課程設計--基于單片機的數(shù)字pid控制直流電機pwm調壓調速器系統(tǒng)

1、<p>　　題目: 基于單片機的數(shù)字PID控制直流電機PWM</p><p><b>　　調壓調速器系統(tǒng)</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、PID簡介··········&

2、#183;·······················（6）</p><p>　　二、設計原理·······

3、83;··························（7）</p><p>　　三、設計方案·····

4、;·····························（8）</p><p>　　四、心得體會 ··

5、;·····························（16）</p><p>　　五、參考文獻 ··

6、;·····························（16）</p><p><b>　　一、PID簡介&l

7、t;/b></p><p>　　PID（比例積分微分）是一個數(shù)學物理術語。</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接

8、用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實際運行中進行最后調整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控

9、制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。</p><p>　　PID控制器問世至今已有近70年歷史，它 以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精

10、確的數(shù)學模型時，控制理論的 其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。</p><p>　　PID（比例-積分-微分）控制器作為最早

11、實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為 u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：G(s

12、)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù)； TD為微分時間常數(shù)。</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　二、設計原理</b></p><p>　　基本的設計核心是運用PID調節(jié)器，從而實現(xiàn)直流電機的在帶動負載的情況下也能穩(wěn)定的運行。

13、運用A/D轉換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉換為數(shù)字量作為控制直流電機速度的給定值；用壓控振蕩器模擬直流電機的運行（電壓高-轉速高-脈沖多），單片機在單位時間內對脈沖計數(shù)作為電機速度的檢測值；應用數(shù)字PID模型作單片機控制編程，其中P、I、D參數(shù)可按鍵輸入并用LED數(shù)碼顯示；單片機PWM調寬輸出作為輸出值，開關驅動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現(xiàn)對直流電機的PID調壓調速功能。</p><p>　　基于以上

14、的核心思想，我們把這次設計看成五個環(huán)節(jié)組成，其具體的原理如下見原理圖2.0</p><p>　　圖2.0 PID調速設計原理圖</p><p>　　如圖可以知道，這是一個閉環(huán)系統(tǒng)，我們借助單片機來控制，我們現(xiàn)運用AD芯片，運用單片機來控制AD芯片來轉換模擬電壓到數(shù)字電壓，AD給定的電壓越大，則產生的數(shù)字量越大，單片機再控制這個數(shù)字量來產生一個PWM，PWM占空比越大，就驅動晶體管導通的時

15、間越長，這樣加到壓頻轉換器的電壓也就越大，電壓越大，則壓頻轉換器輸出的計數(shù)脈沖再單位時間也就越多，這樣就相當于電機的電壓越大，其轉速也就會越快，我們再用單片機對壓頻轉換器的輸出脈沖計數(shù)，PID調節(jié)器就把這個計數(shù)脈沖和預先設定的 值進行比較，比設定值小，這樣就會得到一個偏差，再把這個偏差加到AD的給定電壓，這樣就相當于加大了PWM的占空比，要是比設定值大，這樣也會得到一個偏差，就把這個變差與給定的電壓向減，這樣就可以減少PWM的占空比，通

16、過改變占空比來改變晶體管的導通時間，就可以改變壓頻轉換器的輸入電壓，也就改變壓頻轉換器的單位計數(shù)脈沖，達到調電動機速度的目的。</p><p><b>　　三、設計方案</b></p><p>　　3.1 PWM的調制</p><p>　　AD芯片給定一定的電壓，應用單片機來控制來產生一個PWM,給定的電壓不同，就會的得到不同的PWM波形。在產

17、生PWM波形我們采用ADC0808芯片和AT89C51兩個核心器件。</p><p>　　ADC0808芯片是要外加電壓和時鐘，當輸入不同的電壓的時候，就可以把不同的電壓模擬量轉化為數(shù)字值，輸入的電壓越大，其轉換的相應的數(shù)字也就會越大，ADC0808芯片有8個通道輸入和8個通道輸出。其具體的管腳圖見3.01</p><p>　　圖3.01 ADC0808芯片管腳圖</p>&

