東南大學(xué)機(jī)械本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

-.z學(xué)士學(xué)位論文基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì)院系:學(xué)號(hào):專業(yè)名稱:學(xué)生**:指導(dǎo)教師:起訖日期:設(shè)計(jì)地點(diǎn):-.z東南大學(xué)畢業(yè)〔設(shè)計(jì)〕論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)〔設(shè)計(jì)〕論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)展的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何奉獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。論文作者簽名：日期：年月日東南大學(xué)畢業(yè)〔設(shè)計(jì)〕論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)有權(quán)保存本人所送交畢業(yè)〔設(shè)計(jì)〕論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在**期內(nèi)的**論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布〔包括登載〕論文的全部或局部?jī)?nèi)容。論文的公布〔包括登載〕授權(quán)東南大學(xué)教務(wù)處辦理。論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日日期：年月日-.z基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì)摘要:電機(jī)控制器的開(kāi)展朝著集成化和通用化的方向開(kāi)展著。目前，電機(jī)控制專用集成電路芯片技術(shù)已經(jīng)比擬成熟，電機(jī)控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得缺乏。而且，電機(jī)控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料豐富，但是又很分散，需要花時(shí)間收集整理、分析消化，研究電機(jī)的通用控制器很有必要。本次設(shè)計(jì)先用MATLAB對(duì)PID控制器進(jìn)展仿真，計(jì)算，包括參數(shù)整定，加深對(duì)控制器和離散算法的認(rèn)識(shí)，再進(jìn)一步探索雙閉環(huán)反應(yīng)的控制器算法。然后在基于STM32的電機(jī)控制電路中進(jìn)展檢驗(yàn)，以便進(jìn)一步優(yōu)化算法。這次設(shè)計(jì)的通用控制器其通用性主要表達(dá)在兩個(gè)方面：一是PID控制器構(gòu)造的通用性即可以選擇單閉環(huán)，雙環(huán)，甚至三環(huán)控制，對(duì)不需要的控制只需要將該參數(shù)設(shè)置為0；二是PID參數(shù)的通用性，即可以很方便的對(duì)PID參數(shù)進(jìn)展調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際的需求。就目前的研究結(jié)果來(lái)看，理論研究根本完成，亦根據(jù)實(shí)際情況擬合出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比之間的函數(shù)關(guān)系，將這種關(guān)系應(yīng)用在簡(jiǎn)單的單閉環(huán)控制中取得了很好的效果，在不使用這種關(guān)系，亦對(duì)PID參數(shù)進(jìn)展了整定，還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)PID算法對(duì)實(shí)際電機(jī)控制的效果，提高其通用性。關(guān)鍵詞;STM32；通用控制器；PID；MATLAB仿真-.z-.zDesignofMCUBasedUniversalControllerAbstract:Themotorcontrollerisbeingmoreandmoreintegratedanduniversal.Atpresent,thetechnologyofmotorcontrolASICchipisrelativelymature,thetypesarealsoveryplete,butitlacksuniversalitypartly.Moreover,therearevarietiesspecifications,productinformationandapplicationdatabutveryscattered,ittakeslotsoftimetocollectandanalyzethem.Sothestudyoftheuniversalmotorcontrollerisnecessary.

Inthedesign,firstlytheMATLABisusedtoemulatethePIDcontroller,includingparametercalculation,toachieveabetterunderstandingonthecontrollerandthediscretealgorithm,andthenanalgorithmofdoubleclosed-loopcontrolsystemise*plored.AndthenacircuitofmotorcontrolbasedontheSTM32istested,inordertofurtheroptimizethealgorithm.

Theuniversalityoftheuniversalcontrollerismainlyreflectedinthetwosides:First,thePIDcontrollerstructureisoptionalamongasingleclosedloopcontrolsystem,adoubleloopcontrolsystem,andeventhreeloopcontrolsystem;SecondistheversatilityofthePIDparameters,canadjustedfortheactualdemandinthefield.

Accordingtothecurrentresults,thetheoreticalstudyispleted,afunctionalrelationshipbetweenmotorspeedanddutycycleisdeterminedbasedontheactualsituation.Therelationshipisappliedinasingleclosed-loopcontrolsystemandachieveagoodeffect.Butfurthere*amineoftheeffectofthePIDalgorithm,italsoneedintheactualmotorcontrol.Keywords:STM32;UniversalController;PID;MATLABSimulation

-.z目錄TOC\o"1-3"\h\u46151、緒論237261.1引言248961.2研究現(xiàn)狀與開(kāi)展趨勢(shì)226641.3本課題的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容3315592、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析及MATLAB仿真4131732.1原理分析4321872.1.1直流電機(jī)根本調(diào)速方法與PWM4196902.1.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)55162.2MATLAB仿真6134932.2.1電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)6145502.2.2Simulink仿真7249042.3系統(tǒng)離散化16279382.4狀態(tài)空間法與串行算法模擬并行的探索1838272.4.1狀態(tài)空間法的啟示1868042.4.2算法的探索1984203、實(shí)踐設(shè)計(jì)篇21238193.1整體方案設(shè)計(jì)2169763.2硬件局部22104513.2.1STM32開(kāi)發(fā)板2217833.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路22311403.2.3正交編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速23218223.2.4穩(wěn)壓電源電路24222033.3軟件模塊25183893.3.1PWM生成子程序25154893.3.2串口模塊—速度給定與速度顯示26195883.3.3速度測(cè)定與方向判斷子程序27165353.3.4PID算法模塊27280194、實(shí)踐檢驗(yàn)篇29110934.1實(shí)物連接圖29177324.2用MATLAB曲線擬合方法確定占空比與空載電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系29230124.3簡(jiǎn)單閉環(huán)控制試驗(yàn)3274624.4PID算法試驗(yàn)3358044.5第二次PID算法試驗(yàn)34194995、總結(jié)與改良37168085.1總結(jié)37273095.2改良的一些思路3712508致謝3916777參考文獻(xiàn)40

