基于PID控制的直流电机调速系统设计

..基于PID控制的直流电机调速系统【摘要】：在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电机进展驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越准确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的开展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进展准确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的开展，PID控制技术应用越来越广泛，数字控制系统有控制准确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。本设计以上面提到的数字PID为根本控制算法，以单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用霍尔传感器将电机速度转换成脉冲频率反响到单片机中，实现转速闭环控制，到达转速无静差调节的目的。【关键词】:直流电机；单片机；霍尔传感器；PID控制【Abstract】：Inindustrialautomaticcontrolsystemsandavarietyofsmartproductsareoftenusedtodriveelectricmotor,transmissionandcontrol,andmodernintelligentcontrolsystems,motorcontrolrequirementsformoreaccurateandrapidadaptationtotheenvironmenthavebeeincreasinglydemandinghigh.Withthedevelopmentoftechnology,throughthetransformationofthemotor,therearesomerequirementsofthemotorforvariousapplicationssuchasservomotors,steppermotors,switchedreluctancemotorsandothernon-traditionalmotor.However,insomeofthelessdemandingpositioncontrolmotorcontrolsystemssuchastransmissioncontrolsystems,suchasconventionalDCmotorsisagreatadvantage,buttobepreciseandquickcontrol,weneedaplexcontrolsystem.Withthedevelopmentofmicroelectronicsandputers,PIDcontroltechnologybeesmorewidespread,digitalcontrolsystem,precisecontrolandsimplehardwareimplementation,subjecttoenvironmentalimpact,functionalplexity,systemchangessimple,goodman-machineinterfaceandotherexchangecharacteristics.Thedesignfortheabove-mentionedbasicdigitalPIDcontrolalgorithmforthecontrolofthemicrocontrollercore,producedbythedigitalPIDalgorithmtocontrolthedutycycleofthePWMpulsetoachievetheDCmotorspeedcontrol.AtthesametimetheuseofHallsensorsintopulsefrequencymotorspeedfeedbacktothemicrocontrollertoachieveclosed-loopspeedcontrol,toadjustthespeedofthepurposeofstaticerror-free.【Keywords】：DCmotor;single-chipMicroputer;hall

position

sensor;PIDcontrol目录TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论11.1本课程的选题背景11.2直流电机简介21.3系统开发软硬件概述91.4本课题研究的根本容122直流电机PID调速系统设计方案132.1系统总体设计方案132.2系统设计原理283直流电机PID系统硬件设计363.1H桥驱动电路设计方案363.2调速设计方案373.3系统硬件电路设计383.4基于单片机控制流程404直流电机PID系统软件设计424.1如何应用PID控制电机转速424.2调速系统主程序原理框图484.3中断效劳程序原理框图495结论516致517参考文献528附录53.PAGE.绪论本课程的选题背景PID控制器〔按闭环系统误差的比例、积分和微分进展控制的调节器〕自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的开展和广泛的应用。它的构造简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经历。特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的准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消耗很大代价，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性，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机部实现的。PWM控制的根本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件开展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速开展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的开展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的开展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的开展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术开展的主要方向之一。在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进展修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现和开展，可用计算机对电机控制系统进展仿真，从而减小系统开发开支和周期。计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进展计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进展准确的预测，如Proteus就是一个典型的实时仿真软件。实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进展仿真，本系统即用Proteus对直流电机控制系统进展仿真。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反响给单片机，在部进展PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。