diào)節(jié)器。然而這三十多年的控制工程實踐中并沒有應(yīng)驗?zāi)切W(xué)者們的預(yù)言。PID 調(diào)節(jié)器仍頑強地固守著自己的陣地，現(xiàn)代控制理論提供的控制器卻遇到了不易克服的適應(yīng)性、魯棒性等難題而處于控制工程中的劣勢地位。1990 年的一個調(diào)查報告指出，至今在過程控制中用的 84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進型包含在內(nèi)則超過 90%?，F(xiàn)代控制理論的三十多年努力對過程控制的貢獻還不到 10%。從某種意義上講，現(xiàn)代控制理論在分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面是成功的，是一個很好的分析工具。然而現(xiàn)代控制理論所提供的控制器設(shè)計方法完全靠對象的數(shù)學(xué)模型，而且還被“微分器物理不可實現(xiàn)”所束縛。由于不能簡單地提取微分信號而不得不依靠數(shù)學(xué)模型來提取狀態(tài)變量信息。其結(jié)果遇到了適應(yīng)性、魯棒性等難題而應(yīng)用受到了限制。可以說現(xiàn)代控制理論并沒有提供實用的控制器設(shè)計方法。相反經(jīng)典調(diào)節(jié)理論不從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，而以消除誤差和外擾為目的，用減少誤差和抵消外擾的幾種（固定形式的）不同手段的組合來組成 PID 控制器。而且經(jīng)典調(diào)節(jié)允許使用微分器，因此它基本上擺脫了數(shù)學(xué)模型的約束其實用性較強，是連續(xù)控制系統(tǒng)中用得最廣泛的控制器之一，為廣大工程技術(shù)人員和操作人員所接受和熟悉。然而實際工業(yè)過程控制往往具有非線性、時沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5 變不確定性同時又受到參數(shù)整定方法繁雜，困擾常規(guī) PID 控制器不能達到理想的控制效果。針對這些問題，長期以來人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標的控制要求。隨著微處理機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應(yīng)用，這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實。同時現(xiàn)代控制理論研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。近年來出現(xiàn)了許多將現(xiàn)代控制理論與傳統(tǒng) PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合的新型控制器，如自適應(yīng) PID 控制器、智能 PID 控制器、模糊PID 控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器等等。由于計算機的強大處理功能和程序調(diào)整的靈活性是傳統(tǒng)的模型控制器所不能比擬的，所以現(xiàn)在應(yīng)用計算機技術(shù)不但推出了許多新型的控制器和控制設(shè)備，而且許多傳統(tǒng)控制器已被改造成計算機控制器。模擬化設(shè)計法把計算機系統(tǒng)假想為連續(xù)控制系統(tǒng)，這種設(shè)計方法可以利用成熟的連續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，進行綜合設(shè)計把連續(xù)控制器的數(shù)學(xué)模型變換到離散域，再由計算機來完成控制器的任務(wù)。因為各種變換方法都是采用近似逼近法，所以這種方法設(shè)計的計算機控制系統(tǒng)性能只能與原連續(xù)控制系統(tǒng)性能接近但不會超過。逼近的精度與被變換的連續(xù)數(shù)學(xué)模型及采樣周期大小有關(guān)。其中采樣周期的影響更大采樣周期相對較小時逼近程度才較好，所以在應(yīng)用中應(yīng)注意采樣周期的選取。1.5 本文內(nèi)容及章節(jié)安排第 1 章是緒論講述直流電機、數(shù)字 PID 技術(shù)的背景及工作原理；第 2 章是講述直流電機轉(zhuǎn)速分段 PID 控制的單片機的實現(xiàn)方案設(shè)計；第 3 章具體分析了各個模塊和硬件電路；第 4 章講述了系統(tǒng)各個程序的實現(xiàn)；第 5 章講述了數(shù)字 PID 的算法和改進；第 6 章則對系統(tǒng)的調(diào)試進行了改進。最后是本文的結(jié)論。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6 2 直流電機轉(zhuǎn)速分段 PID 控制的單片機實現(xiàn)方案2.1 整體方案設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求調(diào)速采用 PID 控制器，因此需要設(shè)計一個閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速使電機速度等于設(shè)定值并且實時顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過對設(shè)計功能分解設(shè)計方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測量方案論證，電機驅(qū)動方案論證，鍵盤顯示方案論證，PWM 軟件實現(xiàn)方案論證。