PID控制PWM調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度(12v)

1、本次設(shè)計(jì)主要研究的是PID控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)最主要的控制對(duì)象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足 生產(chǎn)要求，其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。其設(shè)計(jì)思路為：以AT89S51單片機(jī)為控制 核心，產(chǎn)生占空比受PID算法控制的PWM脈沖實(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，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 系統(tǒng)，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采12864LCD顯示器作為顯示部件， 通過(guò)44鍵盤設(shè)置P、I、D、V四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后通過(guò)顯示部件了

2、 解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊、控制模塊、速度檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊。軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè) 計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)為：可移植性強(qiáng)、算法容易實(shí)現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。 本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： （1）優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制，誤差補(bǔ)償； （2）使用光電傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，從而與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú) 靜差調(diào)節(jié)的目的； （3）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開，使系統(tǒng)更加安全可靠； （4）12864LCD顯示模塊提供一個(gè)人機(jī)對(duì)話界面，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行

3、速 度和運(yùn)行時(shí)間； （5）利用Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)整體仿真，從而進(jìn)一步驗(yàn)證電路和程序的正確 性，避免不必要的損失； （6）采用數(shù)字PID算法，利用軟件實(shí)現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點(diǎn)； （7）系統(tǒng)性能指標(biāo)：超調(diào)量8； 調(diào)節(jié)時(shí)間4s； 轉(zhuǎn)速誤差1r/min。 1 PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介 1.1 PID算法 控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由 控制算法來(lái)實(shí)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(jìn)行的控制，稱為PID控制。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID控制能 比 例 微 分 積 分執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)象 r(t) +

4、 - + + u(t)c(t)e(t) 夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)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(jī)構(gòu)及控制對(duì)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(shí)際輸出值構(gòu)成的)(tr)(tc 控制偏差： = )(te)(tr)(tc （1.1） 將偏差的比例、積分、微分通過(guò)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。

5、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。 模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 )( )( 1 )()( 0dt tde Tdtte T teKtu D t I p （1.2） 式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。 P K I T D T 簡(jiǎn)單的說(shuō)，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),偏差一旦產(chǎn)生，調(diào))(te 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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決 于

6、積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)； I T I T （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。 由式1.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ) 1 1 ( )( )( )(ST ST K SE SU SD D I P （1.3） 由于本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字PID算法，所以對(duì)于模擬PID只做此簡(jiǎn)要介紹。 1.1.2 數(shù)字PID 在DDC系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件 來(lái)完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。 由于

7、計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，不能對(duì)連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算，故在計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。 為將模擬PID控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖1.1中、)(tr)(te 、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc （1.1）變?yōu)?： = )(ne)(nr)(nc （1.4） 當(dāng)采樣周期T很小時(shí)可以用T近似代替，可用近似代替，dt)(tde) 1()(nene “積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 T nene dt tde) 1()()( （1.5） t n i Tiedtte 0 1 )()( （1.6） 這

8、樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 0 1 )1()()()()(unene T T ne T T neKnu n i D I P （1.7） 上式中是偏差為零時(shí)的初值,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用,稱為比例（P）項(xiàng) 0 u ,即 )(nuP )()(neKnu Pp （1.8） 第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分（I）項(xiàng)即)(nuI n i I PI ie T T Knu 1 )()( （1.9） 第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分（D）項(xiàng)即)(nuD )1()()(nene T T Knu D PD （1.10） 這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)使用)或合并使用,常用的組合有: P控制

9、: 0 )()(ununu P （1.11） PI控制: 0 )()()(unununu IP （1.12） PD控制: 0 )()()(unununu DP （1.13） PID控制: 0 )()()()(ununununu DIP （1.14） 式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí))(nu 刻應(yīng)達(dá)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?yàn)橐奂悠?不)(ie 僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此對(duì)式（1.7）進(jìn)行改進(jìn)。 根據(jù)式（1.7）不難看出u(n-1)的表達(dá)式，即 0 1 1 )