直流电机简介直流电机的开展历史电机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台电机。电机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。电机在雅克比手上还有进一步的开展，他制造了一个大型的装置为小艇提供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只到达了2.2公里，但这不影响电机实验的成功。电机的另一个开展者美国的达文波特，在几乎一样的时间里，也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机本钱太大，几乎没有商业价值。电机被广泛应用的推动力来自直流电机的问世，在1870年时比利时的工程师格拉姆创造了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电机的效率进展提高。电机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声。直流电机的特点直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁〔直流继电器、直流接触器等〕外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精细机床、矿井卷扬机、市电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电机作为原动机来拖开工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电机那么是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电机的用途各不同，但是它们的构造根本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，本钱高，运行中的维护检修也比拟麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电机的调速性能，并且大量代替直流电机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条根本原那么制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从构造上来看，任何电机都包括磁场局部和电路局部。从上述原理可见，任何电机都表达着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的构造和工作原理，就是讨论直流电机中的"磁〞和"电〞如何相互作用，相互制约，以及表达两者之间相互关系的物理量和现象〔电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反响等〕。直流电机的分类一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。他励直流电机由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁缺乏，那么从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，那么电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的开展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压根本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比拟快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态到达快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，那么励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在构造设计时必须加以考虑。自励直流电机利用电机自身所发电功率的一局部供给本身的励磁需要。电机采用自励时，不需要外界单独的励磁电源,设备比拟简单。但如果原先电机部没有磁场,它就不可能产生电动势，也就不可能进展自励。所以实现自励的条件是电机部必须有剩磁。自励系统又可分为并励和复励两种。并励指仅由同步电机的电压取得能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。并励发电机进展自励的条件和起励过程如图1和图2所示。图1是并励直流发电机的原理接线图。图2为其起励过程。其中曲线1为发电机的磁化曲线Φ＝f(If)。由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线1同时也就是电机的空载特性曲线E0=f(If)，即电机的感应电动势与励磁电流If之间的关系。而曲线2为励磁回路的电阻特性U＝If·∑R,它表示励磁电流与电机电压之间的关系。它实际是一条斜率为ΣR的直线。其中∑R为励磁回路的总电阻，它包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻Rr。直流电机的构造及根本工作原理直流电机的构造分为两局部：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。〔1〕定子定子就是发动机中固定不动的局部，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯〔极心和极掌〕和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一局部，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。直流电机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系由由有螺旋法那么确定。在微型直流电机中，也有用永久磁铁作磁极的。〔2〕转子转子是电机的转动局部，主要由电枢和换向器组成。电枢是电机中产生感应电动势的局部，主要包括电枢铁芯和点数饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，外表冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称"电枢〞。换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规那么焊接在换向片突出的叉口中。在换向器外表用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组的交流电流。直流电机的根本工作原理导体受力的方向用左手定那么确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克制电枢上的阻转矩〔例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩〕，电枢就能按逆时针方向旋转起来。图1-1直流电机的原理模型当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。直流电机的机械特性直流电机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。下面一常用的他励和并励电机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。图1-2直流电机的接线图图1-2是他励和并励直流电机的接线原理图。他励电机的励磁绕组与电枢是别离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电机中两者是并联的，由同一电压U供电。