PID控制PWM调节直流电机速度

1、本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的使用，纵所周知运动 控制系统最主要的控制对象是电机， 在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生 产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。其设计思路为：以 AT89S51单片机为控制核心， 产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光 电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。在系统中采 128W4LCD显示器作为显示部件，通过 4M 键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部

2、件了解电机当前 的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模 块、速度检测模块、人机交互模块。软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。本次设计系统的主要特点：(1) 优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；(2) 使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率， 比较精确的反映出电机的转速， 从而和设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调 节的目的；(3) 使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；(4) 128x 64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电

3、机运行速度 和运行时间；(5) 利用Proteus软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确 性，避免不必要的损失；(6) 采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；(7) 系统性能指标：超调量乞8%；调节时间-4s； 转速误差乞-1r/min。1 PID算法及PWM控制技术简介1.1 PID算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控 制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的控制，称为 PID控制。实际经验和理论分析都表明， PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是

4、一种使用最为广泛的控制算法之一 分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。1.1.1 模拟 PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图1.1所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。+ 史u(t)执行机构PID调节器制偏差：积分图1.1模拟PIID 控制系统种线性调节器，它根据给定值r(t)和实际输出值c(e(t) = r(t) c(t)*对象c(t)t)构成的控(1.1)将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际使用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行

5、适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。模拟PID调节器的控制规律为1tde(t)、u(t)二 K pe(t).e(t)dt Td(1.2)Ti0dt式中，Kp为比例系数，T为积分时间常数,Td为微分时间常数。简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：(1) 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，调 节器立即产生控制作用以减少偏差；(2) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数T , Ti越大，积分作用越弱，反之则越强；(3) 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)

6、，并能在偏差信号的值 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间由式1.2可得，模拟PID调节器的传递函数为DdEt1 Ts Tds)(1.3)由于本设计主要采用数字 PID算法，所以对于模拟PID只做此简要介绍1.1.2 数字 PID在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来 完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式(1.2)离散化，我们把图1.1中r

7、(t)、e(t)、u(t)、 c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是式(1.1) 变为：(1.4)e(n) =r( n) c(n)当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n)-e(n-1)近似代替，“积 分”用“求和”近似代替，即可作如下近似(1.5)(1.6)de(t) e(n)-e(n-1)Rz：dtJ0e(t)dt ： e(i)Ti詔这样，式(1.2)便可离散化以下差分方程T nTu(n)二 Kpe(n)e(n)De(n) - e(n -1) u(1.7)Ti yT上式中U。是偏差为零时的初值，上式中的第一项起比例控制作用，称为

8、比例(P)项 山(n),即(1.8)(1.9)(1.10)Up(n) = K pe(n)第二项起积分控制作用，称为积分(I )项U| (n)即 T nU|(n)二 Kp e(i)T| t第三项起微分控制作用，称为微分(D)项Ud(n)即Ud(n)二心半n)-e(n-1)这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用，常用的组合有：P控制：u(n)二 Up(n) Uo(1.11)PI控制:u(n) = Up(n) Ui (n) U(1.12)PD控制：U(n)二 Up(n) Ud(n) U(1.13)PID控制：U(n) = Up(n) Ui (n) Ud(n) U(1.14)式(1.

9、7)的输出量u(n)为全量输出，它对于被控对象的执行机构每次采样时刻 应达到的位置。因此，式(1.7)又称为位置型PID算式。由(1.7)可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式(1.7)进行改进。根据式(1.7)不难看出u(n-1)的表达式，即T 2TDu(n-1) = Kpe(n-1)e(n) De(n-1) - e(n- 2) u。( 1.15)Ti yT将式(1.7)和式(1.15)相减，即得数字PID增量型控制算式为u(n)二 u(n) - u(n - 1)二 Kpe(n)-e(n -1) Qe(n) Ke(n

10、) - 2e(n-1) e(n - 2)( 1.16)从上式可得数字PID位置型控制算式为u(n)二 Kpe(n) e(n -1) Kie(n) Ke(n) 2e(n -1) e(n 2) u。 ( 1.17)式中： Kp称为比例增益；K | = K p 称为积分系数；TiKd = Kp td称为微分系数。数字piD位置型示意图和数字piD增量型示意图分别如图1.2和1.3所示：数字PID参数整定方法如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控 过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化， 超调量小，在不同干扰下系统输 出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和

