毕业论文-电机转速PID实时控制系统设计与实现

HUNAN毕业论文论文题目电机转速PID实时控制系统设计与实现学生姓名学生学号专业班级自动化3班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 05月09日摘要电动机广泛应用于现代化的工农业生产和人民生活中，而各种生产对电动机的性能有着不同的要求，如快速起动、制动、反转或稳速运动等等。PID控制在控制理论中是一种成熟的经典控制方法。PID控制器优点在于结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，是工业控制的主要技术之一。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，其完整的公式如下：u利用PID控制算法能够准确对电机转速进行控制，可使电机的运行状态在不同的生产过程中符合要求。本文研究了PID算法在电机转速控制中的应用，设计出基于VC的电机转速PID控制系统。电机转速PID控制硬件平台由PC机（含数据采集卡），变频器，编码器，电机组成，利用VC6.0作为软件平台对电机转速进行实时监测及控制。本文对PID参数进行整定使其达到转速调节的要求，最终设计出调速性能好的电机转速PID控制平台。关键词：PID控制，电机控制，转速调节，PID整定DesignandimplementationofthemotorspeedPIDreal-timecontrolsystemAbstractMotoriswidelyusedinmodernindustrialandagriculturalproductionandthedailylivesofthepeople.Itmeansthemotorperformanceshouldmeetavarietyofdifferentrequirementsintheproduction,suchasfaststarting,braking,reverseorconstantvelocity,andsoon.Incontroltheory,PIDcontrolisamaturemethodofclassicalcontrol.ThePIDcontrollerhastheadvantagesofsimplestructure,goodstability,reliableoperation,convenientadjustment,whichmakeitbecameoneofthemaintechnologiesinindustrialcontrol.ThePIDcontrollercomposedbyratiounit(P),integralunit(I)anddifferentialunit(D).Thecompleteformulaisasfollows:uUsingthePIDcontrolalgorithmcanaccuratelycontroltherotationalspeedofthemotor,whichmeettherequirementsofdifferentproductionprocesses.ThispaperstudiestheapplicationofPIDalgorithminmotorspeedcontrolanddesignsaPIDmotorspeedcontrolsystembasedonVC.MotorspeedPIDcontrolhardwareplatformiscomposedofaPCmachine(includingdataacquisitioncard),inverter,encoderandamotor,usingVC6.0assoftwareplatformofmotorspeedforreal-timemonitoringandcontrol.ThispaperalsosetPIDparameterstomeettherequirementofspeedcontrol.FinallydesignthemotorspeedPIDreal-timecontrolplatformwithgoodspeedperformance.Keywords:PIDcontrol,motorcontrol,speedregulation,settingPIDparameters湖南大学毕业设计(论文)第页目录绪论2课题背景及目的2设计现状和发展趋势2课题研究手段及研究内容3系统硬件平台的设计5硬件平台原理图…….…5各硬件模块分述7电动机…….…………….……………….