10、2() 1()() 1() 1(unene T T ne T T neKnu n i D I P （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()()(nununu )2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneK DIP （1.16） 從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為 PID 位置算法 控制器被控對(duì)象 r(t) + - e(t)uc(t) PID 增量算法 控制器被控對(duì)象 r(t) + - e(t)uc(t) )(nu 0 )2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneK DIP （1.17） 式中： 稱為比例

11、增益； P K 稱為積分系數(shù)； I PI T T KK 稱為微分系數(shù)1。 T T KK D PD 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(guò)程的要求來(lái)考慮。一般來(lái)說(shuō)，要求被 控過(guò)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(guò)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(guò)程的要 求，滿足主要方面，并兼

12、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(jì)算法和工程整定法兩種。 用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程 中一般較難做到。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是 整定參數(shù)時(shí)不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時(shí) 可能略嫌粗糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實(shí)際問(wèn)題。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程 整定法。 （1）擴(kuò)充臨界比例度法 這種方法適用于有自平衡特性的被控對(duì)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(gè)足夠小的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí) 間的十分之一以下。 用選定的采

13、樣周期使系統(tǒng)工作：工作時(shí)，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(duì)階躍輸入的響應(yīng) P K/1 達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時(shí)的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。 K k T 選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，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(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積表 0 2 )(te 示。 控制度 模擬 )( )( 0 2 0 2 dtte dtte DDC （1.18） 實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理 概念。通常，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，就可以認(rèn)為DDC與模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制

14、度為2.0時(shí)，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。 P K I T D T 表1.1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) （2） 經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法是 靠工作人員的 經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝 的熟悉程度， 參考測(cè)量值跟 蹤與設(shè)定值曲 線，來(lái)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(jìn)行： 控制度控制規(guī)律T P K I T D T 1.05PI0.03 K T0.53 K 0.88 K T 1.05PID0.014 K T0.63 K 0.49 K T0.14 K T 1.20PI0.05 K T0.49 K 0.91 K T 1.20PID0.043 K T0.047 K

15、 0.47 K T0.16 K T 1.50PI0.14 K T0.42 K 0.99 K T 1.50PID0.09 K T0.34 K 0.43 K T0.20 K T 2.00PI0.22 K T0.36 K 1.05 K T 2.00PID0.16 K T0.27 K 0.40 K T0.22 K T 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(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)； 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。 下面以PID調(diào)節(jié)

16、器為例，具體說(shuō)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)=0，實(shí)際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行， I K D K 由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿 P K 意的控制過(guò)程為止。 取比例系數(shù)為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾 P K I K 動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿意的控制過(guò)程。 積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改 I K P K 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 P K 數(shù)，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系 I K P K 數(shù)為止。 I K

17、 引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù) D K D T 和積分系數(shù)。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(guò) P K I K 程滿意為止。 PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)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(gè)小電機(jī)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(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。 1.2 PWM脈沖控制技術(shù) PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即 通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)

18、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 a b c d ab i i(t) i(t) e(t) R L 0 在采樣控制理論中有一個(gè)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(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)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(gè)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(dāng)它們分別加在具有 慣性的同

19、一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單 位脈沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。)(t 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(gè)具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如)(te 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(shí)的響應(yīng)波形。)(ti)(ti 從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時(shí)的形狀也略有不同，但其)(ti)(ti 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)(ti 述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用

20、傅立葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各在低頻)(ti)(ti 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(jī)的PWM控制技術(shù) f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t a b c d U(t) 0tTt0 U 直流電動(dòng)機(jī)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(guò)載能力大， 能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò) 程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng) 系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供

21、電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通 和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。 例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)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(diǎn)：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(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；

22、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(shí)，電網(wǎng) 功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷鱌WM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn)，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。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代， 這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制 技術(shù)。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。 采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、操作維 護(hù)方便,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均