2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案方案一：采用一片單片機（AT89S52）完成系統(tǒng)所有測量、控制運算并輸出PWM 控制信號。方案二：采用兩片單片機（AT89S52） ，其中一片做成 PID 控制器專門進行PID 運算和 PWM 控制信號輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片完成電機速度的鍵盤設(shè)定、測量、顯示并向 PID 控制器提供設(shè)定值和測量值設(shè)定 PID 控制器的控制速度等。方案一的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件簡單結(jié)構(gòu)緊湊。但是其造成 CPU 資源緊張程序的多，任務(wù)處理難度增大不利與提高和擴展系統(tǒng)性能，也不利于向其他系統(tǒng)移植。方案二則與方案一相反雖然硬件增加，但在程序設(shè)計上有充分的自由去改善速度測量精度縮短測量周期優(yōu)化鍵盤顯示及擴展其它功能。與此同時 PID 控制算法的實現(xiàn)可以精益求精對程序算法或參數(shù)稍加改動即可移植到其他 PID 控制系統(tǒng)中。本設(shè)計選擇方案一。2.1.2 轉(zhuǎn)速測量方案方案一：采用記數(shù)的方法。具體是通過單片機記單位時間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù)N 每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S×60。方案二：采用定時的方法。是通過定時器記錄脈沖的周期 T 這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7 M=60/T。比較兩個方案方案一的誤差主要是±1 誤差（量化誤差）設(shè)電機的最低設(shè)計轉(zhuǎn)速為 120 轉(zhuǎn)/分則記數(shù)時間 S=1s 所以其誤差得絕對值|=|(N±1)/S×60-N/S×60|=60（轉(zhuǎn)/分）誤差計算公式表明增大記數(shù)時間可以提高測量精度但這樣做卻增大了速度采樣周期會降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方案二所產(chǎn)生的誤差主要是標準誤差并且使采樣時間降到最短誤差 =60/（ T±1）-60/T設(shè)電機速度在 1206000 轉(zhuǎn)/分之間那么0.01sT0.5s 代入公式得： 0.00024|0.6（轉(zhuǎn)/分） 。由此明顯看出，方案二在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一所以本設(shè)計采用方案二。2.1.3 電機驅(qū)動方案方案一：采用專用小型直流電機驅(qū)動芯片。這個方案的優(yōu)點是驅(qū)動電路簡單幾乎不添加其它外圍元件就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動電路功耗相對較小而且目前市場上此類芯片種類齊全價格也比較便宜。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制通過開關(guān)的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達林頓管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下效率非常高；H 型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快穩(wěn)定性也極佳是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。通過比較和對市場因素的考慮本設(shè)計采用方案一使系統(tǒng)的設(shè)計核心在 PID 控制上。2.1.4 鍵盤顯示方案方案一：采用 4×4 鍵盤可直接輸入設(shè)定值。顯示部分使用 4 位數(shù)碼管優(yōu)點是顯示亮度大缺點是功耗大不符合智能化趨勢而且不美觀。方案二：使用 5 個按鍵進行逐位設(shè)置。顯示部分是使用支持中文顯示的 LCD 優(yōu)沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8 點是美觀大方有利于人與系統(tǒng)的交互及顯示內(nèi)容的擴展；缺點是成本高抗干擾能力教差。為了系統(tǒng)容易擴展、操作以及美觀本設(shè)計完全采用方案二。2.1.5 PWM 軟件實現(xiàn)方案脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本設(shè)計采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點是電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定并且在采用單片機產(chǎn)生PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。對于實現(xiàn)方式則有兩種方案。方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確誤差只在幾個 us。