基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì)1、緒論1.1引言運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備——電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的控制?？v觀運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)展歷程，交，直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展使他們所處的地位，所起的作用不同，但他們始終是隨著工業(yè)的開(kāi)展，特別是電力電子和微電子技術(shù)的開(kāi)展，在相互競(jìng)爭(zhēng)，相互促進(jìn)中，不斷完善并發(fā)生著變化。由于歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)，所以19世紀(jì)80年代以前，直流電氣傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。直到19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)，這才使得交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度，調(diào)速*圍，靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高的要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開(kāi)場(chǎng)使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的開(kāi)展過(guò)程是這樣的，由最早的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組控制開(kāi)展為放大機(jī)，磁放大機(jī)控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)的快速性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，然而由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，制造工藝復(fù)雜且本錢(qián)高，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受到限制等缺點(diǎn)，并且很難向高轉(zhuǎn)速，高電壓，大容量開(kāi)展，逐漸顯示出直流調(diào)速的弱點(diǎn)。普遍應(yīng)用于恒速運(yùn)行場(chǎng)合的交流電動(dòng)機(jī)，可以彌補(bǔ)直流電動(dòng)機(jī)的缺乏。于是人們又開(kāi)場(chǎng)了新一輪交流調(diào)速的研究。僅對(duì)占傳動(dòng)總量三分之一強(qiáng)的風(fēng)機(jī)，水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可以節(jié)電30%左右。近三四十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，現(xiàn)代控制理論的開(kāi)展，為交流調(diào)速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了有利條件，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化。從調(diào)速性能看，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美[[]周深淵.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].中國(guó)電力.2007:1~20][]周深淵.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].中國(guó)電力.2007:1~20現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制的真正的開(kāi)展是以電力電子器件的開(kāi)展和應(yīng)用為根底的。而微處理器的應(yīng)用使電氣傳動(dòng)控制技術(shù)再次發(fā)生了巨大地變革，使用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制不僅可以簡(jiǎn)化控制硬件，而且可以參加人工智能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)展診斷，這對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[[]李寧，*啟新.電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].：機(jī)械工業(yè).2003:12~22]。[]李寧，*啟新.電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].：機(jī)械工業(yè).2003:12~221.2研究現(xiàn)狀與開(kāi)展趨勢(shì)微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速開(kāi)展，微處理器的性價(jià)比越來(lái)越高。此外，由于電力電子技術(shù)的開(kāi)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的開(kāi)展出現(xiàn)了新的變化。對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開(kāi)關(guān)元器件，使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?，F(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)可編程控制器進(jìn)展編程就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的規(guī)律化控制。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī),則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長(zhǎng)，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，不管是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，構(gòu)造都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。高性能的微處理器如DSP(DigitalSignalProcessor)即數(shù)字信號(hào)處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)根底，使電機(jī)傳動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算。采用微處理器控制，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在構(gòu)造上簡(jiǎn)單化，可靠性提高，操作維護(hù)變得簡(jiǎn)捷，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度等方面到達(dá)較高水平。由于微處理器具有較佳的性價(jià)比，所以微處理器在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的控制器門(mén)類繁多，且多為實(shí)用性和針對(duì)性很強(qiáng)的控制器，有基于改良模糊控制等算法的中央空調(diào)的控制器[[]YingjunGuo,YingbaoZhao,ZengliLu,JianguangLiu.TheDesignofImprovedFuzzyControllerBasedonMCUforCentralAirConditioner[J].08Proceedingsofthe2008InternationalSymposiumonIntelligentInformationTechnologyApplicationWorkshops.2008:197~200]，有復(fù)雜的基于AVR單片機(jī)針對(duì)機(jī)床自動(dòng)變速箱的通用控制器[[]羅玉濤,羅良然,李曉波,黃志勇,孟亞輝.基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)變速箱通用控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,(03):606~608[]YingjunGuo,YingbaoZhao,ZengliLu,JianguangLiu.TheDesignofImprovedFuzzyControllerBasedonMCUforCentralAirConditioner[J].08Proceedingsofthe2008InternationalSymposiumonIntelligentInformationTechnologyApplicationWorkshops.2008:197~200[]羅玉濤,羅良然,李曉波,黃志勇,孟亞輝.基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)變速箱通用控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,(03):606~608[]林開(kāi)生.基于51系列單片機(jī)的通用控制器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].**職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008(04):34~371.3本課題的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容電機(jī)控制器的開(kāi)展朝著集成化和通用化的方向開(kāi)展著。目前，電機(jī)控制專用集成電路芯片技術(shù)已經(jīng)比擬成熟，電機(jī)控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得缺乏。而且，電機(jī)控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料豐富，但是又很分散，需要花時(shí)間收集整理、分析消化。本課題著力于研究電機(jī)控制器的通用化開(kāi)發(fā)。利用MCU編寫(xiě)在一定領(lǐng)域具有通用功能的控制器程序，借鑒MATLAB的信號(hào)流圖，研究通過(guò)下載設(shè)定的參數(shù)，在MCU程序的解釋下，實(shí)現(xiàn)其控制功能的通用性。本設(shè)計(jì)的通用性主要展現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是PID控制器構(gòu)造的通用性即可以根據(jù)反應(yīng)的情況選擇單閉環(huán)，雙環(huán)，甚至三環(huán)控制；二是參數(shù)的通用性，即可以很方便的對(duì)PID參數(shù)進(jìn)展調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際的需求。由于采用近幾年最最主流的STM32微處理器，應(yīng)用新控制理論和方法，使實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制成為可能，并且增加了系統(tǒng)功能和柔性。具有控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改等優(yōu)點(diǎn)，從而到達(dá)很高的控制精度和良好的穩(wěn)定性。-.z2、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析及MATLAB仿真2.1原理分析2.1.1直流電機(jī)根本調(diào)速方法與PWM直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無(wú)換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低，機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速*圍要求不大的場(chǎng)合。