23、能較好地滿 足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。下面主要介紹直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的算 法實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈 沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間T內(nèi) 脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 0 t U(t) 0tTt0 U 2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0 圖1.6 PWM脈沖 ，若令，即為占空比，則上式可化為： T Ut U 0 0 T t0 (U為脈沖幅值) UU 0 （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

24、計(jì)算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） U T Ut nT Unt U 00 0 （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(guò)改變脈沖幅值U和占 空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過(guò)控制 占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。 2 設(shè)計(jì)方案與論證 2.1 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(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過(guò)鍵盤將需要設(shè) 置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到

25、單片機(jī)中，并且通過(guò)控制器顯示到顯示器上。在運(yùn)行過(guò)程中 控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(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(guò)數(shù)字PID運(yùn)算后改變 PWM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。 鍵盤模塊控制器模塊 顯示模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī) 速度檢測(cè)模塊 PWM脈沖 圖2.1 系統(tǒng)方案框圖 系統(tǒng)各模塊采用的方案如下： （1）控制模塊： 采用AT89S51單片機(jī)； （2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N實(shí)現(xiàn)； （3）速度采集模塊：采用光電傳感器； （4）顯示模塊： 采用12864LCD液晶顯示模塊； （5）鍵盤模塊： 采用

26、標(biāo)準(zhǔn)的44矩陣式鍵盤； （6）電源模塊： 采用7805、7812芯片實(shí)現(xiàn)。 3 單元電路設(shè)計(jì) 3.1 硬件資源分配 本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見(jiàn)圖3.1所示。采用AT89S51單片機(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，通過(guò)AT89S51的P3.3口將電脈 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12864LCD顯示 器和44鍵盤作為人機(jī)接口。 P0.0P0.7 12864LCD 顯示模塊 P2.7 P2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 P2.0P0.5 5 44鍵盤 P1.0P1.3 P1.4P1.7 4 4 L0L3 H0H3 P3.2/INT0 AT89S51 P3.3

27、/INT1 電機(jī) 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 四輸入與門 U7 C2 0.33F C6 0.33F Vin 1 GND 2 +5V 3 U4 7805 Vin 1 GND 2 +12V 3 U3 7812 C3 0.1F C7 0.1F +5v +12v 1 2 3 4 U6 C8 20F C5 3300F C4 20F C1 3300F 1 2 J1 220V 圖 3.1 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 3.2 電源電路設(shè)計(jì) 電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。在本系統(tǒng)中直流電 機(jī)需要12V電源，而單片機(jī)、顯示模塊等其它電路需要5V的電源，因此電路中選 用7805和7812兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸

28、出電流為1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求， 其電路如圖3.2所示。 圖3.2 電源電路 3.3 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 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(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA 和SENSEB）用來(lái)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

29、邏輯電平信號(hào)，用來(lái)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(lái)輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī) 調(diào)速。其電路如圖3.3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，保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端7， 使電機(jī)在PWM脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。 A1 A2 SE N1 1 1Y 1 2 1Y 2 3 Vs 4 1A 1 5 1E N 6 1A 2 7 GN D 8 Vcc 9 2A 1 10 2A 2 12 2E N 11 2Y 1 13 2Y 2 14 SE N2 15 U5 L298N D4

30、D3 D1 D2 C10 20F C9 20F +5V +12V +12V R1 470 R2 5K R4 5K R3 470 R5 470 MG 1 P2.7 P2.6 P2.5 圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3.4 電機(jī)速度采集電路設(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(guò)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(jiàn)的光電測(cè)速方法來(lái)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3.5（a）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

31、果電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)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(jī)每轉(zhuǎn)一圈在P3.3 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(lái)計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。 例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，P3.3將輸出如圖3.5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，則電機(jī)轉(zhuǎn)速v=r/s。 圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管 +5V P3.3 470 200 R1R2 VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS1 CS2 /RST VEE A K 1 2 3

32、 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 (a) (b) 圖3.4 電機(jī)速度采集方案 圖3.5 傳感器輸出脈沖波形 3.5 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。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較都，而且需要漢字 顯示，在這里選用12864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)動(dòng)器及12864全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成漢字 （1616）顯示和 圖形顯示共有20個(gè)引腳8，其引腳名稱及引腳編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3.6，引腳功能 如表3.1所示。 圖3.