方案二：采用軟件延時方式這一方式在精度上不及方案一特別是在引入中斷后將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源且對于直流電機采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍。由于本設(shè)計采用了兩片 AT89S52 單片機 MCU 資源充足因此選擇方案一。2.2 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計系統(tǒng)原理框圖如圖 2.1 所示，是一個帶鍵盤輸入和顯示的閉環(huán)測量控制系統(tǒng)。主體思想是通過系統(tǒng)設(shè)定信息和測量反饋信息計算輸出控制信息。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9 顯示器鍵盤單片機 （ 速度的測量計算 ， 輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制 ）速度采集電路電機P I D 運算控制器 ， P W M 控制器電機驅(qū)動電路圖 2.1 系統(tǒng)原理框圖2.3 本章小結(jié)本章大體介紹了系統(tǒng)各個主要部分的實現(xiàn)方案，并對其進行了論證，從而大體的介紹了本設(shè)計的基本思路。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）10 3 硬件系統(tǒng)模塊組成與電路分析 硬件系統(tǒng)主要由 4 大電路組成，其具體分析如下。3.1 速度測量電路設(shè)計3.1.1 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計理論上是先將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為某一種電量來測量，如電壓電流等。設(shè)計中將轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)化為電脈沖頻率的測量?；谶@一思想可以采用一對霍爾感應(yīng)傳感器，使輸出信號的一只在轉(zhuǎn)輪一側(cè)固定，另一只則粘在對應(yīng)位置的轉(zhuǎn)輪上，這樣電機每轉(zhuǎn)一圈傳感器將會輸出一個脈沖然后將脈沖放大、整形后即可通過單片機測量其頻率求出轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅鳈z測轉(zhuǎn)速示意圖3.1如下。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動一圈霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。圖3.1 霍爾傳感器及測轉(zhuǎn)速示意圖本設(shè)計采用A04E單極性開關(guān)型霍爾傳感器，磁鋼用來提供霍爾能感應(yīng)的磁場，當(dāng)霍爾元件以切割磁力線的方式相對磁鋼運動時，在霍爾輸出端口就會有電壓輸出沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11 所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動一圈霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。本電路已經(jīng)安裝兩個磁鋼，如果要增加測量轉(zhuǎn)速精度可以在圓盤上多增加幾個磁鋼。3.1.2 脈沖濾波整形電路的設(shè)計由于電機在轉(zhuǎn)動的過程中有很大的晃動，而且本設(shè)計中測量裝置做工粗糙因此所獲得的脈沖信號參雜有高頻噪聲或誤動脈沖。為了提高測量的準確且盡可能地減少錯誤，設(shè)計中在霍爾傳感器 OUT 輸出端加一電容接地。為了既能抑制噪聲又不影響測量，電容值 C 的選擇很重要。根據(jù)實際測量設(shè)計中所使用的直流電機轉(zhuǎn)速可達6000 轉(zhuǎn)/分。其所產(chǎn)生的脈沖周期 T=1/(6000/60)S=0.01S 一個周期內(nèi)脈沖持續(xù)時間約為 1/8T=0.00125S 低電平時間約為 7/8T=0.00875S， 由于接收頭感光導(dǎo)通電阻很小所以電容迅速充電當(dāng)?shù)碗娖降絹頃r開始放電為保證下一個脈沖的檢測放電時間 t 應(yīng)小于低電平持續(xù)時間 7/8T 根據(jù)電路 t=R2×C0.00875 代入 R2 值解不等式可得：C0.000017F。單位換算得 C0.017F 為了方便整形實際設(shè)計中 C=0.001F 。由于單片機中斷 I/O 口的需要輸入信號是正規(guī)的矩形脈沖，所以電路的脈沖整形電路采用 74 系列反向器 74LS04 進行反向后輸入單片機。3.2 電機驅(qū)動電路的設(shè)計本設(shè)計采用目前市場上較容易買到的 74LS04 反向器，支持 5.5V 到 7V 的電機控制電壓在直流運轉(zhuǎn)條件下它滿足了一般小型電機的控制要求。其引腳如圖 3.2。驅(qū)動電路見圖 3.3。PWM 控制信號由 in1、in2 輸入。如果 in1 為高電平 in2 為低電平時電機為正向轉(zhuǎn)速反之 in1 為低電平 in2 為高電平時電機為反向轉(zhuǎn)速。本設(shè)計將 in2直接接地即采用單向制動的方式。通過實驗本設(shè)計中不必使用雙向制動也可達到設(shè)計要求。