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的*圍，較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)重量大，占地多，效率低及維修困難。近年來(lái)，隨著電力電子的迅速開(kāi)展，有晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的飛速開(kāi)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，動(dòng)態(tài)性能，可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中的IGBT等大功率器件的開(kāi)展取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為〔2.1〕式中：為電樞供電電壓〔V〕，為電樞電流〔A〕，為勵(lì)磁磁通〔Wb〕，為電樞回路總阻，為電勢(shì)系數(shù)由〔2.1〕式可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案可有以下三種。1.電樞串電阻調(diào)速：由于電阻耗能大，機(jī)械特性軟，調(diào)速*圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場(chǎng)合。2.弱磁調(diào)速：弱磁調(diào)速雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速*圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以上作小*圍升速時(shí)才采用。3.調(diào)壓調(diào)速：調(diào)壓調(diào)速可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大*圍平滑調(diào)速，并且在整個(gè)調(diào)速*圍內(nèi)機(jī)械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛采用[[]周順榮.電機(jī)學(xué)[M].:科學(xué).2007:42~44][[][]周順榮.電機(jī)學(xué)[M].:科學(xué).2007:42~44[]陳世元.電機(jī)學(xué)[M]:中國(guó)電力.2004:35~37對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。絕大多數(shù)情況下采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。這種方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2-1PWM調(diào)速控制和電壓波形圖圖2-1是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)展PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為〔2.2〕式中：為占空比，，它表示了在一個(gè)周期T內(nèi)，開(kāi)關(guān)管道通的時(shí)間與周期的比值，的取值*圍為：由公式〔2.2〕可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞電壓的平均值取決于平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，到達(dá)調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值?！?〕定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變，使周期與頻率也隨之改變?！?〕調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，只改變，使周期與頻率也隨之改變?！?〕定頻調(diào)寬法：使周期保持不變，同時(shí)改變，。前兩種方法在調(diào)速時(shí)，改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生震蕩，因此很少用。目前主要用定頻調(diào)寬法[[][]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].:航空航天大學(xué).2007:52~562.1.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)本次試驗(yàn)選用的是小功率的直流電機(jī)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，僅對(duì)與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)局部的理論進(jìn)展闡述。1.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)直接發(fā)出指令，產(chǎn)生信號(hào)，改變直流電機(jī)電樞端電壓，到達(dá)調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能同時(shí)滿足調(diào)速*圍和靜差率的要求，機(jī)械特性軟，調(diào)速*圍窄。應(yīng)用于靜差率要求不高的無(wú)級(jí)調(diào)速場(chǎng)合。2.轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)速指令電壓相比擬形成偏差電壓，偏差電壓作為輸入信號(hào)，后與開(kāi)環(huán)電路一樣。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，機(jī)械特性較硬、靜差率較小、一定靜差率的調(diào)速*圍提高了；缺點(diǎn)是起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)電流過(guò)大，對(duì)電機(jī)換向不利。改良提高措施：加偏差調(diào)節(jié)器或限流措施。目前，有三種改良措施：增加電流截止負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)電壓負(fù)反應(yīng)代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、以電壓負(fù)反應(yīng)加電流補(bǔ)償控制代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)。3.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)雙閉環(huán)〔電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)〕調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道反應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反應(yīng)環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和PI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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反應(yīng)作用限制電流得沖擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流〔轉(zhuǎn)矩〕為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流〔轉(zhuǎn)矩〕首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過(guò)程，按照反應(yīng)控制規(guī)律，電流負(fù)反應(yīng)就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反應(yīng)，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)，不在電流負(fù)反應(yīng)發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)作用又能使它們作用不同的階段。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用，需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)構(gòu)造上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。4.三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的根底上，在電流環(huán)內(nèi)再加電流變化率內(nèi)環(huán)或電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成兩種三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。增加了電流變化率內(nèi)環(huán)，提高了電流環(huán)的響應(yīng)速度，使起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流更接近理想波形，進(jìn)一步改善了電機(jī)的起動(dòng)性能[[][]*粵.電機(jī)與控制系統(tǒng)[M].**:東南大學(xué).1999:56~100其他調(diào)速系統(tǒng)諸如：有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。2.2MATLAB仿真2.2.1電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)對(duì)直流電機(jī)，有電樞電壓平衡方程：〔2.3〕轉(zhuǎn)矩平衡方程為：〔2.4〕式中：電樞電壓〔V〕，電樞反電勢(shì)〔V〕，電樞電流〔A)，電樞電感〔H〕，電樞電阻〔〕，每極磁通〔Wb〕，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速〔r/min〕，直流電機(jī)電勢(shì)常數(shù)，轉(zhuǎn)矩常數(shù)，P為電機(jī)極對(duì)數(shù)，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，為并聯(lián)支路數(shù)，T電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J轉(zhuǎn)速慣量。