33、6 12864LCD引腳分布 表3.1 12864液晶顯示模塊引腳功能 引腳符 號(hào)引 腳 功 能引腳符 號(hào)引 腳 功 能 1VSS電源地15CS1 CS1=1芯片選擇左邊64*64 點(diǎn) 2VDD電源正+5V16CS2 CS2=1芯片選擇右邊64*64 點(diǎn) 3VO液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源17/RST復(fù)位（低電平有效） 4RS H：數(shù)據(jù)輸入； L：指令碼輸入 18VEELCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電源 0123 4567 89 傳傳傳傳傳 傳傳傳傳傳傳傳傳 H0 H1 H2 H3 L0 L1 L2 L3 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST

34、 9 P3.0/RX D 10 P3.1/TX D 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GN D 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 RSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U1 89S51 1 2 3 4 5

35、6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 LCD PO T1 10K R7 10K R8 47 +5 C15 220F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RN 85K +5v +5v +5v P2.5 P2.6 P2.7 5 R/W H：數(shù)據(jù)讀??； L：數(shù)據(jù)寫入 19A背光電源（+） 6E 使能信號(hào)。 20K背光電源（-） 7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號(hào)的模塊19、20腳為空腳 12864液晶顯示器與單片機(jī)的連接電路如圖3.7所示： 圖3.7 顯示模塊電路圖 3.6 鍵盤電路設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了44鍵盤用以實(shí)現(xiàn)對(duì)P、I、D三個(gè)參數(shù)和

36、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 4.8所示。圖中L0L3為44鍵盤的列信號(hào)，H0H3為44鍵盤的行信號(hào)。 在本系統(tǒng)中，用P1.0P1.3連接鍵盤的列信號(hào)L0L3；用P0.4P0.7連接鍵盤 的行信號(hào)H0H39。按照要求設(shè)計(jì)操作面板如圖3.8所示： 圖3.8 鍵盤模塊 鍵盤操作說(shuō)明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，12864LCD將顯示開機(jī)界面，若按下設(shè) 置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時(shí)按1、2、3、4進(jìn)入相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置的狀態(tài)， 輸入相應(yīng)的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，待所有量設(shè)置完成后按正/反控制鍵設(shè)置正 反轉(zhuǎn)，最后按啟動(dòng)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中可按下相應(yīng)鍵對(duì)電機(jī)進(jìn)

37、行暫停、繼續(xù)、 停止運(yùn)行的控制。 4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 算法實(shí)現(xiàn) 4.1.1 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，對(duì)偏差進(jìn))(ne 行P、I、D運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制PWM脈沖的 計(jì)算e(n) 計(jì)算KIe(n) 計(jì)算KP(e(n)- e(n-1) 計(jì)算KD(e(n)- 2e(n-1)+e(n-2) 計(jì)算u(n) 計(jì)算u(n) u(n-1) e(n-1)e(n-2) e(n)e(n-1) u(n)u(n-1) 返回 圖4.1PID程序流程 開始 初始化 調(diào)用清屏子程序 開始界面顯示 設(shè)置鍵 按下？ 調(diào)用清屏子程序 設(shè)置界面顯示 根據(jù)設(shè)置

38、 計(jì)算參數(shù) 啟動(dòng)鍵 按下？ 調(diào)用清屏子程序 電機(jī)運(yùn)行 狀態(tài)顯示 PWM脈沖輸出 Y N Y N 0 )2() 1(2 )()()1()( unene neKneKneneK DIP t=0.5s? 計(jì)算r=n/120 計(jì)算v=(r/0.5)*60 返回 N Y 占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)10，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為： )(nu 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4.1所示。 4.1.2 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)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制 的精度。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= r/