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）12 圖 3.2 74LSO4 引腳圖圖 3.3 直流電機驅(qū)動圖3.3 LCD 顯示電路與單片機的接口設(shè)計設(shè)計中采用的 LCD1602 是一種內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字庫和 128 個 16*8點 ASCII 字符集圖形點陣液晶顯示器它主要由行驅(qū)動器/ 列驅(qū)動器及 128×32 全點陣沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13 液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示也可以顯示 7.5×2 個(16×16 點陣)漢字與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制。本設(shè)計采用并行方式控制 LCD 與單片機的通訊接口電路如圖 3.4 所示采用直連的方法這樣設(shè)計的優(yōu)點是在不影響性能的條件下還不用添加其它硬件簡化了電路降低了成本。圖 3.4 LCD 硬件接線圖3.4 按鈕控制電路設(shè)計控制電路采用了 5 個按鈕來實現(xiàn)功能按 1 為高速狀態(tài)下勻速旋轉(zhuǎn)，按 2 為中速狀態(tài)下勻速旋轉(zhuǎn)，按 3 為低速下勻速旋轉(zhuǎn)，按 4 為加速，按 5 為減速。見圖 3.5。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14 圖 3.5 按鈕控制電路圖3.5 本章小結(jié)本章具體介紹了硬件系統(tǒng)的各個模塊的實現(xiàn)和功能并對各模塊所對應(yīng)的電路進行了分析，設(shè)計了硬件系統(tǒng)的各個電路。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）15 4 系統(tǒng)程序設(shè)計及實現(xiàn)4.1 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計系統(tǒng)程序程序框圖如圖 4.1 所示概述了程序的總體結(jié)構(gòu)和工作過程。開始初始化程序調(diào)用鍵盤子程序是否有按鍵按鍵處理程序電機轉(zhuǎn)動程序結(jié)束NY圖 4.1 系統(tǒng)總程序框圖沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）16 4.2 系統(tǒng)各部分子功能程序設(shè)計4.2.1 電機轉(zhuǎn)速測量程序設(shè)計設(shè)計中考慮到電機的工作環(huán)境一般比較惡劣因此除了硬件外，從程序上除了要更高的精確度也需要進行更多的抗干擾設(shè)計，從而實現(xiàn)軟件的大范圍檢錯、糾錯或丟棄錯誤等。在程序的設(shè)計過程中對嚴重不符合要求的測量數(shù)據(jù)（如大于 6000 轉(zhuǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)）進行了丟棄處理而對于正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)錯誤采用了采 5 取 3 求平均的算法（即采集 5 個數(shù)據(jù)去掉 一個最大值一個最小值然后將剩余 3 數(shù)據(jù)求平均） 。實驗表明此方法降低了系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速中出現(xiàn)的錯誤。對于轉(zhuǎn)速的測量方法是通過速度脈沖信號下降沿，觸發(fā)單片機的外中斷，中斷服務(wù)子程序在某一個脈沖的下降沿開啟定時器記時，然后在下一個下降沿關(guān)閉定時器通過對定時器數(shù)據(jù)進行運算處理，可以得到信號周期進而得到速度值。其程序框圖如圖 4.2?？梢钥闯龃朔椒ㄏ碌牟蓸又芷谑请S轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)速越高采樣越快。通過這種非均勻的速度采樣方式可以使電機在高速情況下實現(xiàn)高速度高精度的控制。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）17 進入中斷檢測中斷標志開定時器計時設(shè)中斷標志位“ 1 ”系統(tǒng)時間初始化中斷返回關(guān)閉定時器及中斷判斷數(shù)據(jù)是否正常是否采 “ 5 ” 處理保存數(shù)據(jù)完成 5 組數(shù)據(jù)采集取 “ 3 ” 求平均處理計算速度值速度值是否正常發(fā)送速度值到 P I D控制器系統(tǒng)時間初始化中斷返回定時器初值初始化為 “ 0 ”為 “ 1 ”否說明 ： 當(dāng)電機轉(zhuǎn)速過低時 ， 如果進行采 3 取 5 處理將會使控制速度太低 ， 同時低速狀態(tài)的錯誤發(fā)生幾率較小 ， 所以不采用采 5 取 3 求平均處理 。否是否是否是圖 4.2 外中斷 0 服務(wù)子程序框圖 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）18 4.2.2 鍵盤程序設(shè)計鍵盤程序設(shè)計的任務(wù)是賦予各按鍵相應(yīng)的功能，完成速度設(shè)定值的輸入和向PID 控制器的發(fā)送。5 只按鍵一只用來位循環(huán)選擇告訴單片機要調(diào)整的是設(shè)定值的個位、十位、百位還是千位。