對(duì)2.3，2.4式采用拉氏變換得電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)是〔2.5〕轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為〔2.6〕考慮到，的輔助關(guān)系，并引入機(jī)電常數(shù)，可求得準(zhǔn)確模型的傳遞函數(shù)：圖2-2電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.2.2Simulink仿真〔1〕PID控制器的理論探索1〕PID控制器構(gòu)造如下列圖2-3圖2-3PID控制器，為積分環(huán)節(jié)，為積分環(huán)節(jié)，為微分環(huán)節(jié)2〕以一個(gè)單閉環(huán)的控制系統(tǒng)為例，分析PID控制器各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用。圖2-4單閉環(huán)控制系統(tǒng)其中在MATLAB中編寫(xiě)M文件〔見(jiàn)附錄〕，觀察PID各環(huán)節(jié)參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的變化，根據(jù)圖2-5,2-6,2-7分析得：圖2-5取不同值時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)比例調(diào)節(jié)作用：增大可增大系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但隨著增大系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重時(shí)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性破壞。圖2-6取不同值時(shí)的階躍響應(yīng)積分調(diào)節(jié)作用：對(duì)穩(wěn)態(tài)起控制作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，但積分過(guò)強(qiáng)穩(wěn)定性隨著下降，嚴(yán)重時(shí)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般和比例項(xiàng)配合使用。圖2-7取不同值時(shí)的階躍響應(yīng)微分調(diào)節(jié)作用：對(duì)動(dòng)態(tài)控制作用，可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，上升快，超調(diào)小，具有預(yù)調(diào)節(jié)的作用，一般與比例項(xiàng)組合使用。3〕用PID控制器校正系統(tǒng)利用教材[[][]黃忠霖,周向明.控制系統(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)[M].:國(guó)防工業(yè).2006:300~311圖2-8電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為對(duì)其進(jìn)展性能分析，階躍響應(yīng)見(jiàn)圖2-9圖2-9開(kāi)環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)為：ans=RiseTime:0.1290SettlingTime:0.2300SettlingMin:206.0857SettlingMa*:228.4047Overshoot:0Undershoot:0Peak:228.4047PeakTime:0.3925由以上數(shù)據(jù)可知，單純的電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速度太慢，動(dòng)態(tài)性能不佳，且不具有抗干擾性。針對(duì)這一系統(tǒng)，我們將進(jìn)展PID的參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改良，對(duì)上述系統(tǒng)引入速度負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)和PID調(diào)節(jié)器。圖2-10單閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)模型時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：PID參數(shù)整定法[[]戴雅馨.淺析PID參數(shù)整定方法[J].純堿工業(yè).2009(06[]戴雅馨.淺析PID參數(shù)整定方法[J].純堿工業(yè).2009(06).15~17[]何國(guó)榮,紀(jì)娜.基于臨界比例度法的PID控制器參數(shù)整定方法研究[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Vol..7No.2.2008(6):11~14這是目前使用較多的一種方法。它是先通過(guò)試驗(yàn)得到臨界比例度和臨界周期,然后根據(jù)經(jīng)歷公式求出控制器各參數(shù)值。具體做法如下:1.被控系統(tǒng)穩(wěn)定后,把控制器的積分時(shí)間放到最大,微分時(shí)間放到零(相當(dāng)于切除了積分和微分作用,只使用比例作用)。2.給定一個(gè)階躍信號(hào),觀察由此而引起的測(cè)量值振蕩。3.針對(duì)其開(kāi)環(huán)系統(tǒng)作根軌跡圖，根據(jù)MATLAB的圖像顯示，可預(yù)測(cè)臨界比例度K的大致*圍。圖2-11系統(tǒng)根軌跡圖圖2-12根軌跡圖與虛軸交點(diǎn)4.根據(jù)已確定的K值，代入閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)展微調(diào)，從大到小逐步把控制器的比例度減小,看測(cè)量值振蕩的變化是發(fā)散的還是衰減的,如是衰減的則應(yīng)把比例度繼續(xù)減小;如是發(fā)散的則應(yīng)把比例度放大使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩，如下列圖，此時(shí)的比例系數(shù)叫臨界比例度=1/18.354271。振蕩周期為圖2-13臨界震蕩時(shí)PID參數(shù)設(shè)置界面圖2-14系統(tǒng)臨界震蕩圖5.參考參數(shù)整定表2-1，得到參數(shù)，，表2-1臨界比例度法參數(shù)整定表調(diào)節(jié)作用比例度積分時(shí)間〔min〕微分時(shí)間〔min〕比例2比例積分2.20.85比例微分1.80.1比例積分微分25由表2-1可計(jì)算得，對(duì)PID控制器6.通過(guò)上述步驟得到的四個(gè)參數(shù)，還要到系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行，檢驗(yàn)控制效果，必要時(shí)進(jìn)展反復(fù)調(diào)整，直至獲得滿意的控制效果。臨界比例度整定法又稱為“閉環(huán)振蕩法〞,它的特點(diǎn)是:不需要求得控制對(duì)象的特性,而直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)展整定,適用于一般的控制系統(tǒng)，但對(duì)于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用.我將上述結(jié)果代入閉環(huán)系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)見(jiàn)圖2-17，為不穩(wěn)定系統(tǒng)，還需進(jìn)展二次整定。圖2-15第一次整定PID參數(shù)設(shè)置界面.圖2-16第一次整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)7.PID參數(shù)二次整定二次整定時(shí)，其原理與試湊法類似，只是有了前面的根底從而在一定程度上防止了試湊參數(shù)時(shí)的盲目性,具有有很強(qiáng)的針對(duì)性。二次整定得到的PID參數(shù)數(shù)值為圖2-17二次整定得到的PID參數(shù)在該參數(shù)下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為圖2-18二次整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)二次整定后系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)ans=RiseTime:0.0591SettlingTime:12.4573SettlingMin:64.6782SettlingMa*:105.1588Overshoot:23.8771Undershoot:0Peak:105.1588PeakTime:0.0915進(jìn)展前后比照，可知，引入PID閉環(huán)控制后，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)雖出現(xiàn)了一定量的超調(diào)，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可以得到很大改善，響應(yīng)速度更快，具有了抗干擾性,PID控制器對(duì)系統(tǒng)的校正效果是很明顯的。2.3系統(tǒng)離散化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作是控制器的設(shè)計(jì)。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)使用模擬器件實(shí)現(xiàn)；在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)用軟件編程實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是連續(xù)控制系統(tǒng)還是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，都需要借助于數(shù)學(xué)工具。在連續(xù)系統(tǒng)，時(shí)域設(shè)計(jì)用到微分方程，頻域設(shè)計(jì)用到傳遞函數(shù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，時(shí)域設(shè)計(jì)涉及差分方程，頻域設(shè)計(jì)涉及脈沖傳遞函數(shù)。我們習(xí)慣于用連續(xù)系統(tǒng)成熟的理論解決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的*些分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題，控制器的設(shè)計(jì)同樣如此。通常先設(shè)計(jì)連續(xù)控制器，再將描述連續(xù)控制器的數(shù)學(xué)模型時(shí)域的微分方程或頻域的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域的差分方程或頻域的脈沖傳遞函數(shù)，即數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型。