39、min 60 tN n 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)間t 為0.5s，則速度計(jì)算具體程序流程如圖4.2所示。 圖4.2 測(cè)速程序流程 4.2 程序流程 4.2.1 主流程圖 在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，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)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖4.3 所示。 延時(shí)去抖動(dòng) P1口低四位置1 讀P1口低四位 數(shù)據(jù)到KEYL KEYL、KEYH 相與為KEY P1口高四位置1 讀P1口高四位 數(shù)據(jù)到KEYH KEY=0

40、XEE ? KEY=0XEB ? KEY=0XED ? KEY=0XE7 ? KEY=0XDE ? KEY=0XDD ? KEY=0XDB ? KEY=0XD7 ? KEY=0XBD ? KEY=0XBE ? KEY=0XBB ? KEY=0XB7 ? KEY=0X7E ? KEY=0X7D ? KEY=0X7B ? KEY=0X77 ? 數(shù)字鍵0 數(shù)字鍵1 數(shù)字鍵2 數(shù)字鍵3 數(shù)字鍵4 數(shù)字鍵5 數(shù)字鍵6 數(shù)字鍵7 數(shù)字鍵8 數(shù)字鍵9 正/反功能鍵 暫停功能鍵 繼續(xù)功能鍵 啟動(dòng)功能鍵 停止功能鍵 設(shè)置功能鍵 RETI Y N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y

41、 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 圖4.3 主程序流程 4.2.2 鍵盤程序程序流程 鍵盤中斷程序是用來(lái)設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，其程 序流程圖如圖4.4所示。 脈沖計(jì)數(shù)時(shí) 間0.5s? 速度計(jì)算 PID運(yùn)算 顯示數(shù)據(jù)刷新 定時(shí)器T0賦初值 RETI 各變量重新賦值 Y N 圖4.4 鍵盤程序流程 4.2.3 定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器T0中斷子程序是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和 PID 運(yùn)算，其程序流程如圖4.5所示。 圖4.5 定時(shí)程序流程 4.2.4 顯示程序流程 顯示模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要部分，在這里選用12864LCD顯示器可實(shí)現(xiàn)

42、 對(duì)漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在上面已經(jīng)做了說(shuō)明，下面介紹 12864LCD的相關(guān)指令。 （1）讀取狀態(tài)字 當(dāng)R/W=1，D/I=0時(shí)，在E信號(hào)為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。 狀態(tài)字是了解模塊當(dāng)前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在每次對(duì)模塊操作之前，都要 讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0” 。若不為“0” ，則計(jì)算機(jī)需要等待，直至 BUSY =0為止。 （2）顯示開關(guān)設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 000011111D D=1：開顯示；D=0關(guān)顯示。 （3）顯示起始行設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0011顯

43、示起始行（063） 指令表中DB5DB0為顯示起始行的地址，取值在03FH（164行） D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 01BUSY0ONOFFRST0000 范圍內(nèi)，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器的行地址。 （4）頁(yè)面地址設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0010111Page（07） 頁(yè)面地址是DDRAM的行地址。8行為一頁(yè)，DDRAM共64行即8頁(yè)， DB2-DB0表示0-7頁(yè)。 （5）列地址設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0001Yaddress（063） 列地址是DDRAM

44、的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0- 3FH（1-64），代表某一頁(yè)面上的某一單元地址，列地址計(jì)數(shù)器在每一次讀寫數(shù) 據(jù)后它將自動(dòng)加一。 （6）寫顯示數(shù)據(jù) D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 10顯 示 數(shù) 據(jù) 該操作將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲(chǔ)器的單元內(nèi)。操作完成后列地址 計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。 （7）讀顯示數(shù)據(jù) D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 11顯 示 數(shù) 據(jù) 該操作將12864模塊中的DDRAM存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)單位中的內(nèi)容讀出，然后列地 址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。 根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實(shí)行的功能，其顯示子程序流程如圖4.6所示。