并励电机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：U=E+RaIa即：Ia=〔Ra为电枢电压〕I=Ia+If≈Ia当电源电压U和励磁电路的电阻Rf保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通Φ也保持不变，即Φ=常数。那么电机的转距也就和电枢电流成正比，T=KTΦIa=KIa这是并励电机的特点。当电机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电机的转速、电流及电磁转距等发生变化。，称为：ΔnΔnTNTnNn0n式中并励电机的起动与反转：并励电机在稳定运行时，其电枢电流位：因电枢电阻Ra很小，所以电机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等。在起动时，n=0，所以E＝kEΦn＝0。这时电枢电流及起动电流为：由于Ra很小，因此起动电流Iast可达额定电流IN的10～20倍，这时不允许的。同时并励电机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。这时起动电枢中的起动电流的初始值为：那么起动电阻为：一般：Iast=〔1.5～2.5〕IN起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电机转速的上升，再把它逐段切除。注意：直流电机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开〔满励磁起动〕。普那么，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：要改变电机的转动方向，就必须改变电磁转距T的方向，可通过改变磁通Φ〔励磁电流〕或电枢电流Ia的方向实现。1.并励电机的调速电机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。由转速公式：可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。2.改变磁通Φ〔调磁调速〕当保持电源电压U为额定值不变时，调节励磁电路的电阻，改变励磁电流If而改变磁通Φ。由式可见，当磁通Φ减小时，n0升高了，转速降Δn也增大了；但Δn与Φ2成正比，所以磁通愈小，机械特性曲线也愈陡，但仍有一定的硬度。见图1-4TcTcn2n1n0UnnNnT小减通磁图1-4改变时的机械特性曲线由于电机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一定负载下，通常是减小磁通调速〔Φ＜ΦN〕，转速上调〔n＞nN〕。系统开发软硬件概述单片机最小系统〔图1〕单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。〔图1〕对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图〔图1〕：图1图1详细说明如下：复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C

取10u，R取10K。原那么就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。〔2〕晶振电路：典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生准确的uS级时歇,方便定时操作)，在本电路中，取12M。〔3〕单片机：一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。对于31脚(EA/Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从部ROM的0000H开场执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开场执行。ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个(Vcc和GND)，晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：P0端口P0.0-P0.7共8个；P1端口P1.0-P1.7共8个；P2端口P2.0-P2.7共8个；P3端口P3.0-P3.7共8个；Proteus仿真软件简介ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、存放器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。Proteus主要用于绘制原理图并可进展电路仿真，ProteusARES主要用于PCB设计。ISIS的主界面主要包括：1是电路图概览区、2是元器件列表区、3是绘图区。绘制电路图的过程如下：单击2区的P命令即弹出元器件选择〔PickDevices〕对话框，Proteus提供了丰富的元器件资源，包括30余种元器件库，有些元器件库还具有子库。利用该对话框提供的关键词〔Keywords〕搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果〔Results〕中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK按钮，返回主界面。接着在2区中选中某一个元器件名称，直接在3区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3区。由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国不同一样。单击左键是完成在2区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键那么是选中该元器件〔呈现红色〕，假设再次单击右键的话那么删除该元器件，而单击左键的话那么会弹出该元器件的编辑对话框〔Editponent〕；假设不需再选中任何元器件，那么将鼠标置于3区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，那么选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个"×〞符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号"×〞，此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。绘制好电路后，可利用1区的绿色边框对3区的电路进展定位。Keil编译及调试软件简介目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision〔通常称为μV2〕。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，由以下几局部组成：μVisionIDE集成开发环境〔包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器〕、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。应用Keil进展软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存——建立工程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调试。