數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)大體上分成兩大類：經(jīng)典法設(shè)計(jì)和狀態(tài)空間法。經(jīng)典法設(shè)計(jì)可分兩種方法：離散化法和直接法。離散化法是設(shè)計(jì)連續(xù)控制系統(tǒng)的控制器，然后通過(guò)*種離散化方法轉(zhuǎn)化成數(shù)字控制器，這種方法僅能逼近連續(xù)系統(tǒng)的性能，不會(huì)由于連續(xù)系統(tǒng)的性能，但對(duì)熟悉連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者不失為一種較好的方法。本次設(shè)計(jì)中的單閉環(huán)PID控制器的離散化算法[[]李嗣福計(jì)算機(jī)控制根底[M].中國(guó)科技大學(xué).2001.：150~173][]李嗣福計(jì)算機(jī)控制根底[M].中國(guó)科技大學(xué).2001.：150~173圖2-19PID控制器離散化圖理想模擬PID控制器輸出方程如式〔2.7〕所示〔2.7〕為比例系數(shù)，與比例帶互為倒數(shù)關(guān)系，即，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間，為PID控制器的輸出控制量，為PID控制器輸入的系統(tǒng)偏差量。對(duì)上式作拉氏變換，得式(2.8)〔2.8〕由向后差分法，，近似得即，T為采樣周期對(duì)離散化得式(2.9)〔2.9〕為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。將式(2.9)化為差分方程得式(2.10)〔2.10〕由于式〔2.10〕中包含過(guò)去全部的偏差量，而且累加運(yùn)算編程不方便，計(jì)算量太大，需要將其改為遞推算法，對(duì)式(2.10)兩邊同時(shí)取一階向后差分得式(2.11)〔2.11〕即〔2.12〕式(2.11)叫做數(shù)字PID增量式算法，式(2.12)叫做數(shù)字PID位置式算法，兩者形式不同，本質(zhì)一樣，但是，采用增量式算法，系統(tǒng)工作會(huì)更平安。一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，使控制信號(hào)為零時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置仍能保持前一步的位置，因而對(duì)系統(tǒng)平安不會(huì)有大的影響。對(duì)*個(gè)控制系統(tǒng)而，無(wú)外乎是由一個(gè)或多個(gè)比例，積分，微分環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過(guò)對(duì)上述單個(gè)PID離散化的認(rèn)識(shí)，我們可以很輕易的對(duì)更復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)展離散化，在此不作一一推導(dǎo)。2.4狀態(tài)空間法與串行算法模擬并行的探索2.4.1狀態(tài)空間法的啟示經(jīng)典控制理論，適用于單輸入—單輸出〔SISO〕系統(tǒng)，而現(xiàn)代控制理論建立了狀態(tài)的概念，以狀態(tài)方程為根底，以線性矩陣?yán)碚摓閿?shù)學(xué)工具，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，不僅適用于線性定常系統(tǒng)，而且適用于線性時(shí)變和非線性系統(tǒng)的分析，綜合。經(jīng)典控制理論研究系統(tǒng)輸入-輸出之間的關(guān)系停留在系統(tǒng)的外部特征，因而從綜合的角度看，它屬于試湊形式，即根據(jù)相關(guān)理論確定相關(guān)參量，再驗(yàn)證是否符合指標(biāo)要求，假設(shè)不符合再重新修改參數(shù)并驗(yàn)證，直至得到滿意結(jié)果。而現(xiàn)代控制理論用狀態(tài)提醒了系統(tǒng)的內(nèi)部狀況，研究輸入-狀態(tài)-輸出的因果關(guān)系，這就從內(nèi)部，從本質(zhì)上掌握了系統(tǒng)的關(guān)系，從而可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)函數(shù)〔性能指標(biāo)〕求得最有控制規(guī)律。圖2-20狀態(tài)空間法簡(jiǎn)圖對(duì)一個(gè)離散化的系統(tǒng)而言，其狀態(tài)空間表示式[[][]王春民,*興明,嵇艷鞠.連續(xù)與離散控制系統(tǒng)[M].:科學(xué).2008:256~300〔2.13〕為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)向量，為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸出向量，為輸入向量，A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B為控制矩陣，C為測(cè)量矩陣，D為直傳矩陣，假設(shè)系統(tǒng)輸出滯后于輸入，則D矩陣為零。對(duì)狀態(tài)空間法認(rèn)識(shí)的不斷深入，我越發(fā)了解到這種系統(tǒng)表示方式的好處，它能確定*一時(shí)刻下，系統(tǒng)任一位置的值，而不是像以往只能知道整個(gè)系統(tǒng)的輸入與輸出，這種方法，讓整個(gè)系統(tǒng)變得更加的公開(kāi)和透明，雖說(shuō)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型可由MATLAB直接運(yùn)算得到，但那是建立在控制對(duì)象各參數(shù)的前提下，如果控制對(duì)象為一未知系統(tǒng)，PID控制器的各參數(shù)亦不能確定，我們又該如何建立這種狀態(tài)空間模型呢.黑箱系統(tǒng)是我們?cè)趯?shí)踐中往往會(huì)遇到的類型！為此，不得不進(jìn)一步加以思考。2.4.2算法的探索以一個(gè)雙閉環(huán)PID控制，對(duì)象未知的控制系統(tǒng)為例，進(jìn)展模擬算法的探索。圖2-21雙閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)展簡(jiǎn)單分析，首先它是一個(gè)三個(gè)輸入，一個(gè)輸出的控制對(duì)象未知的系統(tǒng)，在三個(gè)輸入中，u0為輸入的期望值，u1,u2分別為反應(yīng)值，e1表示在節(jié)點(diǎn)1處的偏差，e2表示在節(jié)點(diǎn)2的偏差，*為PID1的輸出值，y為PID2的輸出值。這樣一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出量，中間量都被表示出來(lái)，下一步，是如何求這些量。如下圖，將其視為離散系統(tǒng)，PID采用位置式算法，可知如下關(guān)系〔2.14〕根據(jù)上述關(guān)系式，在給定了輸入和PID參數(shù)的情況下，我們可以得到每一時(shí)刻系統(tǒng)的輸入輸出甚至是中間量。但是，在實(shí)際環(huán)境中，系統(tǒng)不可能是同步運(yùn)行，每一個(gè)環(huán)節(jié)輸入與輸出都是有時(shí)差的，這就需要我們用串行的算法來(lái)模擬系統(tǒng)的并行運(yùn)行。我們對(duì)方程組作修改，結(jié)果如下，k時(shí)刻有〔2.15〕用C語(yǔ)言編程，程序見(jiàn)附錄，PID參數(shù)，增益值均用宏定義，方便修改，u0,u1,u2均設(shè)置按時(shí)序賦1至8的整數(shù)值。程序運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)圖2-24.圖2-22程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)模擬算法的探索至此完畢，以上僅能說(shuō)明其可行性，至于這種模擬的準(zhǔn)確度等等方面還有待進(jìn)一步深入探討。-.z3、實(shí)踐設(shè)計(jì)篇3.1整體方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)實(shí)踐的系統(tǒng)為具有轉(zhuǎn)速反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用固定在電機(jī)上的正交編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)線將脈沖信號(hào)送入STM32單片機(jī)中，單片機(jī)以編碼器模式計(jì)數(shù)，并通過(guò)單片機(jī)一系列的計(jì)算，獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個(gè)速度與設(shè)定的速度進(jìn)展比擬，得出差值，對(duì)這個(gè)差值進(jìn)展PID運(yùn)算，改變單片機(jī)輸出PWM的占空比值，通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3-1方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖圖3-2電路連接示意圖3.2硬件局部硬件設(shè)計(jì)局部主要包括了STM32開(kāi)發(fā)板，L298N驅(qū)動(dòng)電路，正交編碼器測(cè)速，穩(wěn)壓電源電路3.2.1STM32開(kāi)發(fā)板本次設(shè)計(jì)選用的是ALIENTEKMiniSTM32開(kāi)發(fā)板，它的MCU是STM32F103RBT6，STM32作為基于ARMCorte*-M3的單片機(jī)，無(wú)疑具有高性能，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該芯片還擁有20KSRAM、128KFLASH、3個(gè)普通的16位定時(shí)器、一個(gè)16位的高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)SPI、2個(gè)IIC、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、51個(gè)通用IO口。當(dāng)然與本次設(shè)計(jì)相關(guān)的主要是那四個(gè)定時(shí)器，USB轉(zhuǎn)串口局部，以及I/O口[[][]王永虹,*煒,郝立平.STM32系列ARMC0rte*-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].航空航天大學(xué).2008:209~238在本次設(shè)計(jì)中，一共用到了三個(gè)通用定時(shí)器，3個(gè)I/O口，以及單片機(jī)自帶的輸出電源。TIM2是用來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，為PWM模式1，信號(hào)的通道是CH2，由原理圖可知，PA1即為PWM輸出口，接L298N的ENA。