11、环境参数发生变化时控制应保持 稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足 主要方面，并兼顾其它方面。PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。 用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。 这种方法最大优点就是整定 参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略 嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下面介绍两种常用的简易工程整定法。(1)扩充临界比例度法这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数

12、的步骤是： 选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时 间的十分之一以下。 用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器 成为纯比例调节器，逐渐减小比例度 ：G = 1/ K p )直至系统对阶跃输入的响应达 到临界振荡状态，记下此时的临界比例度及系统的临界振荡周期Tk。 选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果和模近2 拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积,0 e (t)表示。f e2(t)dtDDC控制度二亠蔦(1.18)J。e (t)dt模拟实际使用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度

13、仅表示控制效果的物理 概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC和模拟控制效果相当；当控制 度为2.0时，DDC比模拟控制效果差。 根据选定的控制度，查表1.1求得T、Kp、Td的值。表1.1扩充临界比例度法整定参数控制度控制规律TKpTiTd1.05PI0.03Tk0.53g0.88Tk1.05PID0.014Tk0.63g0.49Tk0.14Tk1.20PI0.05Tk0.49%0.91Tk1.20PID0.043Tk0.047%0.47Tk0.16Tk1.50PI0.14Tk0.42%0.99Tk1.50PID0.09Tk0.346k0.43Tk0.20Tk2.00PI0.22T

14、k0.36%1.05Tk2.00PID0.16Tk0.27%0.40TK0.22Tk(2)经验法经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪和设定值曲 线，来调整P、I、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数Ki =0，实际微分系数Kd=

15、O，控制系统投入闭环运行， 由小到大改变比例系数Kp，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意 的控制过程为止。 取比例系数Kp为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数K|，同样让扰动 信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 积分系数Ki保持不变，改变比例系数Kp ,观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数Kp增大一些，再调整积分系数Ki， 力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数k p和积分系数K|为止。 弓I入适当的实际微分系数 Kd和实际微分时间Td，此时可适当增大比例系数 Kp和积分系数Ki。和前述步骤相同，微分时间的整定也

16、需反复调整，直到控制过 程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I在(3、10)之间，D在1左右。小惯量如：一个小电机闭环 控制，一般P在(1、10)之间,I在(0、5)之间,D在(0.1、1)之间,具体参 数要在现场调试时进行修正。1.2 PWM脉冲控制技术PWM( Pulse Width Modulatio n)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。1.2.1 PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯 性的环

17、节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同， 是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅立叶变换分析， 则其低频 段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1.4中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1.4的a为矩形脉冲，图1.4的b为三角脉冲，图1.4的c为正弦半 波脉冲，但它们的面积(即冲量)都等于 1,那么，当它们分别加在具有惯性的同一 环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如图1.4的d所示的单位脉冲函数;(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。f(t)f(t)f(t)f(t)A0图1.4形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图1.5a的电路是

18、一个具体的例子。图中e(t)为窄脉冲，其形状和面积分别如图1.4的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图1.5b给出了不同窄波时i(t)的响应波形。 从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其 下降段几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性的施加上 述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同2i(t) *i(t)R一量相同的各种窄脉冲的响应波形直流电机的尿屮皿控制技术便，调速范围广，过载能力大

19、,直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程 自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统 领域中得到了广泛的使用。直流电动机的转速调节主要有三种方法： 调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如 改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法 的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压 调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流 PWM

20、调速系统两种。直流PWM调速系统和可控整流式调速系统相比有下列优点： 由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直 流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高，快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因 此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整 流器高。正因为直流 PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能 的不断提高，直流脉宽调制（PWM）技术得到了飞速的发展。随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。

21、目前，在该领域中大部分使用的是数字脉宽调制技术。 电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微 机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生 产中高性能电气传动的要求。下面主要介绍直流电机PWM调速系统的算法实现。根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的 PWM脉冲 和相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间 T内脉 冲宽度为t0 ,幅值为U，由图1.6可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：U。二trU，若令二T0，:即为

22、占空比，则上式可化为:(1.19)Uo U （ U为脉冲幅值）若PWM脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么和此脉冲等效的直流电 压的计算方法和上述相同，即nt-引脚符号引脚功能1VSS連源地1R S C BB515 DD D DCS1r ODCs少=1芯片选择左边64*64点2VDD0|98|111 14|电源正| +5V1 1 1| 16I8!7 叩ICS2=1芯片选择右边64*64点3VO液晶显示驱动电源17/RST复位（低电平有效）4RSH :数据输入；L :指令码输入18VEELCD驱动负电源5R/WH :数据读取；L :数据写入19A背光电源（+）6E使能信号。20K背光电源（-

