計算機控制技術(shù)課程設(shè)計報告.doc
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課程設(shè)計 課程名稱 計算機控制系統(tǒng)綜合設(shè)計與實踐 題目名稱 基于單片機的PID電機速度調(diào)節(jié)專業(yè)班級_ 應(yīng)用電子技術(shù)2班 _年 級 2011級 學(xué)生姓名 張旭楷 學(xué) 號 3111002628 指導(dǎo)教師 黃國宏 2014年6月19日目錄一、 PID算法及PWM控制技術(shù)簡介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.直流電機的PWM控制技術(shù)8二、 設(shè)計方案與論證102.1.系統(tǒng)設(shè)計方案102.2.電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案112.3.速度采集模塊設(shè)計方案102.4.顯示模塊設(shè)計方案10三、 單元電路設(shè)計113.1.硬件資源分配113.2.電機驅(qū)動電路設(shè)計113.3.電機速度采集電路設(shè)計123.4.串行通信模塊13四、軟件設(shè)計144.1.算法實現(xiàn)144.1.1.PID算法144.1.2.電機速度采集算法144.2定時程序流程15五、設(shè)計要求16六、總結(jié)24一、 PID算法及PWM控制技術(shù)簡介1.1、PID算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分,整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(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)進行的控制,稱為PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明,PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求,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)行機構(gòu)及控制對象組成。 圖1.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器,它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差: = (1.1)將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量,對控制對象進行控制,故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中,常根據(jù)對象的特征和控制要求,將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合,以達到對被控對象進行有效控制的目的。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),為積分時間常數(shù),為微分時間常數(shù)。簡單的說,PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是:(1)比例環(huán)節(jié):即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號,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)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù),越大,積分作用越弱,反之則越強;(3)微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號的值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間。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)計主要采用數(shù)字PID算法,所以對于模擬PID只做此簡要介紹。1.1.2、 數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中,用計算機取代了模擬器件,控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此,系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計,實際上是計算機算法的設(shè)計。由于計算機只能識別數(shù)字量,不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算,故在計算機控制系統(tǒng)中,首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設(shè)計。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)當采樣周期T很小時可以用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的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例(P)項,即 (1.8)第二項起積分控制作用,稱為積分(I)項即 (1.9)第三項起微分控制作用,稱為微分(D)項即 (1.10)這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)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,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。因此,式(1.7)又稱為位置型PID算式。由(1.7)可看出,位置型控制算式不夠方便,這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元,而且不便于編寫程序,為此對式(1.7)進行改進。根據(jù)式(1.7)不難看出u(n-1)的表達式,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: 稱為比例增益; 稱為積分系數(shù); 稱為微分系數(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)具體過程的要求來考慮。一般來說,要求被控過程是穩(wěn)定的,能迅速和準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,操作變量不宜過大,在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然,要同時滿足上述各項要求是很困難的,必須根據(jù)具體過程的要求,滿足主要方面,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)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學(xué)模型,這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此,實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學(xué)模型,簡單易行。當然,這是一種近似的方法,有時可能略嫌粗糙,但相當適用,可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。(1)擴充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是:選擇一個足夠小的采樣周期,具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作:工作時,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)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài),記下此時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,將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較??刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤差平方面積表示??刂贫?(1.18)實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方面積,控制度僅表示控制效果的物理概念。通常,當控制度為1.05時,就可以認為DDC與模擬控制效果相當;當控制度為2.0時,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)驗法經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度,參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線,來調(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;曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大;曲線漂浮繞大灣,比例度盤往小扳;曲線偏離回復(fù)慢,積分時間往下降;曲線波動周期長,積分時間再加長;曲線振蕩頻率快,先把微分降下來;動差大來波動慢,微分時間應(yīng)加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例,具體說明經(jīng)驗法的整定步驟:讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0,實際微分系數(shù)=0,控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,由小到大改變比例系數(shù),讓擾動信號作階躍變化,觀察控制過程,直到獲得滿意的控制過程為止。取比例系數(shù)為當前的值乘以0.83,由小到大增加積分系數(shù),同樣讓擾動信號作階躍變化,直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)保持不變,改變比例系數(shù),觀察控制過程有無改善,如有改善則繼續(xù)調(diào)整,直到滿意為止。否則,將原比例系數(shù)增大一些,再調(diào)整積分系數(shù),力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊,直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間,此時可適當增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同,微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整,直到控制過程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。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:一個小電機閉環(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)場調(diào)試時進行修正。1.2、PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制,來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,其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同,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,當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時,其輸出響應(yīng)基本相同。當窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單位脈沖函數(shù)時,環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(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 直流電機的PWM控制技術(shù)直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣,過載能力大,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn);能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求,在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法:調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法,都有各自的特點,也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(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:由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(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,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強,可以獲得很寬的頻帶;開關(guān)器件只工作在開關(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,電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點,并且隨著電力電子器件開關(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,一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效,那么如果在短時間T內(nèi)脈沖寬度為,幅值為U,由圖1.6可求得此時間內(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,可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn),因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的,所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié),從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。二、 設(shè)計方案與論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求,設(shè)計系統(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,鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能,其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中,并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中,經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速,同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中,控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比,實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。圖2.1 系統(tǒng)方案框圖2.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案ULN2003是高壓大電流達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、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003A由7組達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,具有同時驅(qū)動7組負載的能力,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)計方案采用對射式光電傳感器。其檢測方式為:發(fā)射器和接受器相互對射安裝,發(fā)射器的光直接對準接受器,當測物擋住光束時,傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù),對速度進行測量。2.4 顯示模塊設(shè)計方案采用1602LCD液晶顯示器,該顯示器控制方法簡單,功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示。三、 單元電路設(shè)計3.1 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖3.1所示。采用51單片機作為核心器件,轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機轉(zhuǎn)速測量裝置,通過51的P3.3口將電脈沖信號送入單片機處理,L298作為直流電機的驅(qū)動模塊,利用1602LCD顯示器3.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁,在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅(qū)動電機,只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行,在這里選用L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機,該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成,四個晶體管分為兩組,交替導(dǎo)通和截止,用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài),通過調(diào)整輸入脈沖的占空比,調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。其中輸出腳(SENSEA和SENSEB?)用來連接電流檢測電阻,Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機驅(qū)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL 邏輯電平信號,用來控制H橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn),ENA、ENB引腳則為使能控制端,用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(diào)速。其電路如圖3.3所示,利用兩個光電耦合器將單片機的I/O與驅(qū)動電路進行隔離,保證電路安全可靠。這樣單片機產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端7,使電機在PWM脈沖的控制下正常運行,其中四個二極管對芯片起保護作用。圖3.3 電機驅(qū)動電路3.3電機速度采集電路設(shè)計在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較,通過偏差進行PID運算,因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn),其具體做法是將電機軸上固定一圓盤,且其邊緣上有N個等分凹槽如圖3.5(a)所示,在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管,其位置對準凹槽處,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,如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時,發(fā)光二極管通過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每轉(zhuǎn)一圈在P3.3的輸出端就會產(chǎn)生N個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時,P3.3將輸出如圖3.5所示的脈沖,若知道一段時間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n,則電機轉(zhuǎn)速v=r/s。 (a) (b)圖3.4 電機速度采集方案3.4串行通信模塊主要用于與電腦通信繪畫PID波形四、軟件設(shè)計4.1 算法實現(xiàn)4.1.1 PID算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法為PID算法,它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較得出偏差,對偏差進行P、I、D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)10,進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為:因此要想實現(xiàn)PID控制在單片機就必須存在上述算法,其程序流程如圖4.1所示。4.1.2 電機速度采集算法本系統(tǒng)中電機速度采集是一個非常重要的部分,它的精度直接影響到整個控制的精度。在設(shè)計中采用了光電傳感器做為測速裝置,其計算公式為: v= r/min從這里可以看出速度v的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的,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)計中取凹槽數(shù)N為120,采樣時間t為0.5s,則速度計算具體程序流程如圖4.2所示。 4.2定時程序流程在本系統(tǒng)中定時器T0中斷子程序是用來控制電機運行時間和進行速度計算和PID 運算,其程序流程如圖4.5所示。五、設(shè)計要求5.1選用哪種PID結(jié)構(gòu),為什么? 選用PI結(jié)構(gòu),因為PI結(jié)構(gòu)綜合了P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器的優(yōu)點,能夠更好的減小超調(diào)、消除穩(wěn)態(tài)誤差。由于在本次PID整定過程中,PI結(jié)構(gòu)已滿足系統(tǒng)要求,所以采用PI結(jié)構(gòu)。5.2 通過波形圖說明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、微分計算出控制量進行控制的。比例(P)控制比例控制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。當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(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”。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。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(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的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。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,抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,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,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以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)特性。5.4 系統(tǒng)加入D和不加入D的不同之處。對于具有較大慣性轉(zhuǎn)速或者之后去的對象,系統(tǒng)加入D之后,明顯的減小了振蕩,減小了調(diào)節(jié)時間,使得系統(tǒng)快速進入穩(wěn)定狀態(tài),提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。不加入D的話,當系統(tǒng)較大慣性或滯后的被控對象,系統(tǒng)會出現(xiàn)近似等幅振蕩,無法進入穩(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實現(xiàn)PID算法產(chǎn)生PWM脈沖來控制電機轉(zhuǎn)速。到目前為止通過對控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、LCD顯示模塊、數(shù)字PID算法等進行深入的研究。完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計,軟件方面利用C語言進行編程,增強了程序的可移植性和靈活性并且保證了程序的準確性。歸納起來主要做了如下幾方面的工作:1、 PID算法與PWM控制技術(shù)有機的結(jié)合;2、 設(shè)計了速度檢測電路;3、 利用C語言進行程序設(shè)計4、 根據(jù)上面論述結(jié)合測試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計基本完成了設(shè)計任務(wù)和要求。通過此次設(shè)計,掌握了數(shù)字PID算法的使用及編程方法,學(xué)習(xí)了如何進行系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)技巧。20- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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