….7编码器………………………7变频器……9数据采集卡11PCI数据采集卡介绍………………….11PCI功能测试………….14电机转速计算方法……..…...15系统软件设计…….…….………………….………………15PCI软件说明………15PID控制原理………18电机PID调速程序………19VC程序设计………20调试程序及结果…………………….23PID参数整定……………………19Ziegler-Nichols工程整定法……………….………………..19整定过程和结果…………….19小结……………………20致谢……………………20参考文献………………..……...………20附录源程序……………20绪论课题背景及目的电动机在现代化的生产和生活中起着非常重要的作用。无论是在工农业生产、航天航空、国防、交通运输和办公设备中，还是在日常生活中，都大量地使用着各种各样的电动机。而在不同的生产过程中，要使电动机的运行状态满足要求，电动机的转速控制占领着至关重要的位置。在另一方面，PID控制是一种成熟的经典控制方法，其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。运用PID控制对电动机转速进行实时控制，可令电动机转速符合各种各样的要求。研究电机的PID调速方法，对提高转速控制精度和响应速度，还有节约能源等方面也具有重要意义。同时,采用数字化控制可以弥补模拟电路难以实现控制方法的缺点,数字化调速系统与传统模拟系统相比，具有以下特点：提高调速性能采用数字化进行测速，可以在大范围内高精度测速，也提高速度控制的精度。在控制规律上，数字化系统能满足各种控制需求，适用于各种生产过程。提高运行可靠性因为数字化系统零部件数量和触电相比模拟系统较少，很多功能都由软件完成，使整个系统得以简化，所以系统的故障率相对较少。便于检测错误数字化系统中计算机具有存储、显示、记录功能，因此可以对系统的状态进行检测、显示、记录和诊断。在出现错误后，能够在计算机上检测出错误并修改。设计现状和发展趋势从19世纪末起，电动机逐渐开始替代蒸汽机成为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机基本结构没有太大的改变，但是电动机的类型却增加了不少，而且在运行性能，经济指标，稳定性等方面都有了很大的进步和提高。此外，随着计算机技术和自动控制系统的发展，在一般电动机的基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，控制电动机成为电动机学科的一个独立分支。纵观电动机的发展史，可发现每一次的跨越进步都起因于理论方面的革新。因此，可以认为今后的发展需要依靠现有的各种控制理论，并且互相取长补短。另外，可以引入其他学科理论、方法，交叉学科以取得新的突破。近年来，智能控制研究有了新的突破，并在许多领域获得了应用。其中典型的如模糊控制、神经网络控制和基十专家系统的控制。智能控制优点在于无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因此许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究，并预言未来的十年将开创电力电子和运动控制的新纪元。另一方面，控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，并且很多产品已在工程中得到了广泛的应用。PID的概念在1992年被提出，米罗斯基(N.Minorsky)通过对位置控制系统进行分析，并根据PID控制中P、I、D三个参数的控制作用，提出了PID控制公式。在之后将近一百年历史中，通过奈奎斯特(H·Nyquist)和伯德（H·W·Bode）等人不断的完善和技术更新，PID控制成为工业控制中一项可靠和稳定的控制技术。在微处理技术迅速发展之后，PID控制发展也融入新的活力，现在过程控制中大部分控制规律还是主要依靠PID控制。而现在对电机数字调速控制的技术在不停发展和进步，研究工作者也成功把PID控制加入到电机调速控制系统中，进一步提出了自适应PID算法和模糊PID算法等等。课题研究手段及研究内容本设计目标在于创建一个小型电机转速自动控制系统。系统利用PC机作为实验平台，把数据采集卡PCI嵌入PC机中，由此可以实现数据高速的传输（从数据总线到PC机），最后采集系统对数据进行存储和处理。系统以VC软件作为程序平台，C语言作为程序语言，其中软件平台设计主要包括PCI8932驱动程序安装和PID控制程序的设计。其中要想对数据采集卡的信息进行处理必须调用相应的PCI驱动程序，才具有对PCI硬件的直接访问权，对于操作系统，为了实现PCI数据采集卡的相应功能，必须安装相应的设备驱动程序。