45、圖4.6 顯示程序流程 4.3 系統(tǒng)Proteus仿真 4.3.1 Proteus軟件簡(jiǎn)介 Proteus是英國(guó)Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA設(shè)計(jì)軟件， 是一個(gè) 基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)。 Proteus不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返姆抡妫€可進(jìn)行多種 CPU的仿真，涵蓋了51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器，真正實(shí)現(xiàn)了在 計(jì)算機(jī)從原理設(shè)計(jì)、電路分析、系統(tǒng)仿真、測(cè)試到PCB板完整的電子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) 了從 概念到產(chǎn)品的全過(guò)程。以下為本系統(tǒng)在Protues中的仿真 流程： （1）新建文件：打開Pro

46、tues點(diǎn)File，在彈出的下拉菜單中選擇New Design，在彈出的圖幅選擇對(duì)話框中選Default。 （2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對(duì)Protues的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。 （3）元器件選取：按設(shè)計(jì)要求，在對(duì)象選擇窗口中點(diǎn)P，彈出Pickdevices對(duì) 話框，在Keywords中填寫要選擇的元 器件，然后在右邊對(duì)話框中選中要選的元 器件，則元器件列在對(duì)象選擇的窗口中如 初始化 循環(huán)次數(shù) j2 ? 寫入數(shù)據(jù)字 節(jié)數(shù)i16？ 設(shè)置顯示起始 頁(yè)、起始列 調(diào)用寫入數(shù) 據(jù)子程序 j=j+1;i=0 i=i+1 RETI Y N N Y 初始化 循環(huán)次數(shù) j2 ? 寫入數(shù)據(jù)字 節(jié)數(shù)i8？ 設(shè)置顯示起

47、始 頁(yè)、起始列 調(diào)用寫入數(shù) 據(jù)子程序 j=j+1;i=0 i=i+1 RETI Y N N Y a) 寫入16*16漢字程序流程b)寫入8*16數(shù)字 圖4.7所示。 本設(shè)計(jì)所需選用的元器件如下： AT89C51:單片機(jī) RES、RX8、RESPACK-8:電阻、排阻、上拉電阻 圖4.7 Proteus元器件選取界面 CRYSTAL:晶振 CAP、CAP-ELEC:電容、電解電容 7805、7812:5V、12V三端穩(wěn)壓塊 IN4007：二極管 AMPIRE128 64：液晶顯示器 OPTOCUPLER-NPN：光電耦合器 BOUTTON：按鍵 MOTOR-ENCODER：直流電機(jī) 放置元器件、

48、放置電源和地、連線，得到附錄所示的系統(tǒng)整體電路，最后進(jìn) 行電氣檢測(cè)。 （4）程序編譯 點(diǎn)菜單SourceAdd/Remove sou rce Files”在出現(xiàn)的對(duì)話框如圖4.8中， 選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源 程序SEKED.ASM添加。再點(diǎn)菜單 SourceBuild ALL編譯匯編源程序， 生成目標(biāo)代碼文件SWLED.HEX。 （5）程序加載 圖4.8 程序添加界面 在編輯環(huán)境左擊單片機(jī)然后右擊，在彈出的對(duì)話框中將編譯生成的HEX文件 加載到芯片中，設(shè)單片機(jī)的時(shí)鐘工作頻率為12MHZ。 （6）電路仿真 點(diǎn)仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。 5 系統(tǒng)測(cè)試與分析 為了

49、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，但是由于試 驗(yàn)調(diào)節(jié)的制約和時(shí)間的限制，不能完成此次制作，只能通過(guò)軟件仿真進(jìn)行驗(yàn)證，在 這里使用的是英國(guó)的Proteus軟件進(jìn)行測(cè)試，有關(guān)改軟件的使用在前面的章節(jié)已經(jīng) 介紹，在這里不再重復(fù)。 根據(jù)第1章PID參數(shù)整定方法的介紹與分析，對(duì)于本系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù) 整定，該方法調(diào)試的原則為： 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(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)； 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。 下面以PID調(diào)節(jié)器

