基于STM32的直流電機(jī)PID調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目：基于STM32的直流電機(jī)PID調(diào)速學(xué)院：計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：電氣12-5學(xué)號(hào)：姓名：任課教師：完成時(shí)間：基于STM32的直流電機(jī)PID調(diào)速摘要電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位，本設(shè)計(jì)將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制作為研究對(duì)象；以PID為基本控制算法，STM32F103I片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生受PID算法控制的PWMft沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采320X240TFTLCD!示器作為顯示部件，通過4個(gè)按鍵通過界面切換方式設(shè)置P、I、

2、D、V四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后可以通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的CPIB度。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。關(guān)鍵詞：PID直流電機(jī)反饋調(diào)節(jié)BasedontheSTM32PIDspeedcontrolofdcmotorAbstractMotorspeedcontroloccupiesacrucialpositioninthemotioncontrolsystem,thedesignofthemotorspeedcontrolforthestudy;inthebasicPIDcontrolalgorithm,STM32F103microcontrollercore,byth

3、ePIDcontrolalgorithmgeneratesaPWMpulsetoachieveDCspeedcontrol.Atthesametimetheuseofphotoelectricsensorstoconvertthemotorspeedtopulsefrequencyfeedbacktothemicrocontrollertoachieveclosed-loopspeedcontrol,tospeedstaticerroradjustmentpurposes.Mining320x240TFTLCDmonitorasadisplayunitinthesystem,throughfo

4、urkeysettingsP,I,D,Vfourparametersandreversingcontrolthroughtheinterfaceswitchingmode,starttounderstandthecurrentstateofthemotorandthesystemthroughthedisplayunitCPUtemperature.Thesystemcontrolandhighprecision,hasastronganti-jammingcapability.Keywords:PIDDCmotorfeedbackregulation目錄1. 緒論1研究背景與意義1本文主要研

5、究方法12. 設(shè)計(jì)方案與論證2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2控制器模塊設(shè)計(jì)方案23. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3整體電路設(shè)計(jì)3整體理論3整體簡單結(jié)構(gòu)圖和資源分配圖3最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4STM32F10復(fù)位電路6電源電路6電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)7光電碼盤編碼器電路設(shè)計(jì)7顯示電路設(shè)計(jì)8按鍵電路設(shè)計(jì)104. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)10PID算法10PID參數(shù)整定方法11電機(jī)速度采集算法12程序流程圖125. 系統(tǒng)調(diào)試13軟件調(diào)試1314系統(tǒng)測(cè)試與分析6. 總結(jié)與展望15參考文獻(xiàn)16附錄一部分程序源程序17附錄二系統(tǒng)界面實(shí)物圖和PCB圖201. 緒論1.1 研究背景與意義電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代的工業(yè)中，是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，尤其是直流電動(dòng)機(jī)，由于它的平滑

6、調(diào)速性和結(jié)構(gòu)上的簡單，使其成為許多電器，如洗衣機(jī)，電梯等的驅(qū)動(dòng)。而對(duì)于直流電機(jī)的控制，最流行的莫過于采用可控硅裝置向電動(dòng)機(jī)供電，即KZD拖動(dòng)系統(tǒng)。起初的控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，相當(dāng)?shù)谋恐?。隨著電力電子技術(shù)和單片機(jī)的成熟應(yīng)用1，使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。而PW脈寬調(diào)制，是現(xiàn)在應(yīng)用最成熟的方法。它來源于電力電子的橋式電路，通過單片機(jī)可進(jìn)行簡單的模擬，而將它們結(jié)合起來，由電力電子元件組橋進(jìn)行方向控制，而由單片機(jī)產(chǎn)生PWMa空制品閘管的門極。調(diào)節(jié)占空比就能夠控制電機(jī)的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用于實(shí)際中各個(gè)方面，工業(yè)，家電等，因?yàn)樗軌蛟谝粋€(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)進(jìn)行平