在控制系统中，可以通过PID控制算法对PID控制器进行控制。大多数的计算机控制系统都是采样数据控制系统。连续时间信号进入计算机后，必须对其进行采样和数量化的处理后，转换成数字量，才能进入计算机的存储器中。本设计的电机转速自动控制系统在电机运行时，编码器采集脉冲，并通过数据采集卡PCI8932的计数器计数，在计算机中处理后得到电机当前转速，PID控制器将设定的给定转速与当前转速比较并计算得出模拟控制量，输出模拟控制量给变频器，驱动电机调节转速。系统硬件平台设计硬件平台原理图图2.1系统硬件平台电机控制系统的硬件平台如图2.1所示，系统由PC机，变频器，数据采集卡，电机，编码器组成。运行原理为：先由PC机软件根据设定转速和实际转速得出模拟控制量输出给变频器，变频器输出对应频率与电压，电机开始运行。此时编码器把测量出的电机实时转速通过数据采集卡反馈给PC机，PC机又可根据测出的实际转速和设定转速得出新的模拟控制量，输出给变频器。如此循环，直至设定转速和实际转速一致，达到调速目的。实物图及流程图如下：图2.2硬件平台实物图开始设定电机转速根据实际转速和设定转速计算模拟控制量(PID)，并输出给变频器电机转动，编码器测速开始设定电机转速根据实际转速和设定转速计算模拟控制量(PID)，并输出给变频器电机转动，编码器测速把速度信息通过数据采集卡传给PC机调速结束？N结束Y图2.4变频器，编码器和数据采集卡的接线图变频器，编码器和数据采集卡的接线图如图2.4所示，变频器的U、V、W三个引脚和三相交流电机的对应引脚连接，L1、L2两个引脚接到交流电源；数据采集卡的模拟输出引脚与变频器模拟输入点VIN相连，模拟地引脚和变频器的模拟共同点连接，门控开关接到高电平；旋转编码器的信号输出线与的计数器引脚相连，供电线和接地线分别与数据采集卡的对应引脚连接在一起，为了抵抗干扰，全部的地线和编码器的屏蔽线都要接地。各硬件模块分述电动机电动机（Motor）是应用“通电线圈在磁场中受力转动的现象”运行的旋转电磁机械，可实现电能转换为机械能。它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子,其导线中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。电动机有很多类型，按驱动电源不同可分为直流电动机和交流电动机，交流电机是定子所形成的旋转磁场在转子上感应出电势后产生旋转动力；直流电机的定子是一个固定磁场，直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场，从而在定子内转动。在电力系统中，一般都是选择交流电机，故在本设计中，也选用了交流电机。编码器若要实现对电机的控制，主要任务是对转子转速的检测，而转子检测的准确性和实时性对控制系统来说至关重要。在控制系统中，电机转速的检测通常采用测速发电机或光电编码器，但由于光电发电机体积很大，而且电压信号容易受到外界环境的干扰，直接导致检测不准确。因此，目前大多数的自动控制系统是采用光电编码器对电机的转速进行检测的。编码器是一种旋转式传感器，它能够把角位移或直线位移信息转换成电数字脉冲。这些脉冲可用于控制角位移，或者把编码器和螺旋杆或齿条结合后，就可直线位移的控制。在编码器中角位移的转换基于光电扫描原理，交替的透光窗口和不透光窗口构成分度盘，读数系统就是基于该径向分度盘的转动。用一个红外光源垂直照射这个系统，盘子和图像就会在光的照射下投射到接收器的表面上，接收器的表面上有一层光栅覆盖着，它具有和光盘相同的窗口，称为准直仪。接收器作用是感受光盘转动时光的变化状况，再把其信息转化成对应的电数字脉冲。本设计利用光电编码盘的测速能力，完成电机转速的测量装置，整个测量装置简洁而且精度较高，符合要求。本设计选用的是增量式光电旋转编码器，增量编码器的码盘如图所示。高分辨率的码盘，也称为圆光栅，其透光窗口和不透光窗口都由细小的狭缝或线条组成。码盘上相邻两个狭缝之间的夹角称为栅距角，透光窗口和不透光窗口均占栅距角的一半。判断码盘分辨率大小的单位是每转计数，每转计数即是码盘转动一周转换成电脉冲信号的脉冲数量。另外，为了产生定位或零位信号，一般在码盘上会有一个特殊的狭缝或线条，测量装置或运动控制系统可利用这个特殊的信号回零或复位。图2.5增量码盘与挡板作用本设计选择的是嵘德系列增量式光电旋转编码器，广泛应用于数控机床、机械、试验机、风力发电、交流伺服电机、电梯、冶金设备、科教仪器、航空航天、设计开发、学术研究等领域。其脉冲数可达2500P/R,属于通用型设备，并具有体积小、质量轻、结构紧凑、安装方便等特点。