基于單片機的數(shù)字PID控制直流電機PWM調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)的設(shè)計(2).doc

？學(xué) 院課程設(shè)計說明書題目 基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng) 系(部) 電子與通信工程系 專業(yè)(班級)電氣工程及其自動化 姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 起止日期 計算機控制課程設(shè)計任務(wù)書系（部）： 電子與通信工程系 專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師 ： 學(xué)生姓名學(xué)號班級課題名稱基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)內(nèi)容及任務(wù)1、運用a/d轉(zhuǎn)換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為控制直流電機速度的給定值；2、用壓控振蕩器模擬直流電機的運行（電壓高-轉(zhuǎn)速高-脈沖多），單片機在單位時間內(nèi)對脈沖計數(shù)作為電機速度的檢測值；3、應(yīng)用數(shù)字pid模型作單片機控制編程，其中p、i、d參數(shù)可按鍵輸入并用led數(shù)碼顯示；4、單片機pwm調(diào)寬輸出作為輸出值，開關(guān)驅(qū)動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現(xiàn)對直流電機的pid調(diào)壓調(diào)速功能。擬達到的要求或技術(shù)指標(biāo)運用所學(xué)知識設(shè)計組建計算機自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制功能，達到控制指標(biāo)。本課題使用s51單片機及a/d、d/a轉(zhuǎn)換器運用pid控制編程，完成對直流電機的pid調(diào)壓調(diào)速功能。 要求完成1、模擬直流電機（壓控振蕩器）電路設(shè)計；2、單片機控制系統(tǒng)（參數(shù)鍵入、led顯示）設(shè)計；3、給定值輸入、檢測值輸入、pwm輸出驅(qū)動電路設(shè)計；4、pid控制程序、pwm驅(qū)動程序設(shè)計；5、pid參數(shù)整定。進度安排起止日期工作內(nèi)容備注星期一 上午： 下午：星期二 上午： 下午：星期三 上午： 下午：星期四 上午： 下午：星期五 上午： 下午：課程設(shè)計動員、學(xué)生討論選擇課題；課題論證、課題講解、課題答疑。學(xué)生查閱、收集設(shè)計資料；選擇、初建設(shè)計方案。設(shè)計、仿真各單元電路；設(shè)計單片機控制系統(tǒng)電路。數(shù)字pid控制編程；控制程序仿真、控制功能調(diào)試。p、i、d參數(shù)整定；撰寫課程設(shè)計報告。主要參考資料單片機原理與應(yīng)用、pwm調(diào)制技術(shù)、計算機控制技術(shù)。教研室意見年 月 日系（部）主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月 日長沙學(xué)院課程設(shè)計鑒定表姓名學(xué)號專業(yè)電氣自動化班級設(shè)計題目基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師意見：評定等級： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類；目 錄第1章 pid簡介1第2章 設(shè)計原理2第3章 設(shè)計方案33.1 pwm的調(diào)制33.2 基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)53.2.1 調(diào)速原理53.2.2 基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)原理圖63.2.3波形仿真73.2.4 pid調(diào)速程序8第4章 心得體會13參考文獻1414第1章 pid簡介 pid （比例積分微分，英文全稱為proportion integration differentiation）控制器問世至今已有近70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實際中也有pi和pd控制。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。pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 pid控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到pid控制器的參數(shù)。 pid（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。pid控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為 u(t)=kp(e(t)+1/tie(t)dt+td*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/(ti*s)+td*s)其中kp為比例系數(shù)； ti為積分時間常數(shù)； td為微分時間常數(shù)。本次課程設(shè)計就是應(yīng)用數(shù)字pid模型作單片機控制編程，其中p、i、d參數(shù)可按鍵輸入并用led數(shù)碼顯示；單片機pwm調(diào)寬輸出，開關(guān)驅(qū)動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現(xiàn)對直流電機的pid調(diào)壓調(diào)速功能。.