Keil使用"工程〞〔Project〕的概念，对工程〔而不能对单一的源程序〕进展编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File—New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序〔或选择File—Open…，直接翻开已用其他编辑器编辑好的源程序文档〕并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm〔.a51〕或.c；然后选择菜单Project—NewProject…，建立新工程并保存〔保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2〕；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页〔Files〕会出现"Target1〞，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择"AddFiletoGroup‘SourceGroup1’〞，出现一个对话框，要求寻找并参加源文件〔在参加一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续参加其他文件〕。参加文件后点close返回主界面，展开"SourceGroup1”前面+号，就会看到所参加的文件，双击文件名，即可翻开该源程序文件。紧接着对工程进展设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project—OptionforTarget’Target1’〔或点右键弹出快捷菜单再选择该选项〕，翻开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中"CreatHexFi成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug—Start/StopDebugSession〔或按Ctrl+F5键〕进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行〔按F11或选择Debug—Step〕、过程单步执行〔按F10或选择Debug—StepOver〕、全速执行等多种运行方式进展程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进展在线修改〔Debug—InlineAssambly…〕，不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进展编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件〔如按键被按下等〕才能被执行的、难以用单步执行方式进展调试的程序行，可采用断点设置的方法处理〔Debug—Insert/RemoveBreakpoint或Debug—Breakpoints…等〕。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。Keil软件Eval版〔免费产品〕的功能与商业版一样，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢送，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。本课题研究的根本容学习PID控制直流电机的设计方法；学习PWM控制理论；学习数字PID算法在单片机上的实现方法。直流电机PID调速系统设计方案系统总体设计方案调速方案比拟及选择〔一〕方案一：PWM波调速采用由达林顿管组成的H型PWM电路〔图2—1〕。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，准确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电机在运转时比拟稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比拟方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许围。图2-1PWM波调速电路其构造图如图2-2所示：单片机〔速度的测量计算、输入设定及系统控制〕单片机〔速度的测量计算、输入设定及系统控制〕霍尔传感器速度采集单片机〔PID运算控制器、PWM模拟发生器〕直流电动机电机驱动电路图2-2电机PID调速系统总体设计框图〔二〕方案二：晶闸管调速采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电机调速系统。1957年，晶闸管〔俗称"可控硅〞〕问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统〔V-M系统〕。如图1-3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统〔V-M系统〕代替旋转变流机组直流电机调速系统〔G-M系统〕，得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，假设超过允许值会在很短的时间损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成"电力公害〞，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。检测方案选择电机控制系统号检测是必不可少的，不仅开环控制状态的极限控制需要，如过电流、过电压、过热和欠电压等严重影响系统正常工作的信号，而且对于绝大多数闭环控制系统，状态信息的检测更是不可缺少，即进展实时检测并利用检测信号控制电机的正常运行。检测信号分为电量和非电量两类。电量有电流、电压、电荷量和电功率等。在检测系统中占绝大多数检测信号属于非电量信号，如位置、速度等。在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、电压、转子位置和转速等物理量。下面分别介绍这些物理量的检测方法。

1.霍尔传感器检测方案

位置传感器主要用于转子位置检测和速度计算，为了正确的获得转子位置信息，不仅要合理地设计转子位置传感器与单片机的接口，还要考虑位置信号处理的方法。合理选择测速元件，这里我们选择霍尔传感器作为测速元件。2.霍尔传感器〔1〕霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。图2-4霍尔元件接线图：图2-5霍尔原件接线图霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如下图，是其中一种型号的外形图。〔2〕霍尔效应如图2-3所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：。图2-3霍尔原理图式中d为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。〔3〕霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、构造简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。2.霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。3.霍尔传感器的特性〔1〕线性型霍尔传感器的特性图2-5电压与外磁场关系输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图2-5所示，可见，在B1～B2的磁感应强度围有较好的线性度，磁感应强度超出此围时那么呈现饱和状态。〔2〕开关型霍尔传感器的特性如图2-6所示，其中BOP为工作点"开〞的磁感应强度，BRP为释放点"关〞的磁感应强度。图2-6霍尔原件特性B图2-6霍尔原件特性BV0OBrpBopV+onoff另外还有一种"锁键型〞〔或称"锁存型〞〕开关型霍尔传感器，其特性如图2-7所示。