7、滑調(diào)速。但是早起以模擬元件為控制裝置的系統(tǒng)，由于模擬元件本身的缺陷，導(dǎo)致硬件復(fù)雜，功能簡單，不靈活，誤差大，無法實(shí)行精確的調(diào)速。單片機(jī)的應(yīng)用解決了這個(gè)問題的一部分，誤差可由許多完善的算法來解決，而且減小了硬件的復(fù)雜性2。使得直流調(diào)速逐步由模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，使直流調(diào)速進(jìn)入一個(gè)更加智能與可靠的新階段。1.2 本文主要研究方法本文主要研究了利用STM3繇列單片機(jī)，通過PWMT式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法3。PWME制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技

8、術(shù)將會(huì)成為PWMI制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一40本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了PWM1號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)5,然后通過L298N放大來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。利用光電編碼盤器測(cè)得電機(jī)速度，然后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。2. 設(shè)計(jì)方案與論證系統(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1所示6。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(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運(yùn)行過程中控制器產(chǎn)生PW脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過放

9、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)過數(shù)字PID運(yùn)算后改變PW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7。圖1系統(tǒng)方案框圖控制器模塊設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWMft沖，并對(duì)電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。對(duì)于控制器的選擇有以下二種方案。方案一：采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣）彳為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGAT以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。FPG麻用并行的輸入輸出方式，

10、提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGAFPGA!過程序設(shè)計(jì)控制PW啾沖的占空比，但是由于本次設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，F(xiàn)PGA勺高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作8。方案二：采用STM32F103乍為系統(tǒng)控制的方案。STM32F10卯片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對(duì)于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣

11、泛。綜合上述兩種方案比較，采用STM32F10蚱為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此在本次設(shè)計(jì)選用方案二。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)整體電路設(shè)計(jì)整體理論單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡介：單片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。PWM1通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWMg動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWML被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。本系統(tǒng)以8

12、9C52單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)控制，C語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的平滑調(diào)速90系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PW蜩速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)對(duì)電機(jī)速度的有效控制。整體簡單結(jié)構(gòu)圖和資源分配圖本系統(tǒng)硬件資源分配見圖

13、2所示，簡單結(jié)構(gòu)如圖4。采用STM32F103I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10,通過STM32F103勺PA（A相）和PA7（B相）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320X240TFTLCEM示器和4個(gè)獨(dú)立按鍵作為人機(jī)接口圖2系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)STM32F103ZETT6為MCU該芯片是STM32F10M面配置非常強(qiáng)大的了，它擁有的資源包括：64KBSRAM、512KBFLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DM饋制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)USB1個(gè)CA

14、N3個(gè)12位ADC1個(gè)12位DAC1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSM（g口以及112個(gè)通用IO口。該芯片的配置十分強(qiáng)悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴(kuò)SRAM和連接LC*,通過FSMG區(qū)動(dòng)LCD可以顯著提高LCD的刷屏速度，是STM32FS族常用型號(hào)里面，最高配置的芯片了。MCliB分的原理圖如圖3所示：圖3MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1.1.1 STM32F10復(fù)位電路STM32F103勺復(fù)位電路如圖4所示：圖4復(fù)位電路圖因?yàn)镾TM321低電平復(fù)位的，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的電路也是低電平復(fù)位的，這里的R3和C12構(gòu)成了上電復(fù)位電路。同時(shí)，開發(fā)板把TFT_LCD勺復(fù)位弓加卻也接在RESET上，這樣這個(gè)復(fù)位

15、按鈕不僅可以用來復(fù)位MCU還可以復(fù)位LCD1.1.2 電源電路STM32F103載的電源供電部分，其原理圖如圖5所示：圖5電源電路圖中，總共有3個(gè)穩(wěn)壓芯片：U12/U13/U15,DC_INffi于外部直流電源輸入，范圍是DC624V輸入電壓經(jīng)過U13DC-DC5片轉(zhuǎn)換為5Vfe源輸出，其中D鋁防反接二極管，避免外部直流電源極性搞錯(cuò)的時(shí)候，燒壞開發(fā)板。K勸開發(fā)板的總電源開關(guān)，F(xiàn)1為1000ma1恢復(fù)保險(xiǎn)絲，用于保護(hù)USBU1劾穩(wěn)壓芯片，給開發(fā)板提供電源，而U15M是穩(wěn)壓芯片，供VS1053CVD使用。1.3 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