第2章 設(shè)計原理基本的設(shè)計核心是運用pid調(diào)節(jié)器，從而實現(xiàn)直流電機的在帶動負載的情況下也能穩(wěn)定的運行。運用a/d轉(zhuǎn)換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為控制直流電機速度的給定值；用壓控振蕩器模擬直流電機的運行（電壓高-轉(zhuǎn)速高-脈沖多），單片機在單位時間內(nèi)對脈沖計數(shù)作為電機速度的檢測值；應(yīng)用數(shù)字pid模型作單片機控制編程，其中p、i、d參數(shù)可按鍵輸入并用led數(shù)碼顯示；單片機pwm調(diào)寬輸出作為輸出值，開關(guān)驅(qū)動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現(xiàn)對直流電機的pid調(diào)壓調(diào)速功能。基于以上的核心思想，我們把這次設(shè)計看成五個環(huán)節(jié)組成，其具體的原理如下見原理圖2.0 圖2.0 pid調(diào)速設(shè)計原理圖 如圖可以知道，這是一個閉環(huán)系統(tǒng)，我們借助單片機來控制，我們現(xiàn)運用ad芯片，運用單片機來控制ad芯片來轉(zhuǎn)換模擬電壓到數(shù)字電壓，ad給定的電壓越大，則產(chǎn)生的數(shù)字量越大，單片機再控制這個數(shù)字量來產(chǎn)生一個pwm，pwm占空比越大，就驅(qū)動晶體管導(dǎo)通的時間越長，這樣加到壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓也就越大，電壓越大，則壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的計數(shù)脈沖再單位時間也就越多，這樣就相當(dāng)于電機的電壓越大，其轉(zhuǎn)速也就會越快，我們再用單片機對壓頻轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖計數(shù)，pid調(diào)節(jié)器就把這個計數(shù)脈沖和預(yù)先設(shè)定的 值進行比較，比設(shè)定值小，這樣就會得到一個偏差，再把這個偏差加到ad的給定電壓，這樣就相當(dāng)于加大了pwm的占空比，要是比設(shè)定值大，這樣也會得到一個偏差，就把這個變差與給定的電壓向減，這樣就可以減少pwm的占空比，通過改變占空比來改變晶體管的導(dǎo)通時間，就可以改變壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，也就改變壓頻轉(zhuǎn)換器的單位計數(shù)脈沖，達到調(diào)電動機速度的目的。第3章 設(shè)計方案3.1 pwm的調(diào)制 ad芯片給定一定的電壓，應(yīng)用單片機來控制來產(chǎn)生一個pwm,給定的電壓不同，就會的得到不同的pwm波形。在產(chǎn)生pwm波形我們采用adc0808芯片和at89c51兩個核心器件。 adc0808芯片是要外加電壓和時鐘，當(dāng)輸入不同的電壓的時候，就可以把不同的電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，輸入的電壓越大，其轉(zhuǎn)換的相應(yīng)的數(shù)字也就會越大，adc0808芯片有8個通道輸入和8個通道輸出。其具體的管腳圖見3.01 圖3.01 adc0808芯片管腳圖 at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3.02所示 圖3.02 at89c51芯片管腳圖pwm產(chǎn)生的電路圖見圖3.03 圖3.03 pwm產(chǎn)生的電路圖 在proteus仿真中，我們改變不同的電壓就可以得到不同的pwm波形。 在給定很高（fc）的電壓的時候，得到占空比很的pwm波形，見圖3.04 圖3.04 高占空比pwm波形在給定一般(7f)的電壓的時候，得到占空比很的pwm波形，見圖3.05 圖3.05 中占空比pwm波形在給定一般(01)的電壓的時候，得到占空比很的pwm波形，見圖3.06 圖3.06 低占空比pwm波形 pwm源程序adc equ 35h ;定義adc0808時鐘芯片clock bit p2.4st bit p2.5eoc bit p2.6oe bit p2.7pwm bit p3.7 org 00h sjmp start org 0bh ljmp int_tostart: mov tmod,#02h mov th0,#00h mov tl0,#00h mov ie ,#82h setb tr0wait:clr st setb st clr st ;啟動a/d轉(zhuǎn)換等待結(jié)果 jnb eoc,$ setb oe mov adc,p1 ;啟動/d轉(zhuǎn)換結(jié)果 clr oe setb pwm ;pwm輸出 mov a,adc lcall delay clr pwm mov a,#0feh subb a,adc lcall delay sjmp waitint_to:cpl clock reti ;提供adc0808時鐘信號 delay: cjne a ,#00h, l inc al: mov r6,#1 d1:djnz r6 ,d1 djnz acc,d1 ret end3.2 基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)3.2.1 調(diào)速原理當(dāng)基于以上產(chǎn)生一個pwm后，就可以借助pwm脈沖來控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，來給壓頻轉(zhuǎn)換器來提供一定的電壓，在protues中仿真中，給定一個+12v的電壓，就通過晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷來給壓頻轉(zhuǎn)換器供電，壓頻轉(zhuǎn)換器就會輸出很多的脈沖，借助單片機p3.5來計數(shù)，其計數(shù)送給p0來顯示，通過給定不同的adc的輸入電壓，就可以的得到不同的計數(shù)顯示，電壓越大，其計數(shù)顯示也就越大，通過改變計數(shù)脈沖的周期和硬件壓頻轉(zhuǎn)換器（lm331）的電阻和電容，就可以得到與輸入電壓接近的數(shù)值顯示，可能由于干擾的原因，其顯示值和實際值有一點偏差，這是在沒有什么負載的情況下，或者說是在空載的情況下，這樣就可以得到一個很理想的開環(huán)系統(tǒng)，也為閉環(huán)pwm調(diào)節(jié)做好準(zhǔn)備。