V0V0BopOBrpB图2-7锁键型特性当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变〔即锁存状态〕，必须施加反向磁感应强度到达BRP时，才能使电平产生变化。4.霍尔传感器的应用按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进展检测和控制。线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：1．电流传感器由于通电螺线管部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。2-8霍尔电流传感器原理图霍尔电流传感器工作原理如图2-8所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，那么霍尔传感器有信号输出。2．位移测量如图2-9所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。图2-9位移测量如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图2-10所示，是按这一原理制成的力传感器。图2-10压力传感器开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。1．测转速或转数如图2-11所示，，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数〔计数器〕，假设接入频率计，便可测出转速。图2-11霍尔传感器测转速如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。单片机的选择AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程〔ISP〕也可用传统方法进展编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容4K字节在系统编程〔ISP〕Flash闪速存储器1000次擦写周期4.0-5.5V的工作电压围全静态工作模式：0HZ-33MHZ三级程序加密锁128*8字节部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模式唤醒系统看门狗〔WDT〕及双数据指针掉电标示和快速编程特性AT89S51引脚图如以下图：2-12AT89S51引脚图1.功能特性概述：AT89S51提供以下标准功能：4K字节闪速存储器，128字节部RAM，32个I/O口线，看门狗〔WDT〕，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断构造，一个全双工串行通信口，片振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停顿CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中到容，但振荡器停顿工作并制止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。引脚功能说明：Vcc:电源电压GND:地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写"1”在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址〔低8位〕和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写"1”P2口：P2口是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写"1”在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器〔例如执行MOVEDPTR指令〕时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器〔如执行MOVXRi指令〕时，P2口线上的容〔也即特殊功能存放器〔SFR〕〕区中P2存放器的容〕，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。P3口：P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对P3口写入"1”P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位〔地址8EH〕可翻开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平翻开状态。ALE/~PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址所存允许〕输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲〔~PROG〕。如有必要，可通过对特殊功能存放器〔SFR〕区中的8EH单元的D0位置位，可制止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。~PSEN：程序储存允许〔~PSEN〕输出是外部程序存储器的选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次~PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的~PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器〔地址为0000HFFFFH〕，EA端必须保持低电平〔接地〕。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时部会所存EA端状态。如EA端为高电平〔接VCC端〕，CPU那么执行部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。XTAL1：振荡器反相放大器及部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。双时钟指针存放器：为更方便地访问部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针存放器：DP0位于SFR〔特殊功能存放器〕区块中的地址82H、83H、和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0选择DP0，而DPS=1那么选择DP1。用户应在访问相应的数据指针存放器前初始化DPS位。电源空闲标志：电源空闲标志〔POF〕在特殊功能存放器SFR中PCON的第四位〔PCON.4〕，电源翻开时POF置"1〞，它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。2.存储器构造：MCS-51单片机核采用程序存储器和数据存储器空间分开的构造，均具有64K外部程序和数据的寻址空间。3.程序存储器：如果EA引脚接地〔GND〕，全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假设EA接至VCC〔电源+〕，程序首先执行地址从0000HFFFFH〔4KB〕部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH〔60KB〕的外部程序存储器。4.数据存储器：AT89S51具有128字节的部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进展，128字节均可设置为堆栈区空间。5.