23、）7-14DB0-DB7数据线有些型号的模块19、20脚为空脚12864液晶显示器和单片机的连接电路如图 3.7所示:I3.6键盘电路设计图3.7显示模块电路图P0T1+5LCD+5v根据设计需求，本系统中使40123456789键P1.0VCC正反2转的设定，以及对电0机启动、停止 所示匕中$0L3为05 统中 鯛.0P1.30连接H39。按照要求设计操作面板如图3.87号H09 L310?1匚亍12?RSTP07P3.0/RXDEA381234实现对P、I、D三个参数和电机67 410K自也续|的控制，其电路原理图如图.8X43键盘的列36接键盘的列信号343231300-为4 4键盘的行

24、信号。P0.4 P0.7连接键盘在本系J0”图v3.8键盘模块L0 | P3.1/TXDAL29键盘操作说明：在系统开始运行时,.128的行信121314151664” -Hr P3.3/INT1P7 ?置键显示榻进T 入参数设置诉面3.5/T1P2.5 c 匸J数数:减R可完成该参数的设置，待所有量设P3.7/RD q 卜畑 23 | 皂 0 1TH3-入相应的1192P3.5/TP2.5LCD将显示开机界面，若按下设418进入.相f应参数的设置的状态,输R720XTA 丄2XtA|1 qGNDP2.2P2 1P2P222189S51 851C9成后按返控制键设置正反20K47暂亭转，最后按

25、启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停 止运行的控制。4软件设计4.1算法实现4.1.1 PID 算法本系统设计的核心算法为 PID算法，它根据本次 采样的数据和设定值进行比较得出偏差 e(n)，对偏差进 行P、I、D运算最终利用运算结果控制 PWM脉冲的 占空比来实现对加在电机两端电压的调节10，进而控制电机转速。其运算公式为：u(n) = KPe(n) -e(n-1) KIe(n) KDe(n)-2e( n -1) e(n - 2) u0因此要想实现PID控制在单片机就必须存在上述算法, 其程序流程如图4.1所示。电机速度采集算法本系统中电机速度采集是一个非常重要

26、的部分，它 的精度直接影响到整个控制的精度。在设计中采用了光电传感器做为测速装置，其计算公式为:图4.1PID程序流程v-60 r/minN t从这里可以看出速度 v的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽数的多少决定的，为了减 少系统误差应尽量提高凹槽的数量，在本次设计中取凹槽数N为120,采样时间t为0.5s,则速度计算具体程序流程如图 4.2所示。4.2程序流程主流程图图4.2测速程序流程t=0.5s?N审Y在一个完整的系统中,计算 r=n/120只有硬件部分是不能完成相应设计任务的,所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运0行过程设计出 示。主程序流程如图4.3所返回开始图4.3初主

27、程化流程键盘程序程序流程调用清屏子程序键盘中断程序是用来设在系统相应参始界 流程图如图4.4所示。显示系统进入相应的运行状态,其程序/ 设置键N按下？延时去抖动读pi 口低四位定时程序流程数据弓丄KEYLY1图调用清屏子 勾4 4键盘程程序 呈序流程rpi 口低四位置设置界面显示pi 口高四位置 1在本系统中定时器口高四位中断子程序是用来控制电机运行时间和进行速度计算和 pid运算，其程序数据到如图ey45所示按下？Ykeyl、keyh相与为 keykey=oxee ?- key=oxed ?显示程序流程根据设置 计算参数脉仲计数时-数字键0图调间持定屏子程流程 一:丄 丫数字键速电机运行 Y

28、丿状显示示.里于N key=oxeb ?一、.显示模块是实现人机对n舌的重要部分Di在这里选用_引脚功能在冲面已经做了说明，下面 各变量重新赋值 p=*数字键显示数据刷新数字键“1228X64LCD 显尺器可实现对汉字和字符的显示?丫该显示器的 128W4LCD的相关Y旨令DE ?(1 )读取状态字* N二 key=oxdd ?N=0令de ?数字键介绍D/IR/W；. KEB70XDB DB6 定时遍BT0赋初值Db4数字DB36DE2DB01 . BUYYxd； ?0RST字键 7当R/W=1DEYOx时,?在:e信号为高的作用下数字键态分别输出到数据 状态字是了解模块当前工作状态的唯一的