50、為例，具體說(shuō)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)=0，實(shí)際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn) I K D K 行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲 P K 得滿意的控制過(guò)程為止。 取比例系數(shù)為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾 P K I K 動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿意的控制過(guò)程。 積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改 I K P K 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 P K 數(shù)，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分 I K P K 系數(shù)為止。 I K

51、引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù) D K D T 和積分系數(shù)。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 P K I K 過(guò)程滿意為止。 PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)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(gè)小電機(jī)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(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。 根據(jù)上訴方法，通過(guò)軟件仿真系統(tǒng)得出數(shù)據(jù)如表5.1所示，通過(guò)觀察得出該系 統(tǒng)比較合適的P、I、D三者的參數(shù)值為: =2, =2.2, =0.2。并且可以反 P

52、K I K D K 映 表5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)表 次數(shù)設(shè)定 P K設(shè)定 I K設(shè)定 D K 設(shè)定 （r/min） 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)間 （s） 誤差 122.20.210084%1 232.20.2100155%2 342.20.21002211%5 412.20.210056%3 502.20.2100112%6 621.10.210068%2 7200.21002%15%9 823.30.210085%1 924.40.210097%2 1022.20.110086%1 1122.201006%5%5 1222.20.31007%5%1 1322.20.41006%7%4 出PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)

53、的作用是： （1）比例環(huán)節(jié)：值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。增大能提高響應(yīng)速 P K P K 度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，值過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小 P K 可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但過(guò)小會(huì)減慢響應(yīng)速度，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間； P K P K （2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決 于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)； I T I T （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。 通過(guò)上訴的數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)完成了設(shè)計(jì)的任

54、務(wù)及要求，證實(shí)了設(shè)計(jì)方案 的可行性和設(shè)計(jì)方法的正確性。 附錄 部分源程序 一、主程序： main( ) zf=0; flag1=0; EA=1; IT0=1; EX0=1; count=0; en=0; en1=0; en2=0; U0=200; Un=0; cc=0; zanting=0; pwm1=0; pwm2=0; P1=0 xF0; Init_lcd(); /設(shè)置液晶顯示器 Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese(0,0,dan); /單 left();Disp_Chinese(0,16,pian); /片 left();Disp_Chinese(0,3

55、2,ji); /機(jī) left();Disp_Chinese(0,48,de); /的 right();Disp_Chinese(0,0,shu); /數(shù) right();Disp_Chinese(0,16,zi); /字 right();Disp_Digit(0,32,dp); /P right();Disp_Chinese(0,40,di); /I right();Disp_Digit(0,56,dd); /D left();Disp_Chinese(3,16,dian); /電 left();Disp_Chinese(3,32,ji); /機(jī) left();Disp_Chinese(3,4

56、8,tiao); /調(diào) right();Disp_Chinese(3,0,shu0); /速 right();Disp_Chinese(3,16,xi); /系 right();Disp_Chinese(3,32,tong); /統(tǒng) left();Disp_Chinese(6,48,heng); /橫線 right();Disp_Chinese(6,0,heng); /橫線 right();Disp_Chinese(6,16,jia); right();Disp_Chinese(6,32,xiao); right();Disp_Chinese(6,48,wei); flag0=0; for(

57、; ; ) /等待設(shè)置鍵按下 if(flag0=1) break; Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese(0,32,can); left();Disp_Chinese(0,48,shu); right();Disp_Chinese(0,0,she); right();Disp_Chinese(0,16,zhi); left();Disp_Chinese(2,4,Kp); left();Disp_Digit(2,20,maohao); left();Disp_Digit(2,28,s0); left();Disp_Digit(2,36,s0); left();Disp_Digit(