當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，加上一個擾動，或者說是加上負載，這樣就使的壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓減少，在給定一定電壓的時候，當(dāng)負載分壓的時候，也就相當(dāng)于直流電機的電壓就會減少，這樣直流電機的轉(zhuǎn)速就會下降，或者說當(dāng)有負載的時候，壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓就會減少，這樣輸入的脈沖在單位時間就會減少，這樣pid調(diào)節(jié)器，通過改變pid的參數(shù)，pid控制器由比例單元（p）、積分單元（i）和微分單元（d）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為 u(t)=kp(e(t)+1/tie(t)dt+td*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/(ti*s)+td*s)其中kp為比例系數(shù)； ti為積分時間常數(shù)； td為微分時間常數(shù)這樣就會得到一個偏差，通過這個偏差來改變原來的pwm的占空比，使得晶體管的導(dǎo)通時間加長或減少，這樣就改變了直流電機的輸入電壓，也就是該變了在protues壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，使得輸出的計數(shù)脈沖在單位時間發(fā)生改變，也就是模擬了直流電機的轉(zhuǎn)速的改變，我們希望通過pid的調(diào)節(jié)，使得輸出的計數(shù)脈沖的顯示值和預(yù)先設(shè)定的值接近，由于偏差的存在，使得pid調(diào)節(jié)器不斷的去修正，使得顯示值近可能的接近我們所預(yù)期的設(shè)定值。3.2.2 基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調(diào)壓調(diào)速器系統(tǒng)原理圖圖3.07 pid調(diào)速原理圖3.2.3波形仿真在不同的給定電壓下開換系統(tǒng)會有不同的pwm波形和計數(shù)脈沖個數(shù)。在不同的波形中從上之下以此為pwm波形，經(jīng)過驅(qū)動后的波形，lm331的輸入電壓，lm331的輸出脈沖。當(dāng)給定電壓為較高（e8h）其波形見如下圖3.08 圖3.08 高電壓給定對應(yīng)的波形當(dāng)給定電壓為較高（7fh）其波形見如下圖3.09 圖3.09 中電壓給定對應(yīng)的波形當(dāng)給定電壓為較高（08h）其波形見如下圖3.10 圖3.10 低電壓給定對應(yīng)的波形; pid lm331的輸入電壓波形圖3.11 圖3.11 pid 控制lm331的輸入電壓波形3.2.4 pid調(diào)速程序pwm 輸出驅(qū)動程序 adc equ 35h clk bit p2.4 st bit p2.5 eoc bit p2.6 oe bit p2.7 pwm bit p3.7; pid 調(diào)節(jié)設(shè)置 ek0 equ 40h ek1 equ 41h ek2 equ 42h pp equ 43h ii equ 44h dd equ 45h uk0 equ 70h uk1 equ 71h org 00h sjmp start org 0bh ljmp int_to start: mov tmod, #62h mov th0, #00h mov tl0, #00h mov ie, #86h setb tr0 ; setb tr1 mov r0, #00 mov r1, #00 mov r2, #00 mov r3, #00 mov r4, #00 mov r5, #00 mov r6, #00 mov r7, #00 ;pid 賦值 mov pp, #05 mov ii, #03 mov dd, #02 mov ek0,#00h mov ek1,#00h mov ek2,#00h mov uk0,#00h mov uk1,#00h wait: clr oe inc r7 clr st setb st clr st jnb eoc, $ ; 等待轉(zhuǎn)換完成 setb oe mov adc, p1 mov r0,adc mov a,70h addc a,adc mov adc ,a ;clr oe setb pwm setb tr1 mov a, adc lcall delay ; 高電平延時 clr pwm mov a, #255 subb a, adc lcall delay ; 低電平延時 cjne r7, #20, wa2 wa1: clr tr1 mov r7, #00 mov a, tl1 mov 50h,a mov p0,50h ;pid求偏差 mov a,ek1 mov ek2,a mov a,ek0 mov ek1,a mov a,r0 subb a,50h mov ek0,a ;pp的計算 mov a,ek0 subb a,ek1 mov b,pp mul ab mov r1,a mov r2,b ajmp x wait1:ajmp wait ;ii的計算 x: mov a,ek0 mov b,ii mul ab mov r3,a mov r4,b ;dd的計算 mov a,ek1 rl a mov ek1,a mov a,ek0 subb a,ek1 addc a,ek2 mov b,dd mul ab mov r5,a mov r6,b ;pid總的計算 mov a,r1 addc a,r3 addc a,r5 mov 60h,a mov a,r2 addc a,r4 addc a,r