29、信.、 key=oxbd ?.出状态字判断BUSY是否为“0”。若不为“ 0”Y为止。 KEY=0XBB ?”1总线上。息渠操作之前，都要读 数字键9,则计算机需要等待,直至BUS Y =0正/反功能键N,(2) 显示开关设EY=oxb7 ?一Y* 暂停功能键D/IR/W、DEY=ox7E DB6 DfeKEY=0X7D ?* NY KEY=0X7B ?.* NDB4继续功能键启动功能键停止功能键DB1DB0000011111DD=1 ：开显示；D=0关显示(3)显示起始行设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011显示起始行(063)指令表中DB5DB0为显示起始

30、行的地址，取值在03FH (164行)范 围内，它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的行地址。(4)页面地址设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page(07)页面地址是DDRAM 的行地址。8行为一页，DDRAM 共64行即8页,DB2-DB0 表示 0-7 页。(5)列地址设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001Yaddress (063)列地址是 DDRAM 的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0-3FH(1-64)，代表某一页面上的某一单元地址，列地址计数器在每一次读/写数据后它将自动加一。(6)

31、写显示数据D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010显示数据该操作将8位数据写入先前已确定的显示存储器的单元内。操作完成后列地址计数器自动加一。(7)读显示数据D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011显示数据该操作将12864模块中的DDRAM存储器对应单位中的内容读出，然后列地址计数器自动加一。根据上面指令结合系统要实行的功能，其显示子程序流程如图4.6所示。a）写入16*16汉字程序流程图4.6显示程序流程4.3系统Proteus仿真4.3.1 Proteus软件简介Proteus是英国Labcenter electronics公司研发的EDA

32、设计软件， 是一个 基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。Proteus不仅可以做数字电路、模拟电路、数模混合电路的仿真，还可进行多种CPU 的仿真，涵盖了 51、PIC、AVR、HC11、ARM等处理器，真正实现了在计算机 从原理设计、电路分析、系统仿真、测试到 PCB板完整的电子设计，实现了从 概念到产品的全过程。以下为本系统在 Protues中的仿真流程：（1） 新建文件：打开Protues点File，在弹出的下拉菜单中选择 New Design， 在弹出的图幅选择对话框中选 Default o（2）设置编辑环境：按上述的方法对 Protues的设计

33、环境进行设置。（3） 元器件选取：按设计要求，在对象选择窗口中点P,弹出Pickdevices对话框，在Keywords中填写要选择的元器 件，然后在右边对话框中选中要选的元器 件，则元器件列在对象选择的窗口中如图 4.7所示。本设计所需选用的元器件如下： AT89C51:单片机 RES、RX8、RESPACK-8:电阻、D曲19因宙XXIVCPick Device?|8X51.BUS| MaichWeWffdj?Dsmcc | LH训 |B0C510U5 MCS8051 8051cffiCiIwlCdMorics1Miowwssa IC$排阻、上拉电阻 CRYSTAL:晶振 CAP、CAP-

34、ELEC:电容、电解电容 7805、7812:5V、12V三端稳压块 IN4007 :二极管图4.7 Proteus元器件选取界面 AMPIRE128 64：液晶显示器 OPTOCUPLER-NPN :光电耦合器 BOUTTON :按键 MOTOR-ENCODER :直流电机放置元器件、放置电源和地、连线，得到附录 H所示的系统整体电路，最后进行电气检测。(4)程序编译点菜单 SourceAdd/Remove sou rce Files”在出现的对话框如图4.8中， 选择ASEM51编辑器，将上面的汇编源 程序SEKED.ASM 添加。再点菜单 SourceBuild ALL编译汇编源程序，

35、生成目标代码文件SWLED.HEX。(5) 程序加载图4.8程序添加界面在编辑环境左击单片机然后右击，在弹出的对话框中将编译生成的 HEX文件加 载到芯片中，设单片机的时钟工作频率为 12MHZ。(6) 电路仿真点仿真按键，按照前面介绍的系统使用方法进行仿真。5 系统测试和分析为了确定系统和设计要求的符合程度， 需要进行系统测试和分析， 但是由于试验 调节的制约和时间的限制， 不能完成此次制作， 只能通过软件仿真进行验证， 在这里 使用的是英国的Proteus软件进行测试，有关改软件的使用在前面的章节已经介绍， 在这里不再重复。根据第1章PID参数整定方法的介绍和分析，对于本系统采用经验法进行