TIM3設(shè)為編碼器模式，是TL1，TL2，*4模式，故需要兩個(gè)輸入口，PA6，PA7分別接編碼器的A,B相。TIM4設(shè)為計(jì)數(shù)器模式，向上計(jì)數(shù)，由于使用時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)脈沖，因而成了定時(shí)器，可根據(jù)其溢出中斷來(lái)進(jìn)展M法測(cè)轉(zhuǎn)速，不需要使用I/O口。3.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3-3L298N接線原理圖圖3-4L298N具有使能控制和方向邏輯的H橋電路根據(jù)L298N的H橋電路，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果IN1信號(hào)為0，IN2信號(hào)為1，并且使能信號(hào)ENA是1，則三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從OUT1至OUT2流經(jīng)電機(jī)；如果IN1信號(hào)變?yōu)?，而IN2信號(hào)變?yōu)?，則Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)，從而到達(dá)控制正反轉(zhuǎn)的目的。由此分析出L298N輸入輸出的關(guān)系，見(jiàn)表3-1.表3-1L298N輸入輸出關(guān)系表ENAIN1IN2電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HIN2IN1快速停頓L**停頓表中：H高電平，L低電平，*未知3.2.3正交編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速本次設(shè)計(jì)用的是霍爾效應(yīng)正交編碼器，單相輸出16CPR，它直接與電動(dòng)機(jī)主軸連接，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，輸出一系列的脈沖信號(hào)。編碼器在碼盤(pán)上均勻刻著一定數(shù)量的光柵，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)光柵的作用，持續(xù)不斷地開(kāi)放或封閉光通路，輸出端便得到了頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波序列，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速[[]郭李艷,何萍,李美蓮.一種應(yīng)用TMS320F2812和編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法[J].**航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2007(3):13~15][]郭李艷,何萍,李美蓮.一種應(yīng)用TMS320F2812和編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法[J].**航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2007(3):13~15為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開(kāi)光柵節(jié)距的1/4，使得兩組脈沖序列A和B的相位相差為90度，正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相，反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。A,B相90度的相位差，不但可以用來(lái)判斷正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，也可以在檢測(cè)A,B相上下沿時(shí)獲得四倍頻，這就大大提高了檢測(cè)精度。有些光電編碼器除了A,B相外還有一個(gè)Z相，Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。A相B相A相B相圖3-5順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)正交編碼器的輸出波形順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，A相超前B相90度，逆時(shí)針時(shí)，B相超前A相90度，據(jù)此，根據(jù)A,B相波形可得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信息，判定表見(jiàn)下表3-2。表3-2轉(zhuǎn)向判定表順時(shí)針運(yùn)動(dòng)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)ABAB1111011000001001本設(shè)計(jì)用的是M法測(cè)量轉(zhuǎn)速，每隔時(shí)間Ts檢測(cè)一次到目前為止轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)N與當(dāng)前存放器TIM3->T計(jì)數(shù)值count〔可用它來(lái)求當(dāng)前電機(jī)的角度〕，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為(3.1),T時(shí)間后轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；，T時(shí)間前轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，，T時(shí)間后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，T時(shí)間前計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值至于判斷正反向，由于STM32的編碼器模式可在存放器中讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)模式，并自動(dòng)根據(jù)正、反方向自動(dòng)加減計(jì)數(shù)，故軟件不需要利用A,B相輸出波形的上下電平做正反轉(zhuǎn)判斷。3.2.4穩(wěn)壓電源電路L298N局部電源，編碼器的電源均來(lái)自STM32開(kāi)發(fā)板的輸出電源，電機(jī)的電源來(lái)自與改裝的變壓器。3.3軟件模塊軟件具有1個(gè)循環(huán)主程序，四個(gè)功能模塊序分別為：串口模塊—速度給定與速度顯示，速度測(cè)定與方向判定模塊，PID算法模塊，PWM輸出模塊。圖3-6主程序流程簡(jiǎn)圖3.3.1PWM生成子程序圖3-7PWM程序流程圖由于STM32的高級(jí)或是通用定時(shí)器均有PWM模式，能直接生成PWM，我們只需要對(duì)相關(guān)的存放器進(jìn)展操作即可得到想要的PWM。還有一點(diǎn)需要注意，STM32的功耗是很低的，之所以低功耗是因?yàn)樵谝话銧顟B(tài)下，STM32的外設(shè)是關(guān)閉的，所以在編程時(shí)，不管是I/O口還是其他局部，都必須首先進(jìn)展時(shí)鐘使能。定時(shí)器TIM2生成PWM的初始化函數(shù)PWM_Init(u16arr,u16psc)，其中參數(shù)psc的作用是使得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為分頻器時(shí)鐘輸入，本次設(shè)計(jì)中為72Mhz。參數(shù)arr的作用是獲得PWM的頻率初始化后，決定PWM占空比的存放器則是16位的捕獲/比擬存放器，可對(duì)其直接賦值，得到的占空比為[[]*軍.例說(shuō)STM32[M].航空航天大學(xué).2011:50~125]。[]*軍.例說(shuō)STM32[M].航空航天大學(xué).2011:50~1253.3.2串口模塊—速度給定與速度顯示圖3-8速度給定流程圖本次設(shè)計(jì)采用的是串口通信，可以通過(guò)串口助手來(lái)輸入速度與顯示速度，在串口初始化后，在通過(guò)判斷存放器USART1->SR第5位是否為1，可知數(shù)據(jù)是否就緒，假設(shè)為1，將通過(guò)串口輸入的字符會(huì)儲(chǔ)存在我們定義的向量code1[]，字符的長(zhǎng)度則用len讀取，再調(diào)用函數(shù)code1_dutycycle(u16dutycycle,u16code1[],u8len)，將code[t]中ASCII碼的數(shù)字字符轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)字，記為輸入轉(zhuǎn)速。至于速度顯示則相對(duì)簡(jiǎn)單，直接調(diào)用Printf(),就可在串口顯示當(dāng)前的速度，但要注意的是，Printf〔〕在輸出時(shí)需要占用大量的時(shí)間，需要在后面加上delay_ms()延時(shí)函數(shù)，一個(gè)Printf〔〕需要100ms才能保證顯示的準(zhǔn)確性，假設(shè)用LCD則無(wú)此顧忌，這是一個(gè)需要進(jìn)一步改良的地方。3.3.3速度測(cè)定與方向判斷子程序圖3-9速度測(cè)定與方向判斷子流程圖首先是編碼器模式初始化函數(shù)SetTIM3EncoderMode，不作預(yù)分頻，即存放器TIM3->PSC=0，將存放器TIM3->ARR設(shè)置為光電編碼器每圈脈沖數(shù)，由于是A，B一樣時(shí)輸入的4*模式，故每圈脈沖數(shù)為64，TIM3->ARR=64-1=63。這樣設(shè)定后，編碼器每轉(zhuǎn)一圈，TIM3都將產(chǎn)生一次中斷，在中斷效勞函數(shù)中，設(shè)置根據(jù)存放器TIM3->CR1方向位第4位DIR，來(lái)設(shè)置電機(jī)正反向標(biāo)志位flag，分別對(duì)正反向圈數(shù)計(jì)數(shù)的變量增減。定時(shí)器TIM4設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，通過(guò)設(shè)置TIM4->PSC=7199,則計(jì)數(shù)頻率再設(shè)置TIM4->ARR=10000，可知TIM4計(jì)數(shù)到10000則溢出，即每1s產(chǎn)生一次中斷，在TIM4的中斷效勞函數(shù)中，根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位，由公式〔3.1〕求得轉(zhuǎn)速。3.3.4PID算法模塊本次設(shè)計(jì)僅有轉(zhuǎn)速反應(yīng)，是單閉環(huán)控制，程序中參加了位置式式PID算法。