实验六 数字PID 直流电机闭环调速控制系统设计.doc

实验六 数字PID 直流电机闭环调速控制系统设计一、实验原理及内容 直流电机调速实验的系统方框图如下：电机的PID控制原理：单片机给出脉冲调制信号，脉冲调制信号的脉宽决定电机的转速，即可通过调节脉冲的占空比来调节电机的转速，脉冲信号驱动电路放大后控制直流电机的转动，然后测速电路几乎同步测出电机转速并输出，该输出信号与给定值（给定的转速）比较，如果两者不相同，经单片机里面的算法比对后，单片机调节脉冲宽度，继续输出给驱动电路控制电机，如此循环，直到电机转速与给定值相同。根据上述系统方框图，硬件线路图设计如下：图中“DOUT0”表示 51 的 I/O 管脚 P1.4，输出 PWM 脉冲经驱动后控制直流电机， “IRQ7 ”表示 51 的外部中断 1，用作测速中断。 实验中，用系统的数字量输出端口 “DOUT0”来模拟产生 PMW 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电 机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定情况下，经 PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时 1ms，作为系统采样 基准时钟；测速中断用于测量电机转速。 直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序如下： 实验结果的推导：在模拟系统中，PID算法的表达式为：（1）由于计算机系统是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制。因此，在计算机系统中，必须对式（1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示： （2） （3）将式（2）和（3）带入式（1），则得到离散的PID表达式： 式中，-采样周期，必须使T足够小，才能使系统有一定的精度； E(k)-第k次采样时的偏差值； E(k-1)-第（k-1）次采样时的偏差值； K-采样序号，k=0,1,2. P(k)-第k次采样时调节器的输出。增量型PID控制算式为： 实验结果记录及分析(1) 比例控制： 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例调节的作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节调节产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 图1参数：P=3 I=5 D=125 图2参数：P=20 I=5 D=125 图3参数： P =50 I=5 D=125有上三图比较可看出，随则P的增大，系统的调节时间变短。稳定性变差。则合适的比例控制系数可以减小稳态误差，但当该值过大时，系统的稳定性变差。(2) 积分控制： 积分的作用是只要系统存在误差在积分控制器就不断的积累，输出控制量，以消除误差。只要有足够的时间，积分控制就能完全消除误差。但是积分作用太强使系统超调加大，甚至使系统出现震荡。 图4参数：P=7.6 I=350 D=0.4 图5参数：P=7.6 I=380 D=0.4图5的积分I大于图4的，而图5出现了少量的震荡两图的稳态误差均趋于零。与理论相符。(3) 微分控制：微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调节时间，从而改善系统的动态性能。 图7参数 P=7.6 I=380 D=0.3 图7参数 P=7.6 I=380 D=0.5 由图6和图7比较可知：微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，