18、lt;p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和

19、輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3.02所示</p><p>　　圖3.02 AT89C51芯片管腳圖</p><p>　　3.2基于單片機的數(shù)字PID控制直流電機PWM調壓調速器系統(tǒng)

20、</p><p><b>　　3.21調速原理</b></p><p>　　當基于以上產生一個PWM后，就可以借助PWM脈沖來控制晶體管的導通和關斷，來給壓頻轉換器來提供一定的電壓，在PROTUES中仿真中，給定一個+12V的電壓，就通過晶體管的導通和關斷來給壓頻轉換器供電，壓頻轉換器就會輸出很多的脈沖，借助單片機P3.5來計數(shù)，其計數(shù)送給P0來顯示，通過給定不同的A

21、DC的輸入電壓，就可以的得到不同的計數(shù)顯示，電壓越大，其計數(shù)顯示也就越大，通過改變計數(shù)脈沖的周期和硬件壓頻轉換器（LM331）的電阻和電容，就可以得到與輸入電壓接近的數(shù)值顯示，可能由于干擾的原因，其顯示值和實際值有一點偏差，這是在沒有什么負載的情況下，或者說是在空載的情況下，這樣就可以得到一個很理想的開環(huán)系統(tǒng)，也為閉環(huán)PWM調節(jié)做好準備。</p><p>　　當開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，加上一個擾動，或者說是加上負載，這樣

22、就使的壓頻轉換器的電壓減少，在給定一定電壓的時候，當負載分壓的時候，也就相當于直流電機的電壓就會減少，這樣直流電機的轉速就會下降，或者說當有負載的時候，壓頻轉換器的輸入電壓就會減少，這樣輸入的脈沖在單位時間就會減少，這樣PID調節(jié)器，通過改變PID的參數(shù)，PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為 u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)

23、 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù)； TD為微分時間常數(shù)這樣就會得到一個偏差，通過這個偏差來改變原來的PWM的占空比，使得晶體管的導通時間加長或減少，這樣就改變了直流電機的輸入電壓，也就是該變了在PROTUES壓頻轉換器的輸入電壓，使得輸出的計數(shù)脈沖在單位時間發(fā)生改變，也就是模擬了直流電機的轉速的改變，我們希望通

24、過PID的調節(jié)，使得輸出的計數(shù)脈沖的顯示值和預先設定的值接近，由于</p><p>　　3.22基于單片機的數(shù)字PID控制直流電機PWM調壓調速器系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖3.07 PID調速原理圖</p><p><b>　　3.23波形仿真</b></p><p>　　在不同的給定電壓下開換系統(tǒng)會有不同的P

25、WM波形和計數(shù)脈沖個數(shù)。在不同的波形中從上之下以此為pwm波形，經(jīng)過驅動后的波形，LM331的輸入電壓，LM331的輸出脈沖。</p><p>　　當給定電壓為較高（E8H）其波形見如下圖3.08</p><p><b>　　、</b></p><p>　　圖3.09 中電壓給定對應的波形</p><p><b&g

26、t;　　PID波形</b></p><p>　　圖3.10 低電壓給定對應的波形</p><p><b>　　; </b></p><p>　　圖3.11 PID 控制LM331的輸入電壓波形</p><p>　　3.24 PID調速程序</p><p>　　PWM 輸出驅動

27、程序</p><p>　　ADC EQU 35H</p><p>　　CLK BIT P2.4</p><p>　　ST BIT P2.5</p><p>　　EOC BIT P2.6</p><p>　　OE BIT P2.7<

28、/p><p>　　PWM BIT P3.7</p><p>　　; PID 調節(jié)設置</p><p>　　EK0 EQU 40H</p><p>　　EK1 EQU 41H</p><p>　　EK2 EQU 42H</p><p>　　PP

