基于PID的直流電機速度控制系統(tǒng)設(shè)計實驗報告樣本

基于PID直流電機速度控制系統(tǒng)設(shè)計實驗報告班級：姓名：學(xué)號：指引教師：張友旺中南大學(xué)機電工程學(xué)院基于PID直流電機速度控制系統(tǒng)設(shè)計實驗報告一、實驗?zāi)考兪觳⒄莆?9C51、ADC0809等芯片原理、硬件以及接線；純熟89C51單片機指令系統(tǒng)，完全掌握中斷，子程序，查表程序等特殊語句應(yīng)用；學(xué)習(xí)并掌握浮點數(shù)原理及應(yīng)用；回顧《機械工程控制基本》學(xué)習(xí)內(nèi)容并掌握PID控制器原理及用法；鍛煉自己發(fā)現(xiàn)并解決問題能力，同步將課本知識應(yīng)用于實踐以得到更好理解。二、實驗原理1.閉環(huán)控制/開環(huán)控制對直流電機轉(zhuǎn)速控制有普通有兩種方式，一種是開環(huán)控制，一種是閉環(huán)控制。開環(huán)控制長處是簡樸、穩(wěn)定、可靠。若構(gòu)成系統(tǒng)元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制可以保持一定精度。缺陷是精度普通較低，無自動糾偏能力；閉環(huán)控制長處是控制精度可以達到很高，并且對外界干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化有較好抑制作用，且可以通過輸出反饋控制系統(tǒng)控制過程。缺陷是存在穩(wěn)定性，振蕩，超調(diào)等一系列問題，對系統(tǒng)性能分析和設(shè)計遠比開環(huán)控制麻煩。

通過利弊取舍，本次實驗選取是閉環(huán)控制，由于準備應(yīng)用PID算法控制電機轉(zhuǎn)速，故而需要有實際轉(zhuǎn)速進行反饋與給定轉(zhuǎn)速形成對比，進而通過算法輸出PWM波形來控制直流電機。

2.調(diào)速方式本實驗采用脈沖寬度（PWM）調(diào)速，PWM調(diào)速具備如下幾種長處：系統(tǒng)響應(yīng)速度以及穩(wěn)定精度好；電流脈動量小，容易持續(xù)，運營平穩(wěn)；調(diào)速范疇寬，抗噪性好；元件使用數(shù)少，線路簡樸。PWM實現(xiàn)方式：將電機電壓通斷轉(zhuǎn)換為周期控制，用兩個定期器T0,T1分別控制周期時間和電壓通時間，從而調(diào)節(jié)電機平均電壓，以達到對電機電壓大小控制。PWM波高電平，由T1擬定占空比PWM波高電平，由T1擬定占空比PWM波周期，由定期器T0定期擬定PWM波周期，由定期器T0定期擬定3．測速方式測速傳感器用是光電編碼器，它原理是電動機轉(zhuǎn)動帶動碼盤轉(zhuǎn)動，碼盤上有諸多縫隙，縫隙每通過紅外管一次就會產(chǎn)生一種脈沖，進而通過專門芯片得到轉(zhuǎn)動頻率。4.PID控制辦法模仿PID控制算法表達式：u數(shù)字PID控制算法表達式（位置式）：u= 其中：u(t)，uk，uk-1為控制器輸出信號；ek，ek-1，ek-2三、實驗內(nèi)容1.系統(tǒng)構(gòu)造（1）系統(tǒng)方框圖e(t)PWM輸出直流電機PIDu(t)e(t)PWM輸出直流電機PID——測速裝置測速裝置（2）流程圖直流電機直流電機 傳感器測速傳感器測速PWM輸出PID運算A/D轉(zhuǎn)換F/V轉(zhuǎn)換PWM輸出PID運算A/D轉(zhuǎn)換F/V轉(zhuǎn)換 2.硬件某些及接線（1）ADC0809接線單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)P0口JD4F接A/D轉(zhuǎn)換D0～D7口JD10H，單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)Q0～Q7口JD7F接0809A0～A7口JD11H，單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)WR、RD、P2.0、ALE、INT1分別接A/D轉(zhuǎn)換WR、RD、CS-0809、CLK、EOC。A/D轉(zhuǎn)換+Vref接+5V電源，AIN0接可調(diào)電源模塊A2區(qū)輸出端（AIN0也可在程序運營之后接），單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)RXD、TXD分別接串行靜態(tài)顯示DIN、CLK。（2）電機接線單片機P1.0接電機control口。3.軟件某些(1)A/D轉(zhuǎn)換值顯示某些見背面附錄程序中A/D轉(zhuǎn)換及顯示子程序（XS）。