36、参数整定，该方法调试的原则为：先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。下面以 PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数K| =0，实际微分系数K d =0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数 K P ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意 的控制过程为止。 取比例系数Kp为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数 K|，同样让扰 动信号作阶跃变化，直至求得满意的控

37、制过程。 积分系数 KI 保持不变， 改变比例系数 KP ，观察控制过程有无改善， 如有改善 则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 K P 增大一些，再调整积分系数 KI ， 力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 K P 和积分系数 K I 为 止。 引入适当的实际微分系数 Kd和实际微分时间Td ,此时可适当增大比例系数 K P 和积分系数 K I 。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过 程满意为止。PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一 般P可在10以上,I在（3、10）之间，D在1左右。小惯量如：一个小电机闭环

38、 控制，一般P在（1、10）之间,I在（0、5）之间,D在（0.1、1）之间,具体参 数要在现场调试时进行修正。根据上诉方法，通过软件仿真系统得出数据如表 5.1所示，通过观察得出该系统 比较合适的P、I、D三者的参数值为：Kp=2, K i =2.2, Kd =0.2。并且可以反映 表5.1测试数据表次数设定Kp设定K|设定Kd设定（r/min）超调里调节时间（s）误差122.20.21008%41%232.20.210015%52%342.20.210022%115%412.20.21005%63%502.20.21001%126%621.10.21006%82%7200.21002%15

39、9%823.30.21008%51%924.40.21009%72%1022.20.11008%61%1122.201006%55%1222.20.31007%51%1322.20.41006%74%出PID调节器各校正环节的作用是:（1）比例环节：Kp值的选取决定于系统的响应速度。增大Kp能提高响应速度， 减小稳态误差；但是，Kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小 Kp可 以减小超调，提高稳定性，但 K p过小会减慢响应速度，延长调节时间；（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏

40、差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。通过上诉的数据分析可知，该系统完成了设计的任务及要求，证实了设计方案的 可行性和设计方法的正确性。附录I部分源程序、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=0xF0;Init_lcd();/设置液晶显示器Clr_Scr();/清屏left();Disp_Chinese(0,0,da

41、n);/单left();Disp_Chinese(0,16,pian);/片left();Disp_Chinese(0,32,ji);/机left();Disp_Chinese(0,48,de);/的right();Disp_Chinese(0,0,shu);/数right();Disp_Chinese(0,16,zi);/字right();Disp_Digit(0,32,dp);/Pright();Disp_Chinese(0,40,di);/Iright();Disp_Digit(0,56,dd);/Dleft();Disp_Chinese(3,16,dian);/ 电left();Dis

42、p_Chinese(3,32,ji);/ 机left();Disp_Chinese(3,48,tiao);/ 调right();Disp_Chinese(3,0,shu0);/ 速right();Disp_Chinese(3,16,xi);/ 系right();Disp_Chinese(3,32,tong);/ 统left();Disp_Chinese(6,48,heng);/ 横线right();Disp_Chinese(6,0,heng);/ 横线right();Disp_Chinese(6,16,jia); right();Disp_Chinese(6,32,xiao); right()

43、;Disp_Chinese(6,48,wei);flag0=0;for( ; ; )/ 等待设置键按下 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(

44、);Disp_Digit(2,36,s0); left();Disp_Digit(2,44,dian0);left();Disp_Digit(2,52,s0); right();Disp_Chinese(2,4,Ki);right();Disp_Digit(2,20,maohao);right();Disp_Digit(2,28,s0);right();Disp_Digit(2,36,s0);right();Disp_Digit(2,44,dian0);right();Disp_Digit(2,52,s0);left();Disp_Chinese(4,4,Kd); left();Disp_Di

45、git(4,20,maohao); left();Disp_Digit(4,28,s0); left();Disp_Digit(4,36,s0); left();Disp_Digit(4,44,dian0); left();Disp_Digit(4,52,s0); right();Disp_Chinese(4,4,V); right();Disp_Digit(4,20,maohao); right();Disp_Digit(4,28,s0); right();Disp_Digit(4,36,s0); right();Disp_Digit(4,44,s0); left();Disp_Chinese(6,4,zhuan); left();Disp_Chinese(6,20,xiang); left();Disp_Digit(6,36,maohao); left();Disp_Chinese(6,44,zheng); flag1=0;for(set=0;)