第二、三只按鍵分別是減 1、加 1 減。在沒有位選擇的情況下對設(shè)定值整體進行減 1、加 1；在有位選擇的情況下僅對相應(yīng)位進行減 1、加1 并且當(dāng)按著不釋放按鍵時可以實現(xiàn)快速連續(xù)減 1、加 1 同時允許循環(huán)減、加（既當(dāng)某位為 0 時在減 1 則為 9 某位為 9 時加 1 則為 0） 。最后一只按鍵是確認發(fā)送鍵按下它后單片機將設(shè)定值送給 PID 控制器從而實現(xiàn)設(shè)定控制。程序框圖如圖 4.3。鍵盤服務(wù)子程序位選鍵按下否位選循環(huán)右移加 1 鍵按下否調(diào)用加 1 子程序減 1 鍵按下否調(diào)用減 1 子程序發(fā)送鍵按下否建制處理 、 保存 、 顯示向 P I D 控制器發(fā)送返回否是否是否是否圖 4.3 鍵盤電路程序框圖 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19 4.2.3 LCD 顯示子程序的設(shè)計LCD 的詳細使用過程可參閱對應(yīng)型號的使用手冊。僅在本小節(jié)強調(diào)以下內(nèi)容：LCD 使用的關(guān)鍵是根據(jù)顯示需要正確地對其進行初始化設(shè)置，而一般情況下不用考慮如何向它讀寫指令或數(shù)據(jù)，因為制造廠商所給的使用資料里就附有驅(qū)動程序如果沒有也可以從網(wǎng)上搜索下載得到。然而我們必須清楚那些初始化設(shè)置之間的關(guān)系以及它是如何利用設(shè)置讀取、顯示數(shù)據(jù)字符的不然就會發(fā)生一些不可預(yù)料的錯誤例如表 4.1 所示。因此熟讀 LCD 驅(qū)動芯片使用手冊也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在 LCD 中CGRAM 字型與中文字型的編碼只可出現(xiàn)在每一 Address Counter 的開始位置圖表中，最后一行為錯誤的填入中文碼位置其結(jié)果會產(chǎn)生亂碼象。表 4.1 LCD 中文字型的編碼寫入地址對照80 81 82 83 84 85 86 87 88 89H L H L H L H L H L H L H L H L H L H LS H A A N X I . . L I G O N G X U E . .陜 西 理 . . 物 理 系 0 2 電 .陜 西 理 . . . 物 理 系 0 2 電 .通常 LCD 的初始化包括復(fù)位設(shè)置、清除顯示、地址歸位、顯示開關(guān)、游標設(shè)置、讀寫地址設(shè)置、反白選擇以及睡眠模式等等。實際中根據(jù)需要正確、靈活地修改這些設(shè)置可以達到較為滿意的顯示效果。LCD 中所有漢字、數(shù)字和字符都可以通過它的 ASCII 碼來訪問顯示；圖象的顯示是通過將相關(guān)軟件（提取漢字、圖象點陣數(shù)據(jù)程序）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照 LCD 手冊的要求完成響應(yīng)設(shè)置后寫入即可。由于本設(shè)計中沒有使用到圖形顯示所以沒有詳述。對于系統(tǒng)使用的漢字、字符和數(shù)據(jù)的 LCD 顯示初始化程序和寫數(shù)據(jù)程序框圖見圖 4.4。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20 系統(tǒng)延遲設(shè)定使用基本指令集清屏 ， 地址指針歸位設(shè)定游標的移動方向及指定顯示的移位返回調(diào)入待顯示數(shù)據(jù)指針調(diào)待顯示屏幕位置數(shù)據(jù)計算 D D R A M地址調(diào)用寫入指令子程序?qū)懭隓 D R A M 地址調(diào)用數(shù)據(jù)輸入子程序待顯示數(shù)據(jù)指針加 1一行數(shù)據(jù)顯示完顯示完所有行 ？返回否是否是（ a ） L C D 初始化子程序（ b ) L C D 寫入數(shù)據(jù)子程序圖 4.4 LCD 顯示初始化程序和寫數(shù)據(jù)程序框圖沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21 4.3 PWM 信號的單片機程序?qū)崿F(xiàn)理論上只要 PWM 脈沖的周期正比于 PID 控制算法的輸出結(jié)果結(jié)果。具體實現(xiàn)過程中取 u(k)的整數(shù)部分（記為：UT）保存然后用 PWM 信號的周期值減去 UT 所得值即為定時器 1 的初值（記為：INIT） 。其程序框圖見圖 4.5。定時器 0 中斷設(shè)定時器 1 中斷優(yōu)先級最高將 P W M 輸出端置高電平 “1 ”裝入 5 0 m s 初值中斷返回定時器 1 中斷設(shè)定時器 0 中斷優(yōu)先級最高將 P W M 輸出端清零裝入 P W M 信號初值 I N I T中斷返回圖 4.5 產(chǎn)生 PWM 控制信號程序框圖4.4 本章小結(jié)具體介紹了系統(tǒng)軟件部分各個模塊程序的實現(xiàn)方式并對應(yīng)了程序框圖，直觀的介紹了軟件程序方面的設(shè)計。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）22 R(t)KpKi/SKd·S控制對象C(t)U(t)E（t）5 數(shù)字 PID 及其算法的改進5.1 PID 控制基本原理PID 控制即比例（Proportional） 、積分（Integrating） 、微分（Differentiation ）控制。