29、 EQU 43H</p><p>　　II EQU 44H</p><p>　　DD EQU 45H</p><p>　　UK0 EQU 70H</p><p>　　UK1 EQU 71H</p><p>　　ORG 00H<

30、/p><p>　　SJMP START</p><p>　　ORG 0BH</p><p>　　LJMP INT_TO</p><p>　　START: MOV TMOD, #62H</p><p>　　MOV TH0, #00H</p><p>　　MOV

31、 TL0, #00H</p><p>　　MOV IE, #86H</p><p>　　SETB TR0</p><p>　　; SETB TR1</p><p>　　MOV R0, #00</p><p>　　MOV R1, #00</p><p&g

32、t;　　MOV R2, #00</p><p>　　MOV R3, #00</p><p>　　MOV R4, #00</p><p>　　MOV R5, #00</p><p>　　MOV R6, #00</p><p>　　MOV R7, #00</

33、p><p><b>　　;PID 賦值</b></p><p>　　MOV PP, #05</p><p>　　MOV II, #03</p><p>　　MOV DD, #02</p><p>　　MOV EK0,#00H</p><p>

34、　　MOV EK1,#00H</p><p>　　MOV EK2,#00H</p><p>　　MOV UK0,#00H</p><p>　　MOV UK1,#00H</p><p>　　WAIT: CLR OE</p><p>　　INC R7</p>&

35、lt;p>　　CLR ST</p><p>　　SETB ST</p><p>　　CLR ST</p><p>　　JNB EOC, $ ; 等待轉換完成</p><p>　　SETB OE</p><p>　　MOV ADC, P1</p>

36、<p>　　MOV R0,ADC</p><p>　　MOV A,70H</p><p>　　ADDC A,ADC</p><p>　　MOV ADC ,A</p><p>　　;CLR OE</p><p>　　SETB PWM</p><

37、p><b>　　SETB TR1</b></p><p>　　MOV A, ADC</p><p>　　LCALL DELAY ; 高電平延時</p><p>　　CLR PWM</p><p>　　MOV A, #255</p><p>　　SU

38、BB A, ADC</p><p>　　LCALL DELAY ; 低電平延時</p><p>　　CJNE R7, #20, WA2</p><p>　　WA1: CLR TR1</p><p>　　MOV R7, #00</p><p>　　MOV A

39、, TL1</p><p>　　MOV 50H,A</p><p>　　mov P0,50H</p><p><b>　　;PID求偏差</b></p><p>　　MOV A,EK1</p><p>　　MOV EK2,A</p><p>　　MOV A,EK0

40、</p><p>　　MOV EK1,A</p><p><b>　　MOV A,R0</b></p><p>　　SUBB A,50H</p><p>　　MOV EK0,A</p><p><b>　　;PP的計算</b></p><p>　

41、　MOV A,EK0</p><p>　　SUBB A,EK1</p><p><b>　　MOV B,PP</b></p><p><b>　　MUL AB</b></p><p><b>　　MOV R1,A</b></p><p><

42、;b>　　MOV R2,B</b></p><p><b>　　AJMP X</b></p><p>　　WAIT1:AJMP WAIT</p><p><b>　　;II的計算</b></p><p>　　X: MOV A,EK0</p><p>&l

43、t;b>　　MOV B,II</b></p><p><b>　　MUL AB</b></p><p><b>　　MOV R3,A</b></p><p><b>　　MOV R4,B</b></p><p><b>　　;DD的計算<

44、;/b></p><p>　　MOV A,EK1</p><p><b>　　RL A</b></p><p><b>　　MOV EK1,A</b></p><p>　　MOV A,EK0</p><p>　　SUBB A,EK1</p><

45、p>　　ADDC A,EK2</p><p><b>　　MOV B,DD</b></p><p><b>　　MUL AB</b></p><p><b>　　MOV R5,A</b></p><p><b>　　MOV R6,B</b></

46、p><p><b>　　;PID總的計算</b></p><p><b>　　MOV A,R1</b></p><p><b>　　ADDC A,R3</b></p><p><b>　　ADDC A,R5</b></p><p>　