看门狗定时器〔WDT〕：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR〔WDTRST〕构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要翻开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST存放器〔SFR地址为0A6H〕，当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。6.使用看门狗〔WDT〕：翻开WDT需按次序写01EH和0E1H到WDTRST存放器〔SFR的地址为0A6H〕，当WDT翻开后，需在一定得时候写01EH和0E1H到WDTRST存放器以防止WDT计数溢出。14位WDT计数器计数到达16383〔3FFFH〕，WDT将溢出并使器件复位。WDT翻开时，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，这意味着用户必须在小于每个16383机器周期复位WDT，也即写01EH和0E1H到WDTRST存放器，WDTRST为只写存放器。WDT计数器既不可读也不可写，当WDT溢出时，通常将RST引脚输出高电平的复位脉冲。复位脉冲持续时间为98xTOSC，而TOSC=1/FOSC〔晶体振荡频率〕。为使WDT工作最优化，必须在适宜的程序代码时间段周期地复位WDT防止WDT溢出。7.掉电和空闲时的WDT：掉电时期，晶体振荡停顿，WDT也停顿。掉电模式下，用户不能再复位WDT。有两种方法可退出掉电模式：硬件复位或通过激活外部中断。当硬件复位退出掉电模式时，处理WDT可像通常的上电复位一样。当由中断退出掉电模式那么有所不同，中断低电平状态持续到晶体振荡稳定，当中断电平变为高即响应中断效劳。为防止中断误复位，当器件复位，中断引脚持续为低时，WDT并未开场计数，直到中断引脚被拉高为止。这为在掉电模式前复位WDT。为保证WDT在退出掉电模式时极端情况下不溢出，最好在进入掉电模式前复位WDT.。在进入空闲模式前，WDT翻开时，WDT是否继续由SFR中的AUXR的WDIDLE位决定，在IDLE期间〔位WDIDLE=0〕默认状态是继续计数。为防止AT89S51从空闲模式中复位，用户应周期性地设置定时器，重新进入空闲模式。当位WDIDLE被置位，在空闲模式中WDT将停顿计数，直到从空闲〔IDLE〕模式中退出重新开场计数。8.UART通用异步通信口：AT89S51的UART操作与AT89C51一样。异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。9.定时器0和定时器1：AT89S51的定时器0和定时器1操作与AT89C51一样。T0:记时器0外部输入；T1:记时器1外部输入。10.中断：AT89S51共有5个中断向量：2个外部中断〔INT0和INT1〕，两个定时中断〔Timer0和Timer1〕和一个串行中断。这些中断如图1.这些中断源各自的制止和使能位参见特殊功能存放器的IE。IE也包含总中断控制位EA，EA清0，将关闭所有中断。值得注意的是表4中的IE.6和IE.5没有定义，用户也不要访问这些位，它是保存为以后的AT89产品作扩展用途。定时器0和定时器1的中断标志TF0和TF1，它是定时器溢出时的S5P2时序周期被置位，该标志保存至下个时序周期。11.晶体振荡器特性：AT89S51中有一个用于构成部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反响元件的片外石英晶体或瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5.外接石英晶体〔或瓷谐振器〕及电容C1、C2接在放大器的反响回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐使用30pF+/-10pF，而如使用瓷谐振器建议选择40pF+/-10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图5右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即部时钟发生器的输入端，XTAL2端那么悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。12.空闲节电模式：在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片RAM和所有特殊功能存放器的容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开场继续执行程序的，要完成部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期〔24个时钟周期〕有效，在这种情况下，部制止CPU访问片RAM，而允许访问其他端口。为了防止在复位完毕时可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。13.掉电模式：在掉电模式下，振荡器停顿工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片RAM和特殊功能存放器的容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的方法是硬件复位或由处于使能状态的外中断INT0和INT1激活。复位后将重新定义全部特殊功能存放器但不改变RAM中的容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。14.程序存储器的加密：AT89S51可使用对芯片上的3个加密位LB1、LB2、LB3进展编程〔P〕或不编程〔U〕。当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA端的逻辑电平被采样并所存，如果单片机上电后一直没有复位，那么锁存器的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直保存到真正复位为止。为使单片机能正常工作，被所存的EA电平值必须与该引脚当期的逻辑电平一致。此外，加密位只能通过整片擦除的方法去除。PID调节器在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或构造发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特性参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最正确围，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的准确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是PID算法，PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为参数。1．PID控制器的历史来源在控制系统中，反响是一种很重要的思想。迄今为止，工业过程控制中最常用的反响控制就是PID控制。这是因为PID控制器中的积分、比例和微分作用分别反映了设定值与测量值之间误差的历史积累、当前状态和未来变化趋势，包含了控制系统过去、现在和将来的信息，具有构造简单、易于整定的优点，能够满足一般工业过程对于控制品质的要求。PID控制器〔比例-积分-微分控制器〕，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过，和三个参数的设定。PID控制器主要适用于根本线性和动态特性不随时间变化的系统。PID控制器有几个重要功能:它提供一种反响控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。PID控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。