在 PID 控制系統(tǒng)中完成 PID 控制規(guī)律的部分稱為 PID 控制器。它是一種線形控制器用輸出 y(t)和給定量 r(t)之間的誤差的時間函數(shù) e(t) = r(t) - y(t)。PID 控制器框圖如圖 5.1。實際應(yīng)用中可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求靈活地采用不同的控制組合如：圖 5.1 PID 控制算法框圖當(dāng)今的自動控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的是變量并與期望值相比較以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測量與比較后如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。在過去的幾十年里 PID 控制也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天在工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)而且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。PID 控制器由比例單元（P） 、積分單元（I） 、和微分單元（ D）組成它的基本原理比較簡單基本的 PID 控制規(guī)律可描述為：(5.1)SSGKDP1沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）23 PID 控制用途廣泛使用靈活已有系列化控制器產(chǎn)品使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（K pKI 和 KD）即可。在很多情況下并不一定需要三個單元可以取其中的一到兩個單元不過比例控制單元是必不可少的。PID 控制具有以下優(yōu)點：（1） 原理簡單使用方便 PID 參數(shù) KpKI 和 KD 可以根據(jù)過程動態(tài)特性變化 PID參數(shù)就可以重新進行調(diào)整與設(shè)定。（2） 適應(yīng)性強按 PID 控制規(guī)律進行工作的控制器早已商品化即使目前最新式的過程控制計算機其基本控制功能也仍然是 PID 控制。PID 應(yīng)用范圍廣雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過適當(dāng)簡化也可以將其變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)就可以進行 PID 控制了。（3） 魯棒性強即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不太敏感。 但不可否認 PID 也有其固有的缺點。PID 在控制非線性、時變、偶合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不缺點的復(fù)雜過程時效果不是太好；最主要的是：如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過程無論怎么調(diào)參數(shù)作用都不大。在科學(xué)技術(shù)尤其是計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法但 PID 仍因其自身的優(yōu)點而得到了最廣泛的應(yīng)用，PID 控制規(guī)律仍是最普遍的控制規(guī)律。PID 控制器是最簡單且許多時候最好的控制器。在過程控制中 PID 控制也是應(yīng)用最廣泛的一個，大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達二三百個甚至更多其中絕大部分都采用 PID 控制。由此可見在過程控制中PID 控制的重要性是顯然的下面將結(jié)合實例講述 PID 控制。比例控制 P 是一種最簡單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。比例控制器的傳遞函數(shù)為：(5.2)KGPCS式中 Kp 稱為比例系數(shù)或增益（視情況可設(shè)置為正或負）一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（Proportional Band PB）來取代比例系數(shù) Kp 比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)比例帶也稱為比例度。對于單位反饋系統(tǒng) 0 型系統(tǒng)響應(yīng)實際階躍信號 R01(t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益K 近視成反比即：沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）24 (5.3) KRtet10lim對于單位反饋系統(tǒng) I 型系統(tǒng)響應(yīng)勻速信號 R1 (t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益 KV 近視成反比， 即:(5.4)KRteVt1liP 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計中 P 控制一般不單獨使用.