光电编码器在整个系统中的作用很大，安装在电机的主轴上，是电机转速测量的主要部分，它把信号进行整理译码后，最后输出的是方波信号，并将此信号通过数据采集卡送到计算机上，在计算机上进行算法编程，计算出电机的转速。图2.6R38S系列编码盘嵘德编码器的机械参数和电气参数分别如表所示表2.1编码器电气参数电气参数参数值分辨率10～2500P/R输出电路L电源电压DC5V消耗电流最大150mA响应频率最大100KHz上升/下降时间100ns信号的高电平Vcc70%信号的低电平最大为0.5V表2.SEQ表4.\*ARABIC2编码器机械参数机械参数参数值最大转速6000r/min负载（径向）20N负载（轴向）10N重量0.18Kg防护等级IP50启动力矩1510-4工作温度范围-10度-70度贮存温度范围-20度-80度抗冲击1000m/s2,6ms抗振动100m/s2,10～200Hz变频器变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是基于微电子技术和变频技术，可以电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的电力控制设备。一般变频器的三个输入端（R，S,T）和频率固定的三相交流电源连接，输出端（U，V，W）输出的是在一定范围内频率可调的三相交流电，输出端和电机连接。变频器输出电源的电压和频率的调整是靠内部绝缘栅极型功率管（IGBT）的开断，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。随着工业自动化程度的不断提高，变频器在工业领域得到了重视和广泛的使用。变频器的基本组成：变频器通常分为4部分：高容量电容、整流单元、逆变模块和控制电路。高容量电容：转换后的电能的存储容器。整流单元：把输入端的三相或单相交流电变换为直流电。逆变模块：由IGBT管、相应的驱动控制和保护电路构成，实现直流电逆变为不同频率、幅度、宽度的交流电功能。控制电路：将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极(基极)驱动信号。在本设计中，由于电机的转速是随着频率变化的，所以可以通过变频器改变频率大小，进而改变电机转速，达到电机转速调节的目的。其中，频率与电机实际转速的关系如下：其中，表示异步电机的同步转速，单位是；表示电源频率，单位是；表示电动机的磁极对数；转差量S的定义如下：，是电机的实际转速。变频器按照电压的调制方式可分为两种，脉幅调制（）和脉宽调制（PWM）。PWM是英文PulseWidthModulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。PAM是英文PulseAmplitudeModulation(脉冲幅值调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。本设计采用的是脉宽调制（PWM）。本设计选用的变频器是台安科技E2系列，如图2.7所示。图2.7台安科技E2系列变频器本设计在变频器上主要用到的引脚功能如下：变频器主要用到的引脚功能说明端子符号功能说明L1(R)L2(S)L3(T)主电源的输入单相机种：L1/L2三相机种：L1/L2/L3T1(U)，T2(V)，T3(W)变频器的输出VIN（模拟输入点）模拟频率信号的输入端子0V模拟信号的共同点由于是单相机种，故选用L1、L2作为主电源输入，变频器的输出是T1、T2、T3，与电机对应地接在一起，变频器要接地。数据采集卡和变频器的VIN及0V连接，这样就可以将其模拟信号输出给变频器，进而驱动电机运行。系统运行时，变频器的控制方式应选择：功能选择F_11（频率控制），采用外部端子控制（01），在选择好控制方式后，按下运行。数据采集卡PCI数据采集卡介绍本设计采用的是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程监控系统。实物图如下：图2.8PCI8932实物图各主要元件的大体功能：信号的输入输出连接器CN1；信号的输入输出连接器P1：开关量的输入信号端口P2：开关量的输出信号端口电位器RP4、RP7、RP3、RP8：DA模拟量信号VOUT0~VOUT3的零点调节电位器RP6、RP9、RP5、RP10：DA模拟量信号VOUT0~VOUT3的满度调节电位器跳线器JP2、JP4：DA模拟量VOUT0的输出量程设置JP5、JP7：DA模拟量VOUT1的输出量程设置JP1、JP3：DA模拟量VOUT2的输出量程设置JP6、JP8：DA模拟量VOUT3的输出量程设置指示灯ADRead：AD工作状态指示灯物理ID拨码开关D1D1：设置物理ID号，当PC机中安装的多块PCI8932时，可以拨码开关设置每一块板卡的物理ID号，这样使得用户方便的在硬件配置和软件编程过程中区分和访问每块板卡。