而對(duì)應(yīng)的PIDcontrol函數(shù)中的算法是,,這次設(shè)計(jì)的PID算法，輸入是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出卻是占空比值，則如能找到占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)關(guān)系，將能極大地方便我們整定PID的參數(shù)，所以我在PID算法中，預(yù)先根據(jù)實(shí)測(cè)值擬合出來(lái)的占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為了占空比，然后進(jìn)展PID運(yùn)算從而直接得到占空比，但這種方法有很大的局限性。因此，在不使用轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系的情況下，我還整定另外一種情況的PID參數(shù)：輸入為速度，輸出為PWM值，即TIM2->CCR2的值。圖3-10PID算法流程圖-.z4、實(shí)踐檢驗(yàn)篇4.1實(shí)物連接圖圖4-1電機(jī)控制實(shí)物圖4.2用MATLAB曲線擬合方法確定占空比與空載電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系編寫(xiě)一個(gè)串口直接輸入占空比的函數(shù)，檢測(cè)不同占空比下的轉(zhuǎn)速值，得到表4.1數(shù)據(jù)，在MATLAB繪得圖4-2表4.1不同占空比下測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速占空比〔%〕556065707580859095100轉(zhuǎn)速〔R/MIN〕860133020403045416452506480757088409630圖4-2表4.1數(shù)據(jù)在MATLAB繪制的*-Y坐標(biāo)圖用MATLAB的CFTOOL工具箱進(jìn)展擬合[[][]陳杰.MATLAB寶典[M].:電子工業(yè),2011:603~6701.線性擬合圖4-3線性擬合曲線LinearmodelPoly1:f(*)=p1**+p2Coefficients(with95%confidencebounds):p1=0.004798(0.00444,0.005155)p2=53.89(51.84,55.95)Goodnessoffit:SSE:17.05R-square:0.9917AdjustedR-square:0.9907RMSE:1.46其中：SSE：誤差平方和；R-Square：復(fù)相關(guān)系數(shù)或復(fù)測(cè)定系數(shù)；AdjustedR-Square：調(diào)整自由度復(fù)相關(guān)系數(shù)；Rootmearnsquarederror(RMSE)：均方根誤差2.三次多項(xiàng)式擬合圖4-4多項(xiàng)式擬合曲線LinearmodelPoly3:f(*)=p1**^3+p2**^2+p3**+p4Coefficients(with95%confidencebounds):p1=5.533e-011(2.463e-011,8.603e-011)p2=-9.886e-007(-1.475e-006,-5.026e-007)p3=0.009779(0.007587,0.01197)p4=48.01(45.44,50.58)Goodnessoffit:SSE:2.31R-square:0.9989AdjustedR-square:0.9983RMSE:0.6205比照兩次擬合的擬合度可知，三次多項(xiàng)式的擬合曲線更加逼近于真實(shí)的數(shù)據(jù)，但顯然，對(duì)于本次設(shè)計(jì)，只需要用線性擬合的函數(shù)就可以得到較好的擬合度，所以占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系設(shè)定為〔4.1〕4.3簡(jiǎn)單閉環(huán)控制試驗(yàn)利用之前得到的占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)計(jì)不含PID算法的簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，進(jìn)展試驗(yàn)。簡(jiǎn)單閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)思想：利用串口直接輸入轉(zhuǎn)速，利用公式〔4.1〕，將其轉(zhuǎn)化為占空比值，將該占空比值轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)傳給電機(jī)，不斷檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于給定速度，則占空比加1，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于給定速度，則占空比減1。第一步：通過(guò)串口給定電機(jī)轉(zhuǎn)速3000，串口立刻給出由擬合函數(shù)計(jì)算出來(lái)的占空比68，接著進(jìn)一步進(jìn)展調(diào)節(jié)。圖4-5輸入轉(zhuǎn)速時(shí)串口助手的顯示圖第二步：10s后，電機(jī)根本穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)的轉(zhuǎn)速如下列圖圖4-6穩(wěn)定時(shí)串口助手的顯示圖不難計(jì)算出控制的穩(wěn)態(tài)誤差為，誤差較大。當(dāng)然假設(shè)想進(jìn)一步得到更高精度的控制，可以從兩個(gè)方面著手：1.優(yōu)化程序，提高程序的運(yùn)行速度；2定時(shí)器TIM4測(cè)轉(zhuǎn)速的時(shí)間可以進(jìn)一步減少，比方說(shuō)0.5s測(cè)一次轉(zhuǎn)速，這樣一來(lái)速度的實(shí)時(shí)性就能進(jìn)一步提高；3還可以修改每次占空比增減的步長(zhǎng)，比方說(shuō)占空比每次增減1，變?yōu)槊看卧鰷p0.5，是的控制更準(zhǔn)確，但是這樣一來(lái)意味著每次到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)增加。4.4PID算法試驗(yàn)借用公式〔4.1〕，將每次得到的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比信號(hào)，再進(jìn)展PID控制，這樣可大大降低PID參數(shù)整定的難度。這次PID參數(shù)整定用的是試湊法，因?yàn)榭刂齐姍C(jī)不允許出現(xiàn)震蕩的，前面理論局部的臨界比例度法就不能用了，直接采用湊試法。在進(jìn)展過(guò)一番PID參數(shù)試驗(yàn)后，在進(jìn)展多組試驗(yàn)后，我發(fā)現(xiàn)PI控制就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)展很好地控制，參加微分環(huán)節(jié)KD反而容易引起震蕩，在KP=1.8，KD=0的前提下，對(duì)不同值的KI，設(shè)定同樣的期望轉(zhuǎn)速3000R/min時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4-6。圖4-7不同KI值對(duì)應(yīng)的速度曲線由上圖分析可得，較理想的PID參數(shù)是KP=1.8，KI=0.6，因?yàn)樗粌H超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間小，穩(wěn)態(tài)誤差也小。但是當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)速設(shè)置為3500R/min是，在3000R/min下較理想的PID參數(shù)KP=1.8，KI=0.6，KD=0的系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量過(guò)大，系統(tǒng)近乎不穩(wěn)定，在又一番調(diào)試后我發(fā)現(xiàn)KP=1.8，KI=0.4，KD=0能滿足要求，不過(guò)超調(diào)量也很大大，約為40%，但系統(tǒng)能穩(wěn)定下來(lái)，這說(shuō)明，對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象-電機(jī)，不同的期望轉(zhuǎn)速所需要的PID參數(shù)也是不同的，這要求PID控制器使用更為先進(jìn)的算法，比方說(shuō)模糊控制和自適應(yīng)整定等等[[][]?str?m,KarlJohan;Hagglund,Tore.Automatictuningofpidcontrollers[M].ResearchTrianglePark,NC:Instrumentation,Systems,andAutomationSociety.1988:11~154.5第二次PID算法試驗(yàn)前面雖然借助了占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系導(dǎo)致PID參數(shù)整定難度大大降低，但當(dāng)電機(jī)受載或者說(shuō)受載變化時(shí)，這一絕對(duì)的公式就失去了意義，甚至反過(guò)來(lái)影響控制的精度，因而，要想電機(jī)的控制具有通用性，就不能用到這樣的公式。但這公式的價(jià)值不容否認(rèn)，在其適用條件下，PID參數(shù)整定是很方便的。在不借助這個(gè)公式的情況下時(shí)，我進(jìn)展了多番試湊，得到了一組較好的PID參數(shù)KP=0.78，KI=0.26，KD=0，同樣設(shè)定轉(zhuǎn)速為3000R/min,，得到電機(jī)速度曲線圖4-8。圖4-8KP=0.78，KI=0.26的速度曲線對(duì)電機(jī)進(jìn)展分步調(diào)速，設(shè)定轉(zhuǎn)速?gòu)?000，2500，3000，3500。速度曲線見(jiàn)下列圖4-9.圖4-9設(shè)定2000R/MIN，2500R/MIN,3000R/MIN,3500R/MIN時(shí)速度曲線比照?qǐng)D4-8與圖4-9，不難發(fā)現(xiàn)，盡管PID參數(shù)一樣,設(shè)定的轉(zhuǎn)速也一樣，但在3000R/min圖4-8的性能指標(biāo)要比圖4-9好，這說(shuō)明了PID控制對(duì)初始條件的敏感性。分析圖4-9得，對(duì)不同的期望轉(zhuǎn)速，同一參數(shù)的調(diào)節(jié)性能不同，即試湊得到的參數(shù)是有一定的適用*圍的，這樣我們可以嘗試著對(duì)速度劃分級(jí)別，每一級(jí)別對(duì)應(yīng)一個(gè)PID控制參數(shù)。-.z5、總結(jié)與改良5.1總結(jié)對(duì)電機(jī)通用控制器的研究到此告一段落。本次對(duì)電機(jī)通用控制器的的探索分為理論和實(shí)踐兩個(gè)局部完成，理論是實(shí)踐的根底也是實(shí)踐的前提。在理論局部，我主要研究了PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，PID對(duì)系統(tǒng)的校正效果，PID參數(shù)整定方法，系統(tǒng)離散化以及參照狀態(tài)空間算法得出的以串行算法模擬并行的程序?qū)嶒?yàn)。