PID控制不仅是分布式控制系统的重要组成局部，而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。在过程控制中，90%以上的控制回路采用PID类型的控制器。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反响回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进展比拟，然后把这个差异用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据到达或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差异的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反响回路却可以保持系统的稳定。从技术角度看，PID控制是自动控制中产生最早的一种控制方法，至少可追逆到1000年前我国北宋年间创造的闭环调节系统——水运仪象台；从理论角度看，是20世纪40年代开场的调节原理的一种典型代表。2．PID控制器的现状PID控制的广泛应用同时促进了这一领域的理论研究，使得PID控制成为一种不断开展中的控制技术。虽然控制策略的本质没有改变，但是现在的Pm控制器在许多方面已与早期的PID控制有了很大的不同。例如:在广泛使用的DCS、PLC和FCS等计算机控制系统中，PID控制器采用的是数字算式;在PID控制算法中，通过增加抗积分饱和、自整定和自适应等功能来提高控制系统的性能:通过引入Smith预估补偿器解决了PID控制应用于大时滞过程的问题。随着先进控制技术的开展，人们又把PID控制策略和先进控制策略结合起来，形成了很多改良的PID控制器，比方把PID控制与模糊控制结合起来，形成模糊PID控制器;又如将神经网络和PID控制结合起来，利用神经网络来在线整定PID控制器的参数，形成基于神经网络的PID控制器等。正是由于人们不断地对PID控制进展改良，才赋予了它更强的生命力，影响力最广的常规控制算法。由此可见，PID控制还将得到了进一步的开展，具有广阔的应用前景。PID控制器应用如此广泛主要由以下几个原因。首先，PID控制器有很长的应用历史，只要设计和参数整定适宜，在许多应用场合都能获得较满意的效果。第二，由于PID控制器有一个相对固定的构造形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要准确的数学模型;并且PID控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高;因而在现有控制系统中使用容易。第三，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统PID控制的复杂控制算法能够得到实现。控制技术的迅速开展导致了控制系统的组合化。然而在这种情况下，为什么PID控制器依然能在过程工业中得到广泛应用"其中一个原因是许多高级控制策略(如模型预测控制)都采用分层构造，而PID控制被用于最底层;上层多变量控制器给底层的PID控制器提供设定值。另一个原因是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和构造比拟难。第四，借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向开展。微处理器的出现对PID控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的PID控制器都是建立在微处理器根底上。这样也就给传统PID控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其表达在一些复杂回路的控制器参数整定上。3．PID控制器的广泛应用PID控制器已广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等领域，特别适用于具有典型动态特性的温度、压力、液位、流量等工艺参数的控制，可到达良好的控制效果。PID控制中的积分作用可以消除稳态误差，微分作用可以解决大惯性过程的控制问题。PID控制常常与运算环节、逻辑环节、顺序环节和选择器等一些简单的功能块相结合组成复杂控制系统，如串级控制、前馈控制、比值控制和选择性控制等。先进控制系统一般也将P工D控制作为其组成局部集成在一起，作为先进控制的根底回路，由先进控制器为根底级的PID控制器提供设定值。因此，熟练使用PID控制是每个仪表与过程控制工程师的根本功，也是解决实际问题中主要手段之一。在实现技术上，PID控制器己经经历了从气动仪表到由电子管、晶体管和集成电路组成的电动I型、H型和m型仪表阶段，再到以微处理器为核心的智能仪表和计算机控制系统的阶段。微处理器对PID控制器的开展具有非常深刻的影响。基于微处理器的PID控制器为实现自整定、自适应和增益调度等附加功能创造了条件。自整定是指PID控制器参数可以根据操作员的需要或一个外部信号的要求自动进展整定。实际上，许多DCS、PLC和FCS供给商都在各自的系统中提供了PID控制器自整定功能。经过几十年来的应用，在PID控制器的设计、整定和工程实施方面已经积累了大量的经历，一些研究者也在致力于PID控制器设计方法方面的理论研究，取得了一系列的研究成果。另外，在许多控制算法的仿真研究中，PID控制已成为控制性能比拟的标准。尽管如此，PID控制器的设计和应用仍然面临着很大的挑战，一方面，工业现场有许多PID控制器由于性能不佳而被置于"手动〞状态;另一方面，对于PID控制器各种设计方法的适用性缺乏系统的分析研究，因而很难在特定对象的PID控制器设计时选择适宜的设计方法，也缺少基于综合的控制性能要求设计PID控制器的方法。近年来，在控制系统性能评价和监控方面出现了一些研究成果，并在工业界得到了应用。如何在各类工业过程PID控制器设计中，从综合性能指标的角度选择适宜的设计方法和控制器参数;在此根底上，如何将控制系统性能评价的研究成果应用于PID控制器设计的实践;将是本篇论文的研究重点。提高控制回路的性能，不仅需要PID控制的知识，而且需要过程方面的知识;只有综合应用各种知识，才有可能使PID控制器到达令人满意的工作效果。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要指标。同时，控制理论的开展也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。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个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。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比方压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器〔仪表〕已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的LogiX产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。4.PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进展调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经历，直接在控制系统的试验中进展，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反响曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经历公式对控制器参数进展整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进展最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进展PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅参加比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。