信号输入输出连接器管脚定义如图2.9图2.9数据采集卡、编码器和变频器的连接方式如图2.4所示。PCI8932数据采集卡的减法计数器共有六种方式。在本设计中，采用计数结束产生中断方式进行减法计数，GATE引脚应该接到高电平。计数结束后产生中断需要GATE引脚为高电平才能重新开始计数。所以，需要先给计数器赋一个初值n，当门控信号GATE为高电平时[49]，计数器开始做减1计数，计数器的输出信号OUT为低电平，当计数结束时，OUT变为高电平，当计数器重新装入初值或者复位时OUT信号才会变成低电平。当如果对正在做减数计数的计数器重新赋值时，计数器会从新装入的初值开始做减量计数。而输出信号OUT由低电平变为高电平就可以作为中断请求信号。输入变频器的直流电压的量程范围是0-10V，所以PCI8932的DA模拟量的输出要进行校准，通过调整跳线器JP2和JP4，使模拟量输出（本系统选择VOUT0通道）的电压量程为0-10V。其中VOUT0通道输出量程的选择示意图如下:图2.10VOUT0通道输出量程选择示意图PCI功能测试数据采集卡计数器测试：运行PCI8932阿尔泰驱动演示系统，选择计数器测试功能，因为本设计选择的输入通道为CLK1，故输入数值到计数器1中。计数初值为1000000，计数方式0、计数结束产生中断。按下“开始计数测量”后，计数器1开始计数，测试结果如下：图2.11数据采集卡计数图PCI8932测试程序的DA输出测试：DA输出测试中选择VOUT0通道，先运行PCI8932阿尔泰驱动演示系统，功能选择为DA输出检测，其中写入PCI8932设备DAData的范围是0-4095，设备输出电压值的范围是0-10，变频器的频率范围是0-50。首先，设置界面上的“只输出恒定值（Lsb）”为0，即DAData为0，结果界面上的“电压值”显示为0.00，观察变频器上的读数为0。慢慢增大设置界面上的“只输出恒定值（Lsb）”，发现“电压值”和频率都随“只输出恒定值（Lsb）”和DAData的增大而增大，最后当设置界面上的“只输出恒定值”为4095，即DAData为4095，则界面上的“电压值”显示为9997.56，观察变频器的频率显示为50。由此可得出“只输出恒定值（Lsb）”，DAData,“电压值”，频率均成正比例关系。2.2.4电机转速计算方法搭建好硬件平台后，便可根据数据计算电机转速。计算方法如下：电机启动后，因为只采用一个计数器0（即是CLK0）来计数，在计数的过程中首先给计数器赋一个初值，计数器便开始作减1计数，当定时器1s时间到，上次计数值与当前计数值的差值就是1s时间内接受的脉冲个数，又因为编码器转一转有1000个脉冲，所以用计数值与当前计数值的差值除以1000，根据一分钟有60秒则再乘以60便可得出电机的转速（r/min）。系统软件设计PCI软件说明在用VC6.0编程前，首先将PCI8932.h和PCI8932.lib两个驱动库文件从相应的演示程序文件夹下复制到源程序文件夹中，然后，为了使用方便，避免重复定义和包含，最好将#include"PCI8932.h"语句放在StdAfx.h文件。一旦完成了以上工作，就可以非常简单、方便地调用的驱动程序PCI驱动程序是面向对象的编程，面向对象含义是把构成问题事务分解成各个对象，建立对象的目的不是为了完成一个步骤，而是为了描叙某个事物在整个解决问题的步骤中的行为。在使用PCI设备的功能前，必须首先用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice，有了这个句柄，就拥有了对该设备的绝对控制权。然后将此句柄作为参数传递给相应的驱动函数，如InitDeviceAD可以使用hDevice句柄以程序查询方式初始化设备的AD部件。最后要通过ReleaseDevice将hDevice释放掉。在本设计中，调用PCI驱动程序的过程如下：流程图：开始开始CreateDevice创建设备SetDeviceCNT设置计数初值和计数方式GetDeviceCNT取得计数当前值PID控制程序计算WriteDevice输出数据ReleaseDevice释放设备结束图3.1调用PCI驱动程序流程图PCI驱动程序函数功能介绍：CreateDevice函数函数原型：CreateDevice(DevicelgcID=0)功能：该函数负责创建设备对象，并返回设备对象句柄。