16、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關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速110其中輸出腳（SENSEA口SENSEB用來連接電流檢測(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)，用來控制H橋的開與關(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，用來輸入PWM1號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。其電路如圖6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，

17、保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的PWMc沖寸5制L298N的選通端12,使電機(jī)在PWMc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6電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1.4 光電碼盤編碼器電路設(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)用了比較常見的光電測(cè)速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個(gè)等分凹槽如圖7所示，在圓盤的一側(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)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三

18、極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖8所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在PA6（或PA7）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)量來計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了13。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，PA6（或PA7升等輸出如圖所示的脈沖，若知道一段時(shí)間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n,則可求出電機(jī)轉(zhuǎn)速。7電機(jī)速度采集方案圖8傳感器輸出脈沖波形1.5 顯示電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求要對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的14。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，而且需要漢字顯示，在這里選用320X240液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)

19、動(dòng)器及320X240全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成漢字顯示和圖形顯示，模塊原理圖如圖9。圖9寸TFTLCD莫塊原理圖從圖9可以看出，ALIENTEKTFTLC模塊采用16位的并方式與外部連接，之所以不采用8位的方式，是因?yàn)椴势恋臄?shù)據(jù)量比較大，尤其在顯示圖片的時(shí)候，如果用8位數(shù)據(jù)線，就會(huì)比16位方式慢一倍以上，我們當(dāng)然希望速度越快越好，所以我們選擇16位的接口。圖10還列出了觸摸屏芯片的接口。圖10寸TFTLCD1塊接口圖1.6 按鍵電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了4個(gè)獨(dú)立按鍵用以實(shí)現(xiàn)對(duì)P、I、D三個(gè)參數(shù)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖11所示。圖1

20、1按鍵與STM321接原理圖鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，320X240TFTLCD將顯示開機(jī)界面，按KEY_DOWNiJ正反轉(zhuǎn)，按KEY_LIFT減少速度，按KEY_RIGH增力口速度，若按住設(shè)置鍵(KEY_UP不放顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，并且可以顯示當(dāng)前CPUM度，待所有量設(shè)置完成后放開設(shè)置鍵，設(shè)置完成。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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e(n),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PWMC沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)15，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：4.1 )KPe(n)e(n1)KIe(n

21、)KDe(n)2e(n1)e(n2)u0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12所示,PID控制原理圖如圖13。圖13PID控制原理圖4.2 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16。一般來說，要求被控過程是穩(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)滿足上述各項(xiàng)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)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差：e(

22、t)=r(t)-c(t)(1)將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為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。模才KPID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為u(t)Kpe(t)1-te(t)dtTd等TIodt式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)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(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t),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

23、除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti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。PID參數(shù)調(diào)節(jié)有下面的口訣：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(shí)間往下降；曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長。4.3 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

24、要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度17。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=60r/minNt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?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)問t為，則速度計(jì)算具體程序流程如圖14所示。圖14測(cè)速程4.4 程序流程圖在一個(gè)完整的系統(tǒng)中,中軟件部分是非常重要的,只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)按照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖15所示。圖15主程序流程5. 系統(tǒng)調(diào)試軟件調(diào)試在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題，包括鍵盤掃描處理、PWMF號(hào)發(fā)生電路的控制

25、、以及單片機(jī)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等問題，雖然問題不是很大，但是也讓我研究了好長時(shí)間，在解決這些問題的時(shí)候，我不斷向老師和同學(xué)請(qǐng)教，希望能通過大家一塊的努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老師的指導(dǎo)，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能，這讓我很著急。后來經(jīng)過一點(diǎn)一點(diǎn)的調(diào)試，并認(rèn)真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其實(shí)在編寫中斷處理程序時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，修改后即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的目的?？偨Y(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認(rèn)識(shí)到了做軟件調(diào)試的基本方法與流程：（1）認(rèn)真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯(cuò)誤（2）逐段子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，找出錯(cuò)誤出現(xiàn)的部分，重點(diǎn)排查（3）找到合適的方法，