注意：該程序采用是用RLCA等語句實現(xiàn)串行通信，若使用MOVSBUF,A等語句實現(xiàn)串行通信，則需要改動表格中數(shù)據(jù)。這是由于RLCA等語句實現(xiàn)串行通信是數(shù)據(jù)高位在前，低位在后；而MOVSBUF,A等語句實現(xiàn)串行通信正好與之相反，低位在前，高位在后。（2）PID運算程序見背面附錄程序中PID調(diào)節(jié)子程序（PID）。注意：此處采用位置式方程，并且使用雙字節(jié)浮點數(shù)計算，以提高精度。（3）PWM輸出程序見背面附錄程序中PWM參數(shù)求解子程序（PWM）以及主程序中T0，T1中斷語句。注意：此處采用雙字節(jié)浮點數(shù)計算，以提高精度。（4）加減乘除子程序見背面附錄程序中浮點數(shù)運算子程序某些。注意：此處都是有符號雙字節(jié)浮點數(shù)。四、實驗成果及感想通過兩星期編程和調(diào)試后，雖然半途浮現(xiàn)了諸多障礙，但是最后還是實現(xiàn)了直流電機速度控制，使其可以調(diào)到速度范疇內(nèi)任意想要速度，完畢了實驗任務(wù)。這次實驗，不但加深了我對單片機硬件構(gòu)造和指令系統(tǒng)結(jié)識，鞏固了過去所學(xué)《機械工程控制基本》方面知識，更重要是讓我學(xué)到了從課本上學(xué)不到東西。我大學(xué)里知識大某些都來源于課堂和課本，基本上都是一知半解，主線沒有學(xué)會靈活應(yīng)用知識。而通過這次實驗，在將知識應(yīng)用于實踐過程中，我發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，不斷加深對知識結(jié)識，從而真正掌握理解決問題能力。附錄：程序源代碼;主程序;單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)1P0口接0809JD15口,;單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)1Q0口接0809JD16,;單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)1ALE、P2.0、P3.3、P3.6、P3.7分別;接0809clk0809、cs-0809、EOC、WR、RD,;0809模仿信號輸入口AIN0接入0~5V可調(diào)電壓,+VREF接+5V;P3.0,P3.1連接到串行靜態(tài)顯示實驗?zāi)KDIN、CLK。 DBUF0 EQU 30H;顯示第一位緩沖地址 TEMP EQU 40HMAXEQU6CH;電動機最大工作頻率UAEQU6DH;給定A/D轉(zhuǎn)換值UBEQU6EH;實際A/D轉(zhuǎn)換值A(chǔ)0EQU60H;比例系數(shù)A0A1EQU63H;積分系數(shù)A1A2EQU66H;微分系數(shù)A2 TH11EQU5EH;TH1值 TL11EQU5FH;TL1值ORG0000HLJMPSTART ORG 000BH LJMP INT0_P ORG 001BH LJMP INT1_PORG0100HSTART：MOVA0，#22H;給A0賦值MOV61H,#10H;4MOV62H,#7FHMOVA1,#00H;給A1賦值MOV64H,#10H;0MOV65H,#7FHMOVA2，#00H;給A2賦值MOV66H,#00H;0MOV67H,#00HMOVUA,#10H;給定盼望值`MOV6FH,#20;掃描周期為20msMOV50H,#05H;給U(K-1)賦值MOV51H,#00H;5MOV52H,#00H MOVR1,#6 MOVR0,#56HLOOP1：MOV@R0,#01HINCR0DJNZR1,LOOP1;給e（k-1）和e(k-2）賦零MOVUA,#022H;給定電動機頻率 MOVTMOD,#11H MOVTH0,#0FCH MOVTL0,#18H MOVTH1,#0 MOVTL1,#0MOVTH11,#0FFH;控制高電平時間ton，即占空比 MOVTL11,#29H SETBTR0 SETBTR1 SETBEA SETBET0 SETBET1LOOP2：MOVA,6FHJNZDSQ MOV35H,#11H ;滅不需要顯示位MOV36H,#11HMOV37H,#11HMOV R0,#DBUF0 MOV @R0,#0AH INC R0 MOV @R0,#0DHINCR0MOV@R0,#11HINCR0 MOV DPTR,#0FEF0H;A/DMOVA,#0 MOVX @DPTR,AWAIT：JBP3.3,WAIT MOVX A,@DPTR;讀入成果 MOV P1,A MOV B,AMOVUB,A;將實際頻率存入UB中 SWAP AANLA,#0FH XCH A,@R0 INC R0 MOV