47、　MOV 60H,A</p><p><b>　　MOV A,R2</b></p><p><b>　　ADDC A,R4</b></p><p><b>　　ADDC A,R6</b></p><p>　　MOV 61H,A</p><p>　　

48、MOV A,60H</p><p>　　ADDC A,70H</p><p>　　MOV 70H,A</p><p>　　MOV A,61H</p><p>　　ADDC A,71H</p><p>　　MOV 71H,A</p><p>　　MOV TL0,#00H</p&

49、gt;<p>　　MOV TL1,#00H</p><p><b>　　;SETB TR1</b></p><p>　　WA2: SJMP WAIT1</p><p>　　INT_TO: CPL CLK</p><p><b>　　RETI</b><

50、;/p><p>　　DELAY: MOV R6, #1</p><p>　　D1: DJNZ R6, D1</p><p>　　DJNZ ACC, D1</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　END</b>&

51、lt;/p><p><b>　　四、心得體會</b></p><p>　　我們進行了為期一周的計算機控制技術課程設計。通過這兩周的課程設計，我拓寬了知識面，鍛煉了能力，綜合素質得到了提高。 剛剛拿到課題，我感到有些茫然，對于以前沒有做過的人來說要全部做完的確有一定的難度。由于我對計算機控制不是很熟悉，在設計的過程中走了不少彎路。</p><p&

52、gt;　　通過親身體驗做課程設計，我覺得安排課程設計的基本目的，在于通過理論與實際的結合，進一步提高觀察、分析和解決問題的實際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應社會主義現(xiàn)代化建設需要的高素質的復合型人才。運用學習成果，把課堂上學到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應用于實際設計工作，并從理論的高度對設計工作的現(xiàn)代化提出一些有針對性的建議和設想。檢驗學習成果，看一看課堂學習與實際工作到底有多大距離，并通過綜合分析，找出學習中存在的不足，以便為完

53、善學習計劃，改變學習內容與方法提供實踐依據(jù)。我的收獲有一下幾點：</p><p>　　第一，我對所學專業(yè)有了一些了解，增強了自己的興趣和對以后可能從事的職業(yè)的熱愛。</p><p>　　第二，通過課程設計我明白到了理論到實踐有一段很遠的路程。設計過程中的每一步都是一門學問，我終于知道了每一個實現(xiàn)的過程，每一個認識的過程都存有人類無數(shù)的的汗水與對待事物一絲不茍得，縝密的思考以及不懈的努力，只

54、有這樣才會有一個新生事物的誕生。而以上種種的過程必須要你親自去體會去認識去發(fā)現(xiàn)，那才是屬于你的“收獲”，只有這時才會對自己的作品無比的驕傲。</p><p>　　第三，通過這次設計加強了我們的設計創(chuàng)新能力。使我們的理論知識與實踐充分地結合。</p><p>　　第四，通過兩周的課程設計，我學到了很多書本上學習不到的知識。兩周的時間很短，但是我學到比兩年的還多，在以后的學習生活中，我需要更努

55、力地讀書和實踐。</p><p>　　對我們電氣專業(yè)的學生來說，實際能力的培養(yǎng)至關重要，而這種實際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學是遠遠不夠的，必須從課堂走向實踐。通過課程設計，讓我們找出自身狀況與實際需要的差距，并在以后的學習期間及時補充相關知識，為求職與正式工作做好充分的知識、能力準備，從而縮短從校園走向社會的心理轉型期。</p><p>　　在設計過程中，體會到了設計一項課題的不易，也體會到了

56、設計成功之后的小小成就感和同學之間相互合作的默契。更重要的是，通過課程設計，我發(fā)現(xiàn)了自身存在的更多不足之處和實際應用能力方面的欠缺，這些不足之處在今后的學習之中要有意識的彌補和改變。</p><p>　　最后，感謝在課程設計過程中關心幫助我的老師同學。</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　1 許翏、王淑英主編.