直流电机闭环调试系统

1、 成 绩： 大学自动化学院综合实验报告题 目： 直流电机闭环调试系统 学生姓名：班 级：学 号：同组人员：指导教师：完成时间：一、实验名称：基本情况：6. 具体分工：7. 本人在项目组的作用描述： 在本次试验中我负责的是程序的设计编写和调试，在设计出的硬件为基础上选择了适当的方法来实现功能，程序主要分为三大模块：PID计算、PWM波的产生、液晶的显示，其中液晶程序是参考同学的设计，PID和PWM为自己编写。在试验中大家相互交流，共同解决了很多问题，其中程序设计前，我就开始了PID的学习，从完全不懂到逐步理解最后到实践，在上机调试阶段对PID参数的确定遇到一些困难，不过经不懈努力最终找到适合的参

2、数。二、实验内容(实验原理介绍)：本次试验设计的是直流电机闭环控制系统，闭环控制的优点是控制的精度可以达到很高，而且对外界的干扰和系统的参数变化有很好的抑制作用，且可以通过输出反馈控制系统的控制过程。缺点是存在稳定性，振荡，超调等一系列问题，对系统的性能分析和设计远比开环控制麻烦。 本次试验应用PID算法控制电机的转速，利用实际转速进行反馈与给定的转速形成对比，进而通过算法输出PWM波形来控制直流电机。r(t) c(t)e(t)输出PWM直流电机PID算法测速装置图1控制模型示意图 PID控制是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：e(t)=r(t)c(t)（3

3、.3）将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器，其控制规律为：（3.4）其中：KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。一般数字控制系统需要将控制信号采样，所以只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，式（3.4）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式（3.3），现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和的形式代替积分，以增量代替微分，则可做如下近似变换：（3.5）其中：T为采样周期。本次试验使用的是PWM脉宽调制方法。脉宽调制 (PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是

4、在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。PWM对调速系统来说，系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。三、实验结果分析（含程序、数据记录、控制算法及分析和实验总结等）：3.1.程序 #include<reg52.h>#define u

5、char unsigned char#define uint unsigned int#define Speed_Max 70#define Pwm_Period100/*端口初始化*/sbit Rs=P25;sbit Rw=P26;sbit En=P27; sbit In2 = P14; sbit In1 = P16;sbit PWM = P15;sbit KEY1 = P20; sbit KEY2 = P21; sbit KEY3 = P22;sbit KEY4 = P23;/*变量定义*/uint Duty = 0;/占空比uint Now_Speed = 0; uint Set_Spe

6、ed=40;uchar state = 1;uint Count=0,Count_Period=0,Count_Jishu=0;uchar Flag=0,Flag_Speed=0,Flag1=0;uint Kp=4,Ki=1,Kd=1;uint Last_Error; uint L_Last_Error; /*函数初始化*/void delay();void Timer0_init();void Timer1_init();void Write();void Write_date();void Lcd1602_init();void String_display();void Numeral_

7、display();void Float_display();void key_scan();void Sudu_jia();void Sudu_jian();void display_cusor();void sys_init();int delta_Duty();void Yejin_init();int Pid_Ctrol();/*/void delay(uint Z) uint X,Y; for(X=0;X<Z;X+) for(Y=0;Y<110;Y+);void Timer0_init(void)TMOD |= 0x05;TH0 = 0;TL0 = 0;ET0 = 1;T

8、R0 = 1;void Timer1_init(void)TMOD |= 0x20;TH1 = 0x38;TL1 = 0x38;ET1 = 1;TR1 = 1;void Write( uchar Shuju)Rs=0; Rw=0; En=0; delay(5); P0=Shuju; En=1; delay(10); En=0;void Write_date( uchar date) Rs=1; Rw=0; En=0; delay(5); P0=date; En=1; delay(10); En=0;/*显示屏的设定，参考1602PDF资料*/void Lcd1602_init()Write(0

9、x38); /设置显示模式16*2显示 5*7点阵 8位数据接口 Write(0x0c);/开显示，不显示光标 Write(0x06);/当读写一个字符后地址指针加一，且整屏不移动 Write(0x01);/显示清屏void String_display(uchar Hang,uchar Lie, uchar *p) uchar _addr;if(Hang = 1)_addr = 0x80;else if(Hang = 2)_addr = 0xc0;Write(_addr + Lie);doWrite_date(*p);p+;while(*p != '0');/*液晶参数Han

10、g 行 Lie 列 Num 要显示的数据3位小数 */ void Numeral_display(uchar Hang, uchar Lie, uint Num)uchar _addr, i;uint display3;if(Hang = 1)_addr = 0x80;else if(Hang = 2)_addr = 0xc0;Write(_addr + Lie);display0 = Num/100;display1 = (Num % 100) / 10;display2 = Num % 10;for(i=0; i<3; i+) Write_date(displayi + 0x30);

11、/*液晶参数Hang 行 Lie 列 Num 要显示的数据2位小数 */void Float_display(uchar Hang, uchar Lie, uint Num)uchar _addr;if(Hang = 1)_addr = 0x80;else if(Hang = 2)_addr = 0xc0;Write(_addr + Lie);Write_date(Num/10 + 0x30);Write_date('.');Write_date(Num%10 + 0x30);void Lcd1602_cursor(uchar Hang, uchar Lie)uchar _ad

12、dr;if(Hang = 1)_addr = 0x80;else if(Hang = 2)_addr = 0xc0;Write(_addr + Lie);Write(0x0f);/*PID算法控制*/int Pid_Ctrol( int Now_Speed ) uintError, Error1, Error2;int Temp = 0; Error = Set_Speed-Now_Speed; Error1 =Kp * (Error - Last_Error);Error2 = Kd * (Error + L_Last_Error -2*Last_Error);Temp = Error1 +