26、仔細(xì)檢查程序，分步調(diào)試直到運(yùn)行成功系統(tǒng)測(cè)試與分析為了確定系統(tǒng)與設(shè)計(jì)要求的符合程度，需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與分析，下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)KI=0，實(shí)際微分系數(shù)KD=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)KP，讓擾動(dòng)信號(hào)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)KP為當(dāng)前的值乘以，由小到大增加積分系數(shù)KI，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)KI保持不變，改變比例系數(shù)KP，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)KP增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)KI，力求改善控制過程。如此反復(fù)

27、試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI為止。引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)KD和實(shí)際微分時(shí)間TD，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。根據(jù)上訴方法，通過觀察得出該系統(tǒng)比較合適的P、I、D三者的參數(shù)值為：Kp=,KI=,KD=。6.總結(jié)與展望這一段時(shí)間過的無比的充實(shí)，每天都在忙碌著，查閱資料，翻看文檔，了解相關(guān)的知識(shí)，每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都要仔細(xì)的考慮，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要查閱相關(guān)的資料，爭(zhēng)取做到完美。在這個(gè)系統(tǒng)中以前學(xué)的很多東西現(xiàn)在都用上了，數(shù)碼管的移位顯示等等都是在以前學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上慢慢調(diào)試出來的，所以在寫這篇論文的時(shí)候又讓我對(duì)以前的

28、知識(shí)進(jìn)行了一次回顧，對(duì)知識(shí)又有了新的認(rèn)識(shí)！真是受益匪淺！通過本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多了東西，知道光靠書本上的東西是不夠的，需額外去查資料。無論是在硬件、軟件還是設(shè)計(jì)思路上，我都遇到了不少的問題，在克服困難的過程中，我學(xué)到了許多。知道了PID算法的應(yīng)用，以前總覺得PID就是像做數(shù)學(xué)一樣，不知道實(shí)際應(yīng)用。通過本次設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了理論與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。參考文獻(xiàn)1李建忠，余新拴，吳耀華.單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）M.西安電子科技大學(xué)出版社,.2劉軍，張洋，嚴(yán)漢字.STM32F1開發(fā)指

29、南-庫函數(shù)版本M.北京航空航天大學(xué)出版社，譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）M.清華大學(xué)出版社，.4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M.高等教育出版社,.5 張友德.單片機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)M.復(fù)旦大學(xué)出版社6 張毅剛，彭喜源，譚曉鈞，曲春波.MCS51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,.7 宋慶環(huán)，才衛(wèi)國，高志.89C51單片機(jī)在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用M.唐山學(xué)院，8 陳錕，危立輝.基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速器控制電路J.中南民族大學(xué)學(xué)報(bào),自然科學(xué)版，.9李維軍韓小剛李晉.基于單片機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PW蜩速系統(tǒng)J.維普資訊，.10李杰.51系列單片機(jī)輸出PWM勺兩種方法DB/DL.張俊謨.

30、單片機(jī)中級(jí)教程M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：96.12 何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990：83-87.13 風(fēng)標(biāo)電子.Proteus使用手冊(cè)DB/OL.2008-5-9王偉，張晶濤，柴天佑.PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述J.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000,(3)：347-35.15韓京清.非線性PID控制器J.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1994,(4)：487-490.16萬佑紅，李新華.用遺傳算法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004,23(7):7-8.17BehzadofAnalogCMOSandIntegratedCir

31、cuitsM.McGraw-HillCompanies，2001：28-36.附錄一部分程序源程序主程序：#include""#include""#include""#include"".");key=update_font(20,110,16,0);/從SD卡更新while(key)/更新失敗LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"FontUpdateFailed!");delay_ms(200);LCD_Fill(20,110,200+20,110+16,WHITE);delay_ms(200);LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"FontUpdateSuccess!");delay_ms(1500);LCD_Clear(WHITE);/清屏while(1)startPID();/*顯示網(wǎng)格*/_Display_Grid(RED);PID調(diào)節(jié)程序：longintPID(intsetpoin