参数：DevicelgcID设备逻辑ID（Identifier）标识号。当同一个windows系统中加入若干个相同类型的PCI设备时，系统将以该设备的“基本名称”与DevicelgcID的标识值为名称后缀作为标示符来确认和管理这个设备。比如，当添加第一个PCI8932AD模板时，系统以PCI8932作为基本名称，以设备的标识符PCI8932_0来确认和管理这一设备。当系统加入第二个设备时，系统就以PCI8932_1来确认和管理第二个设备，若再添加，则依次类推。所以用户要创建设备句柄管理和操作第一个设备时，DevicelgcID应置0，第二个设备置1。依此类推，默认值为0。返回值：如果执行成功，则返回设备句柄对象，如果执行失败，则返回错误码。由于此函数已带容错处理，当出错时，会弹出出错原因的对话框。只需对此函数的返回值作一个条件处理即可。SetDeviceCNT函数函数原型：SetDeviceCNT(hDevice,ControlMode,CNTVal,ulChannel)功能为：设置计数器的初值参数：设置对象操作句柄,它由CreateDevice创建ControlMode方式控制字，其选项值如下表：表3.1ControlMode方式控制字模式表CNTVal计数初值ulChannel计数器通道选择，取值为[0,2]GetDeviceCNT函数函数原型：GetDeviceCNT(hDevice,pCNTVal,ulChannel)功能：取得各路计数器的当前计数值参数：hDevice：设备对象句柄，它应由函数创建。pCNTVal：取得计数值。ulChannel：计数器通道选择，取值为[0,2]。返回值：若成功，返回，失败返回。WriteDeviceDA函数函数原型：WriteDeviceDA(hDevice,nDAData,nDAChannel)功能：输出DA原始数据到CN1上的VOUT0上，在本设计中即将模拟信号输出到指定通道VOUT0上。参数：hDevice设备对象句柄，它应有CreateDevice创建。nDAData指输出的DA原始码数据，它的取值范围为[0,4095]。nDAChannel需要指定的模拟量通道号，其取值范围为[0,3]。返回值：若成功，返True,输出DA原始数据到CN1上的VOUT0上；否则返回False。ReleaseDevice函数函数原型：ReleaseDevice(hDevice)功能：释放设备本身及所占用的系统资源。参数：hDevice设备对象句柄，它应由CreateDevice创建。返回值：若成功，则返回True，否则返回False。PID控制原理PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法。当不能完全掌握被控对象的结构和参数、被控对象精确的数学模型无法得到和难以采用控制理论的其它技术时，意味着必须通过以往经验和现场实验来确定系统控制器的参数和具体结构，为了解决这个问题PID控制被引入了。PID控制器是一种比例、积分、微分控制器。比例作用P的加入可以加快系统的响应速度，即使系统的输出值加快，但缺点会造成输出值不能稳定在一个理想的状况，比例系数的引入虽然能有效地克服扰动影响，但会出现余差。并且，一个过大比例系数的加入会造成过大的超调量，同时会产生振荡，破坏系统的稳定性。积分作用I可以减小系统的稳态误差，它能对稳定后有误差累积的系统进行误差修整，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。微分作用D具有超前性，它能反映偏差信号的变化趋势，同时能在偏差信号变得太大之前，提前引入一个有效的修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。它可以减小系统的超调量，提高系统稳定性，减小动态误差。以下是常用的各种控制规律的控制特点：1、比例控制P：上面已经说明，采用P控制能较快地克服扰动的影响，它的作用是能够加快输出值，但不能使输出值很好地稳定于一个理想的数值。P控制器适用于控制要求不高、负荷变化不大、控制通道滞后较小而且被控参数在一定范围内允许有余差出现的场合。2、比例积分控制(PI)：比例积分控制在工程中是应用比较多的一种控制规律，它抵抗D调节造成的干扰。PI控制器利用I调节来消除余差，同时P调节可以使系统稳定，但控制器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用具有很大的滞后性，不利于系统的稳定性。所以PI控制器适用于系统滞后较小、而被控参数又不允许有余差的情况。