13、 Error2 + Ki*Error;Temp = Temp/10; L_Last_Error = Last_Error; Last_Error = Error;return (Temp);/*1602液晶显示*/void Yejin_init(void) Duty = 20; PWM = 0;Timer0_init();Timer1_init();Lcd1602_init();In1 = 1;In2 = 0;String_display(1,0,"set");Numeral_display(1,4,Set_Speed); String_display(1,8,"

14、Now");Numeral_display(1,12,Now_Speed);String_display(2,0,"P");Float_display(2,1,Kp);String_display(2,5,"I");Float_display(2,6,Ki);String_display(2,11,"D");Float_display(2,12,Kd);EA = 1;/*按键切换控制*/void key_scan(void)if(KEY3 = 0) delay(5);if(KEY3 = 0) state+;if(state

15、>=7)state = 1;while(!KEY3);else if(KEY4 = 0) delay(5);if(KEY4 = 0) state-;if(state >=255)state = 6;while(!KEY4);else if(KEY1 = 0) delay(5);if(KEY1 = 0) Sudu_jia();while(!KEY1);else if(KEY2 = 0) delay(5);if(KEY2 = 0) Sudu_jian();while(!KEY2);/*速度设定的增加*/void Sudu_jia(void)switch(state)case 1:Set

16、_Speed += 5;if(Set_Speed >= Speed_Max) Set_Speed = Speed_Max;Numeral_display(1,4,Set_Speed); break;case 2:Set_Speed += 5;if(Set_Speed >= Speed_Max) Set_Speed = Speed_Max;Numeral_display(1,4,Set_Speed);break;case 3:Set_Speed+; if(Set_Speed >= Speed_Max) Set_Speed = Speed_Max; Numeral_display

17、(1,4,Set_Speed); break;case 4:Kp+; if(Kp >= 100) Kp = 99; Float_display(2,1,Kp);break;case 5: Ki+; if(Ki >= 100) Ki = 99;Float_display(2,6,Ki); break;case 6: Kd+; if(Kd >= 100) Kd = 99; Float_display(2,12,Kd);break;default:break;/*速度设定减*/void Sudu_jian(void)switch(state)case 1:Set_Speed -=

18、5; if(Set_Speed >= 65535) Set_Speed = 0; Numeral_display(1,4,Set_Speed); break;case 2:Set_Speed -= 5;if(Set_Speed >= 65535) Set_Speed = 0;Numeral_display(1,4,Set_Speed); break;case 3:Set_Speed-; if(Set_Speed >= 65536)Set_Speed = 0;Numeral_display(1,4,Set_Speed);break;case 4:Kp-; if(Kp >=

19、 65535 )Kp = 0; Float_display(2,1,Kp); break;case 5: Ki-; if(Ki >= 65535) Ki = 0; Float_display(2,6,Ki); break;case 6: Kd-; if(Kd >= 65535) Kd = 0;Float_display(2,12,Kd); break;default:break;/*光标闪烁*/void display_cusor(void)switch(state)case 1:case 2:case 3:Lcd1602_cursor(1,7); break;case 4:Lcd

20、1602_cursor(2,4); break;case 5:Lcd1602_cursor(2,4); break;case 6:Lcd1602_cursor(1,15); break;default: break;/*将速度的增量转化为占空比的增量*/int delta_Duty(int delta_v) return delta_v*5; /占空比比例调节/*用于产生PWM脉冲*/void Timer1(void) interrupt 3Count+;if(Count <= Duty)PWM = 1;else if (Count >= Pwm_Period) Count = 0

21、;else PWM = 0;/*定时40ms*/Count_Period+;if(Count_Period >= 200) Count_Period = 0;Now_Speed = (TH0*256 + TL0)/15;TH0 = 0;TL0 = 0;Flag_Speed = 1;Count_Jishu+;if(Count_Jishu >= 10000) Count_Jishu = 0;Flag1 = 1;int main(void) int tmp;Yejin_init();for(;) key_scan();if(Flag_Speed = 1) Flag_Speed = 0;N

22、umeral_display(1,12,Now_Speed);tmp = Duty;tmp += delta_Duty( Pid_Ctrol( Now_Speed) ); if(tmp >= 100)tmp = 99;else if(tmp <=0)tmp = 0;Duty = tmp;if(Flag1 = 1) Flag1 = 0;display_cusor();return 0;调试手段a.确定比例增益P确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由

23、0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。b.确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常数Ti调试完成。c.确定积分时间常数Td积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。d.系统空载、带载联调，再对PID

24、参数进行微调，直至满足要求。PID算法：/*PID算法控制*/int Pid_Ctrol( int Now_Speed ) uintError, Error1, Error2;int Temp = 0; Error = Set_Speed-Now_Speed; /偏差Error1 =Kp * (Error - Last_Error); /比例项Error2 = Kd * (Error + L_Last_Error -2*Last_Error); /积分项Temp = Error1 + Error2 + Ki*Error; Temp = Temp/10; L_Last_Error = Last_

25、Error; Last_Error = Error;return (Temp);控制算法分析： PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用

26、性。实现PID控制的计算机控制系统如图1所示，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。 图1 模拟PID控制1、PID控制规律的离散化 PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，所以简称PID控制器。 连续控制系统中的模拟PID控制规律为： （式1） 式中是控制器的输出，是系统给定量与输出量的偏差，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数。其相应传递函数为： （式2）比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用：（1）比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器

27、立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但是，过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。（2）比例积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差不为零，它将通过累积作用影响控制量，从而减小偏差，直到偏差为零。如果积分时间常数大，积分作用弱，反之为强。增大将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。（3）比例积分微分调节器：为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 由于计算机系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当采样周期为T时， （式3） 如果采样周