具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5.2 所示.KP G0（S）H(S)圖 5.2 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的特征方程式為:D(s)=1+ H(s)=0 (5.5)GKp0比例微分(PD)控制環(huán)節(jié)具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱為 PD 控制，PD 的傳遞函數(shù)為:s (5.6)pcs其中，K p 為比例系數(shù)， 為微分常數(shù)，K p 與 兩者都是可調(diào)的參數(shù).具有 PD 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5.3 所示。沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）25 KP(1+s) G0（S）H(S)_圖 5.3 具有比例微分控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PD 控制器的輸出信號為：u(t)= (5.7)dteteKpp)()(在微分控制中控制器的輸入與輸出誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制反映誤差的變化率只有當(dāng)誤差隨時間變化時，微分控制才會對系統(tǒng)起作用而對無變化或緩慢變化的對象不起作用。因此微分控制在任何情況下不能單獨與被控制對象串聯(lián)使用而只能構(gòu)成 PD 或 PID 控制。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件具有抑制誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差變化的作用“超前” 即在誤差接近零時抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說在控制中引入“ 比例 ”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值 ，而目前需要增加的是“ 微分項 ”它能預(yù)測誤差變化的趨勢這樣具有 “比例+微分”的控制器就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負值，從而避免被控量的嚴重超調(diào)。因此對有較大慣性或滯后的被控對象比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)性。另外微分控制對純時控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號的缺點。在實際應(yīng)用中當(dāng)設(shè)定值有突變時，為了防止由于微分控制的突跳常將微分控制環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中這種做法稱為微分先行，即微分運算只對測量信號進行而不對設(shè)定信號進行。積分(I)控制具有積分控制規(guī)律的控制稱為積分控制即 I 控制，I 控制的傳遞函數(shù)為：沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）26 (5.8)sKGiC)(其中， Ki 稱為積分系數(shù)控制器的輸出信號為:U(t)= dt (5.9)tIe0)(或者說，積分控制器輸出信號 u(t) 的變化速率與輸入信號 e(t)成正比，即:(5.10)()(tedtuKI對于一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng). ，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器必須引入”積分項”. 積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小直到等于零。通常，采用積分控制器的主要目的就是使用系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，由于積分引入了相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，增加積分器控制對系統(tǒng)而言是加入了極點，對系統(tǒng)的響應(yīng)而言是可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但這對瞬時響應(yīng)會造成不良影響，甚至造成不穩(wěn)定，因此，積分控制一般不單獨使用，通常結(jié)合比例控制器構(gòu)成比例積分(PI)控制器。比例積分(PI)控制具有比例加積分控制規(guī)律的控制稱為比例積分控制器，即 PI控制，PI 控制的傳遞函數(shù)為：(5.11)ssTKGipiPpc 11)(其中 Kp 為比例系數(shù)，T i 稱為積分時間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。控制器的輸出信號為:(5.12)tippdetetu0)()()(PI 控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。PI 控制器在與被控對象串聯(lián)時，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加了一個位于 s 左半平面的開環(huán)零點 .位于原點的極點可以提高系統(tǒng)的