3、比例微分控制(PD)：微分作用具有超前调节的功能，因此引入微分作用控制，对于具有容量滞后的控制通道能够提高系统的动态性能指标。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。另外补充说明一点，微分作用对于那些纯滞后较大的区域里是无能为力的，并且在测量信号有噪声或周期性振动的系统，也不宜加入微分控制。4、比例积分微分控制(PID)：PID控制是结合P、I、D三种控制规律的控制器，它是一种较全面的控制规律。PID控制器稳定性好，能够消除稳态误差和余差，满足工业控制的需求。在控制要求比较高的场合，一般都使用PID控制器。电机PID调速程序在本次设计中，主要利用PID算法公式根据设定转速和实际转速计算模拟输入量。其中本设计PID算法如下：u其中，Kp，KI，Ku(k)为当前时刻的输出值，e(k)为当前时刻给定值和实际值的偏差,在设计中即当前时刻设定速度与实际速度的偏差e(k-1)为上一时刻给定值和实际值的偏差，在设计中即上一时刻设定速度与实际速度的偏差因为

u可知u故u最后可得u以上式作为PID控制程序的算法，可得PID控制程序如下：e(k)=setspeed-curspeedif((-0.1<=e(k))&&(e(k)<=0.1)){ u(k)=u(k-1);}else{ u(k)=u(k-1)+P*[e(k)-e(k-1)]+I*e(k)+D*[e(k)-e(k-2)]}e(k-2)=e(k-1);e(k-1)=e(k);u(k-1)=u(k);VC程序设计第一步，新建一个基本对话框方法：打开VC，在菜单中找到"文件->新建"。在左边的窗口中选择工程”MFCAppWizard”，填写工程名称，选择工程所在的文件夹位置，点击确定。之后选择基于对话框的方式图3.2新建对话框第二步，添加对应控件方法：在出现的界面中，用鼠标点下右边的工具条上的对应控件，比如：按钮（Button），接着可在右边的对话框上空白处按住鼠标左键拖画出一个按钮。图3.3添加控件第三部，使用类向导给控件关联变量方法：右击控件-建立类向导-选成员变量页,在该页中选要关联哪个类中的控件,然后单击添加变量,输入变量名,选择该变量的类型。一般类型分2类,一种直接就是控件类型,比如CTEXT类型(对该类型的变量的操作等同与对该控件的操作)；一种是值类型,对该变量的操作要使用UpdateDate(boolean)函数,该函数是更新控件跟变量之间的值。本设计选择CTEXT类型。图3.4控件关联变量第四步，编写各控件程序，添加定时器图3.5编写程序调试程序及结果程序编写完毕后，进行调试。程序没有错误，运行结果如下：图3.6程序运行结果输入任意P、I、D值和设定速度，测试结果如下：PID参数整定PID有很多参数整定的方法，总体而言可分为两大类：第一类为理论计算整定法。这类方法是根据系统的具体数学模型，再根据理论计算得出PID控制器的参数数值。但这类方法所计算的数据不一定符合要求，还必须根据工程实际进行参数的调整和修改。第二类是工程整定方法。它不仅根据工程经验，而且需要在控制系统的实际试验中进行，其方法简单、易于掌握，这类方法被广泛采用在工程实际中。本设计使用的Ziegler-Nichols工程整定法就属于这类方法。Ziegler-Nichols工程整定法JohnZiegler（Zeke）和NathanielNichols是Ziegler-Nichols工程整定法的发现者和提出者，他们提出的回路整定技术大大加强了PID算法在工程领域的应用性，使PID控制器更为简便地运用到各种工业控制。Ziegler-Nichols工程整定技术在1942年提出，并且直到现在还被广泛地应用着。Ziegler和Nichols提出了一个回路整定方法。他们设计了一个对定量过程的行为的实验，这个实验具体为：使过程作用改变后，记录过程变量改变了多少以及过程变量改变速度。之后，他们将得出的测试结果加以分析，转化为PID控制器的正确的性能设置参数或者整定参数，总结出了一套经验公式。PID回路的“整定”实际上是指调整控制器对实际测量得到的过程变量值与理想值之间的误差产生的反作用的积极程度。如果正巧控制过程是相对缓慢的话，那么PID算法可以设置成只要有一个随机的干扰改变了过程变量或者一个操作改变了设定值时，就能采取快速和显著的动作。相反地，如果控制过程对执行器是特别地灵敏而控制器是用来操作过程变量的话，那么PID算法必须在比较长的一段时间内应用更为保守的校正力。回路整定的本质就是确定对控制器作用产生的过程反作用的积极程度和PID算法对消除误差可以提供多大的帮助。传统的PID整定方法大体步骤如下所述：关闭控制器的积分作用和微分作用，放大比例作用P，使系统产生振荡。