都是一些根底性的東西，但沒(méi)有這些，就不能更好的理解實(shí)踐局部的有些問(wèn)題如何去處理。在實(shí)踐局部，我首先用擬合曲線確定了占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，這個(gè)想法無(wú)法應(yīng)付變載的情況，但在實(shí)驗(yàn)室階段，在負(fù)載一定的條件下，能極大的方便PID參數(shù)的整定，當(dāng)然最后，我在不用這個(gè)函數(shù)關(guān)系的情況下，通過(guò)試湊的方法，同樣得到了較理想的PID參數(shù)，但很花時(shí)間。在分析得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的根底上，我們得到了兩點(diǎn)結(jié)論：一是PID控制對(duì)初始條件是敏感的，甚至當(dāng)初始速度設(shè)定不合理是，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的震蕩；二是同一組PID參數(shù)，一樣的其他條件，僅設(shè)定速度不同時(shí)，控制效果亦是不同的，也就是說(shuō)，針對(duì)具體*一速度，調(diào)試好的PID參數(shù)時(shí)是有其適用*圍的，在本次設(shè)計(jì)中針對(duì)3000R/MIN轉(zhuǎn)速調(diào)試好的PID參數(shù)大概在2000R/MIN~4500R/MIN的轉(zhuǎn)速*圍都是有效地，至少能在超調(diào)量不是過(guò)大的情況下，使系統(tǒng)穩(wěn)定，只是調(diào)整時(shí)間，穩(wěn)態(tài)誤差等等有優(yōu)有劣。5.2改良的一些思路本次設(shè)計(jì)由于一些原因，只完成了最根底的局部，尚存在諸多缺乏之處，有很大的提升空間，就本人所考慮到的就有如下幾點(diǎn)：1.串口助手顯示可試著改為L(zhǎng)CD進(jìn)展通信串口助手的選擇是不得已的無(wú)奈之舉，本來(lái)按照指導(dǎo)教師的要求，我和另一同學(xué)合作，他做LCD，我做電機(jī)控制，那樣一來(lái)就不需要使用串口助手了，但后來(lái)我的進(jìn)度相對(duì)較慢，這次合作就沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。LCD有多好我不大了解，但我在使用串口助手的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其諸多不便，例如printf函數(shù)的問(wèn)題，PID參數(shù)改動(dòng)不方便的問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)，串口助手的實(shí)時(shí)性很差。2.中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定本次設(shè)計(jì)共用到三個(gè)定時(shí)器，其中有兩個(gè)定時(shí)器有中斷的問(wèn)題，如何設(shè)置這兩個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)，對(duì)函數(shù)進(jìn)展優(yōu)化，還有待更深一步的研究。3.定時(shí)器TIM3計(jì)數(shù)的誤差問(wèn)題假設(shè)一開(kāi)場(chǎng)，電機(jī)為反轉(zhuǎn)，則反轉(zhuǎn)的圈數(shù)減一才得真實(shí)值。這是因?yàn)槲覀儾捎玫氖窍蛏嫌?jì)數(shù)的編碼器模式，也就是說(shuō)從零開(kāi)場(chǎng)計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)還好，從零開(kāi)場(chǎng)記不會(huì)產(chǎn)生誤差，但假設(shè)是反轉(zhuǎn)，脈沖數(shù)會(huì)減少，這樣就直接從零減到ARR值，而且會(huì)產(chǎn)生一次中斷，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)圈數(shù)加一，這樣就有誤差了。4.判斷正反轉(zhuǎn)的精度問(wèn)題本次設(shè)計(jì)判斷正反轉(zhuǎn)的精度使用的是STM32自帶的標(biāo)志位，即從存放器TIM3->CR1的DIR位可以直接讀得當(dāng)前是向上計(jì)數(shù)還是向下計(jì)數(shù)，但是假設(shè)在主函數(shù)中實(shí)時(shí)讀取就會(huì)產(chǎn)生很大的問(wèn)題，不光是因?yàn)槌绦驁?zhí)行需要的時(shí)間造成延時(shí)問(wèn)題，還因?yàn)檫@次設(shè)計(jì)用的是串口顯示速度，使用的是Printf函數(shù)，該函數(shù)在串口顯示漢字或數(shù)字時(shí)耗時(shí)極大，一條Printf指令后面大概需要100ms的延時(shí)，否則會(huì)顯示亂碼，因此我選用的是TIM3中斷一次〔轉(zhuǎn)一圈〕判斷一次，并設(shè)定標(biāo)志位，這樣一來(lái)雖然判斷的實(shí)時(shí)性不則高，但降低了編程的難度。5.算法的優(yōu)化本次設(shè)計(jì)只檢測(cè)了電機(jī)轉(zhuǎn)速，相當(dāng)于只有一環(huán)，還可以檢測(cè)電機(jī)電流，電機(jī)位置，設(shè)計(jì)出更具有通用性的算法構(gòu)造。本次算法選擇的是位置式PID算法，可以選擇其他的PID算法，比方說(shuō)積分別離PID控制算法微分先行PID算法，帶死區(qū)的PID算法,內(nèi)模控制[[]DanielE.Rivera,ManfredMorari,SigurdSkogestad.Internalmodelcontrol:PIDcontrollerDesign[J].Ind.Eng.Chem.ProcessDes.Dev.,1986,25(1):252~265]，甚至可以使用模型預(yù)測(cè)控制算法〔MPC〕[[]DanielE.Rivera,ManfredMorari,SigurdSkogestad.Internalmodelcontrol:PIDcontrollerDesign[J].Ind.Eng.Chem.ProcessDes.Dev.,1986,25(1):252~265[]Fossorier,M.P.C.Quasicycliclow-densityparity-checkcodesfromcirculantpermutationMatrices[J].InformationTheory,IEEETransactionson.2004:1788-1793附錄1.MATLAB的M文件〔1〕研究Kp作用的源程序〔圖2-5〕/**********************************************************************************/num1=44;den1=[0.001651];gtf1=tf(num1,den1);num2=1;den2=[0.01751];gtf2=tf(num2,den2);num3=1;den3=[0.0750];gtf3=tf(num3,den3);gtf4=tf(1,0.195);gtf23=feedback(gtf2*gtf3,1);gtf=gtf1*gtf4*gtf23;K=[0.1,0.5,2,4,10];fori=1:5G=feedback(K(i)*gtf,0.01178);step(G)holdonenda*is([0,0.3,0,200]);gte*t('0.1')gte*t('0.5')gte*t('2')gte*t('4')gte*t('10')/**********************************************************************************/〔2〕研究Ki作用的源程序〔圖2-6〕/**********************************************************************************/num1=44;den1=[0.001651];gtf1=tf(num1,den1);num2=1;den2=[0.01751];gtf2=tf(num2,den2);num3=1;den3=[0.0750];gtf3=tf(num3,den3);gtf4=tf(1,0.195);gtf23=feedback(gtf2*gtf3,1);gtf=gtf1*gtf4*gtf23;Kp=2;T=[0.020.040.080.10.22];fori=1:6num=[Kp*T(i),Kp];den=[T(i),0];gti=tf(num,den)G=feedback(gti*gtf,0.01178);step(G)holdonenda*is([0,1.0,0,140]);gte*t('100')gte*t('50')gte*t('25')gte*t('20')gte*t('10')gte*t('1')/**********************************************************************************/〔3〕研究Kd作用的源程序〔圖2-7〕/**********************************************************************************/num1=44;den1=[0.001651];gtf1=tf(num1,den1);num2=1;den2=[0.01751];gtf2=tf(num2,den2);num3=1;den3=[0.0750];gtf3=tf(num3,den3);gtf4=tf(1,0.195);gtf23=feedback(gtf2*gtf3,1);gtf=gtf1*gtf4*gtf23;Kp=0.02;Ti=0.02;Td=[152550100];fori=1:length(Td)num=[Kp*Ti*Td(i),Kp*Ti,Kp];den=[Ti,0];gti=tf(num,den)G=feedback(gti*gtf,0.01178);step(G)holdonendgte*t('0.02')gte*t('0.1')gte*t('0.5')gte*t('1')gte*t('2')/**********************************************************************************/〔4〕求系統(tǒng)傳遞函數(shù)，BODE圖及其階躍響應(yīng)M文件/**********************************************************************************/[A,B,C,D]=linmod('MOTOR2CLOSE')%求狀態(tài)空間模型sys=ss(A,B,C,D)%線性時(shí)不變模型[num,den]=ss2tf(A,B,C,D)sys1=tf(num,den)%傳遞函數(shù)模型figure(1);step(sys)%畫(huà)階躍響應(yīng)圖s=stepinfo(sys)%階躍響應(yīng)參數(shù)figure(2);%對(duì)于BODE圖應(yīng)用開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，用閉環(huán)則