A,BANLA,#0FH XCH A,@R0LCALL DISP1；ACALLDELAYLCALLPID;調(diào)用PID程序LCALLPWM;調(diào)用PWM程序MOV6FH,#20DSQ：AJMP LOOP2;20ms進行一次調(diào)速DISP1: MOV R0,#DBUF0 MOV R1,#TEMP MOV R2,#8DP10: MOV DPTR,#SEGTAB MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV @R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,DP10 MOV R0,#TEMP MOV R1,#8DP12: MOV R2,#8 MOV A,@R0DP13: RLC A MOV 0B0H,C CLR 0B1H SETB 0B1H DJNZ R2,DP13 INC R0 DJNZ R1,DP12RETSEGTAB：DB 3FH,6,5BH,4FH,66H,6DH;0,1,2,3,4,5 DB 7DH,7,7FH,6FH,77H,7CH;6,7,8,9,A,B DB 58H,5EH,79H,71H,0,00H;C,D,E,F,-DELAY：MOVR4,#0FFH;延時程序AA1： MOVR5,#0FFHAA： NOP NOP DJNZR5,AADJNZR4,AA1RET;PWMT0中斷INT0_P：MOVTH0,#0FCH MOVTL0,#18H MOVTH1,TH11 MOVTL1,TL11 SETBP1.0 SETBP1.2 SETBTR1 MOVA,6FH JZLOOP11DEC6FH;20ms計時LOOP11: NOP RETI;PWMT1中斷INT1_P：CLRP1.0 CLRP1.2 CLRTR1 NOP RETI;PID調(diào)節(jié)PID：MOVUA,#66H MOVUB,#44HCLRCMOVA,UASUBBA,UB;計算e（k）MOVR2,A;將e（k）轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)MOVR3,#00HACALLSFF2MOV53H,R2MOV54H,R3MOV55H,R6MOV@R1,73HMOVR4,63H;求u（k）并覆蓋u（k-1）MOVR5,64HMOVR7,65HMOVR2,56HMOVR3,57HMOVR6,58HACALLSFDUM MOVR4,75H MOVR5,76HMOV2DH,R4MOV2EH,R5MOV2FH,R7MOV@R1,73HMOVR4,60HMOVR5,61HMOVR7,62HMOVR2,53HMOVR3,54HMOVR6,55HACALLSFDUMMOVR4,75H MOVR5,76H MOVR2,2DHMOVR3,2EHMOVR6,2FHACALLSFDUSMOV2DH,R4MOV2EH,R5MOV2FH,R7MOV@R1,73HMOVR4,66HMOVR5,67HMOVR7,68HMOVR2,59HMOVR3,5AHMOVR6,5BHACALLSFDUMMOVR4,75H MOVR5,76HMOVR2,2DHMOVR3,2EHMOVR6,2FHACALLSFDUAMOVR2,50HMOVR3,51HMOVR6,52HACALLSFDUAMOV50H,R4MOV51H,R5MOV52H,R7MOV59H,56H;用e（k-1）覆蓋e(k-2)MOV5AH,57HMOV5BH,58HMOV56H,53H;用e（k）覆蓋e(k-1)MOV57H,54HMOV58H,55HRET;PWM參數(shù)求解PWM：MOVA,51H;判斷U(K)正負 JBACC.7,LOOP9MOVA,52HJBACC.7,LOOP9MOVA,#16SUBBA,R7MOVR7,ALOOP7：CLRCMOVA,R5RRCA MOVR5,A MOVA,R4RRCA MOVR4,ADJNZR7,LOOP7CLRCMOVA,#0FFH;計算T1初值SUBBA,R5MOVTH11,AMOVA,#0FFHSUBBA,R4MOVTL11,A AJMPLOOP10LOOP9：MOVTH11,#0FCHMOVTL11,#29HLOOP10：RET;P141.9.2雙字節(jié)二進制定點數(shù)到浮點數(shù)轉(zhuǎn)換 ;入口R3R2SFF2：MOVR6,#10H MOV20H,R3 JB07H,SEGLP0：JB06H,LP1 LCALLLST MOV20H,R3 AJMPLP0SEG：JNB06H,LP1;負 LCALLLST MOV20H,R3 AJMPSEGLP1：RETLST：CLRC XCHA,R2 RLCA XCHA,R2 XCHA,R3 RLCA XCHA,R3 DECR6 RET ;出口R6R3R2;P514.1.3雙字節(jié)二進制浮點數(shù)加法,R7R5R4+R6R3R2=R7R5R4SFDUA：ACALLSJJ;參見2.6.3（對階） ACALLAD5432;參見程序一（尾數(shù)相加） JNBOV,SON ACALLRST77;參見程序一（右規(guī)） RETSON：ACALLSLST2;參見2.5.3 RET ;P494.1.1雙字節(jié)無符號數(shù)加法-子程序AD5432：MOVA,R4;尾數(shù)相加ADDA,R2 MOVR4,A MOVA,R5 ADDCA,R3 MOVR5,A RET;P554.2.3雙字節(jié)有符號數(shù)減法，R7R5R4-R6R3R2=R7R5R4SFDUS：LCALLSJJ;參見2.6.3（對階） LCALLSU5432;參見程序一（尾數(shù)相減） JBOV,LPS LCALLSLST2;參見2.5.3（左規(guī)） RETLPS：MOVA,R5JNB0E7H,LEK CLRC AJMPLPELEK：SETBCLPE：LCALLRST77;參見4.1.1（右規(guī)） RET ;P272.6.3二進制浮點數(shù)對階SJJ：MOVA,R6 XRLA,R7 JZRET1 CLRC MOVA,R7 SUBBA,R6 JB0E7H,SRSH7 LCALLSRST6 AJMPSJJSRSH7：LCALLSRST7AJMPSJJRET1：RETSRST6：MOVA,R3 JB0E7H,LPS0;右規(guī) CLRC AJMPLPS1LPS0：SETBCLPS1：RRCA MOVR3,A MOVA,R2 RRCA MOVR2,A INCR6 RETSRST7：MOVA,R5 JB0E7H,LPS00 CLRC AJMPLPS11LPS00：SETBCLPS11：RRCA MOVR5,A MOVA,R4 RRCA MOVR4,A INCR7 RET ;P534.2.1雙字節(jié)無符號數(shù)減法-子程序SU5432：CLRC MOVA,R4 SUBBA,R2 MOVR4,A MOVA,R5 SUBBA,R3 MOVR5,A RET ;P232.5.3雙字節(jié)有符號數(shù)左規(guī)SLST2：MOV20H,R5 JB07H,SEGALPSS0：JB06H,LPSS1;正 LCALLLSTB MOV20H,R5 AJMPLPSS0SEGA：JNB06H,LPSS1 LCALLLSTB MOV20H,R5 AJMPSEGALPSS1：RETLSTB：CLRC XCHA,R4 RLCA XCHA,R4 XCHA,R5 RLCA XCHA,R5 DECR7 RET ;P494.1.1二進制浮點數(shù)加法-子程序-右規(guī)RST77：MOVA,R5 RRCA MOVR5,A MOVA,R4 RRCA MOVR4,A INCR7 RET ;P594.3.3雙字節(jié)浮點數(shù)有符號數(shù)乘法,R7R5R4XR6R3R2=R7@R1四位SFDUM：ACALLSLST2;參見2.5.3（左規(guī)）ACALLSLST32;左規(guī) MOVA,R7 ADDA,R6 MOV21H,A ACALLSDUMUL;參見3.3.4 MOVR7,21H MOVA,R1;積左規(guī) ADDA,#04H MOVR0,A MOV7AH,A MOVA,R7 MOV@R0,A POP0E0H MOVR2,#04H ACALLSMLST;參見2.5.4（左規(guī)） PUSH0E0H MOVA,@R0 MOVR7,A MOVA,7AH RETSLST32：MOV20H,R3;左規(guī)JB07H,SAEGLCP0：JB06H,LCP1 ACALLLST MOV20H,R3 SJMPLCP0SAEG：JNB06H,LCP1 ACALLLAST MOV20H,R3 SJMPSAEGLCP1：RETLAST：CLRC MOVA,R2 RLCA MOVR2,A MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DECR6 RET ;P373.3.4雙字節(jié)有符號二進制定點數(shù)乘法SDUMUL：MOVA,R5;求被乘數(shù)符號 ANLA,#80H MOVR6,A JZNEG32NEG54：MOVA,R4 CPLA ADDA,#01H MOVR4,A MOVA,R5 CPLA ADDCA,#00H MOVR5,ANEG32：MOVA,R3;求乘數(shù)符號 ANLA,#80H MOVR7,A JZDDUMUL MOVA,R2;乘數(shù)求補 CPLA ADDA,#01H MOVR2,A MOVA,R3 CPLA ADDCA,#00H MOVR3,ADDUMUL：MOVA,R6;求積符號 XRLA,R7 MOV20H,A ACALLDUMUL;參見程序一