5．PID控制器的设计方法自1942年Z-N法的提出以来，PID控制器的设计方法不断增加，其中有很大一局部用于PID控制器的自动整定，常用的有基于线性二次最优控制的PID参数优化方法、基于频域法的PID控制器设计、直接综合法、状态反响的极点配置设计法，本文将重点对基于频域法的PID控制器设计方法和直接综合法的PID器设计方法进展研究和比拟。系统设计原理系统总体框图设计构思整个系统由哪些功能模块组成，以及各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模块联系起来画出总体功能模块图。AT89S51AT89S51LED数码管声光提示电路时钟电路复位电路PWM电路直流电机PID控制器的原理PID制器是一种基于"过去〞，"现在〞和"未来〞信息估计的有效而简单的控制算法。比例积分比例积分微分被控对象++u(t)+y(t)r(t)e(t)+_图2-13PID控制系统原理框图PID控制系统原理框图如图2-13所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值r(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进展控制。控制器的输入输出关系可描述为:〔2-1〕式中:，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。用单片机去驱动步进电动机时，应用PID的"增量算法〞的根本原理。增量式PID控制算法可以通过〔2-4〕式推导出。由(2-4)可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：(2-5)将〔2-4〕与〔2-5〕相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：〔2-6〕其中由〔2-6〕可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由〔2-6〕求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法〔2-4〕相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：〔2-7〕〔2-7〕就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。比例环节的作用比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。针对设定值控制中的超调问题，HangC.C.等人提出了一种关于比例控制的改良算法。通过在比例控制中引入设定值加权系数b，将PID控制器修正为：〔2-2〕其中：。即通过调节设定值信号的比例增益，减小相应的动态响应增益以克制超调问题。下面将比照例环节进展仿真研究，考察=1-5，=0，=无穷大时，对系统阶跃响应的影响。源程序如下：G1=tf(1,[0.0171]);G2=tf(1,[0.0750]);G12=feedback(G1*G2,1);G3=tf(44,[0.001671]);G4=tf(1,0.1925);G=G12*G3*G4;Kp=[1:1:5];fori=1:length(Kp)Gc=feedback(Kp(i)*G,0.01178);step(Gc),holdonend仿真结果如图2-14所示。图2-14比例环节的系统响应分别用深蓝色、绿色、红色、淡蓝色和紫红色表示当=1-5时对应的系统响应，从图2-2可以看出随着比例系数的增大，稳态误差在减小，控制时间加长，响应速度加快，同时动态性能变差，振荡比拟严重，闭环系统的超调量增大，但是不能完全消除稳定误差。积分环节的作用积分环节的引入主要是为了保证实际输出值y(t)在稳态时对设定值r(t)的无静差跟踪。假设闭环系统已经处于稳定状态，那么此时控制输出量u(t)和控制偏差量e(t)都将保持在某个常数值上，不失一般性，我们分别用和来表示。根据PID控制器的根本构造式(2-1)，有：(2-3)在己知和不为常数的情况下，为常数当且仅当=0。即对于一个带积分作用的控制器，如果它能够使闭环系统稳定并存在一个稳定状态，那么此时对设定值的跟踪必是无静差的。下面将对积分环节进展仿真研究，考察当=1，=0，=0.03-0.07对系统阶跃响应的影响源程序如下：G1=tf(1,[0.0171]);G2=tf(1,[0.0750]);G12=feedback(G1*G2,1);G3=tf(44,[0.001671]);G4=tf(1,0.1925);G=G12*G3*G4;Kp=1;ti=[0.03:0.01:0.07];fori=1:length(ti)Gc=tf(Kp*[ti(i)1],[ti(i)0]);Gcc=feedback(G*Gc,0.01178);step(Gcc),holdonend仿真结果如图2-15所示。图2-15积分环节的系统响应分别用深蓝色、绿色、红色、淡蓝色和紫红色表示时对应的系统响应。由图2-3可以清楚得看出，随着的加大，闭环系统的超调量减小，响应速度减慢。值过小，系统将变得不稳定，值能完全消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。同时，随着积分时间常数不减小，静差在减小；但是过小的会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。微分环节的作用微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应速度。PD控制器的构造为：(2-4)的泰勒级数为：(2-5)控制信号与时刻以后的偏差成比例。从图2-16可看出比例微分能够预测未来的输出。e(t)e(t)0t图2-16微分的预测作用下面将对微分环节进展仿真研究，考察=0.01，=12-84，=0.01对系统阶跃响应的影响源程序代码：G1=tf(1,[0.0171]);G2=tf(1,[0.0750]);G12=feedback(G1*G2,1);G3=tf(44,[0.001671]);G4=tf(1,0.1925);G=G12*G3*G4;Kp=0.01;ti=0.07;td=[12:36:84];fori=1:length(td)Gc=tf(Kp*[ti*td(i)ti1],[ti0]);Gcc=feedback(G*Gc,0.01178);step(Gcc),holdonend仿真结果如图2-17所示。图2-17微分环节的系统响应其中，蓝色表示当=12时的系统响应，绿色表示当=48时的系统响应，红色表示当=84时的系统响应。从图2-5中可以看出，微分时间常数增加有利于减小超调量，由于微分环节的作用，在曲线的起始上升段出现了一个锋利的波峰，之后曲线也呈现衰减的振荡，随加大，闭环系统的超调量加大，但经过曲线锋利的起始上升阶段后，响应速度减慢。因此，可以用仿真的方法获得PID控制的相关参数的数值。例如增量式PID控制算法。研究的根本容学习PID控制直流电机的设计方法；学习PWM控制理论；学习数字PID算法在单片机上的实现方法。研究方法及措施PID算法的模型图1模拟PID控制直流电机PID系统硬件设计H桥驱动电路设计方案图3-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于"H桥驱动电路〞是因为它的形状酷似字母H。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图3-1H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正经Q1从左至右穿过电机，然