调压调速器系统
目录
一、 PID 简介 ........................................ (6)
二、 设计原理 ......................................... (7)
三、 设计方案 ......................................... (8)
四、 心得体会 ...................................... (16)
五、 参考文献 .................................... (16)
PID简介
PID (比例积分微分)是一个数学物理术语。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被
确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
控过程的特性
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 通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主
要依赖工程经验，直接在
控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 完善。现在一般采用的是临界比例法。禾U用该方法进行
如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作; 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，
PID控
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，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
要在实际运行中进行最后调整与
PID控制器参数的整定步骤 (2)仅加入比例控制环节,
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。
PID控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、
其它技术难以采用时，系统控制器的结构 这时应用 PID控制技术最为方便。 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，
即当我们
调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握, 或得不到精确的数学模型时，控制理论的 和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 不完全了解一个系统和被控对象，或
据系统的误差，禾U用比例、
最适合用 PID控制技术。PID控制，实际中也有
PI和PD控制。PID控制器就是根
50多年历史，现在仍是应用
积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID (比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有
泛的控制器。
最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而 成为应用最为广
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入 e (t)与输 出u⑴的关系为u(t)=kp(e((t)+1/TI / e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是 0和t因 此它的传递函数为： G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数； TI为积分时 间常数；TD为微分时间常数。
二、设计原理
基本的设计核心是运用
PID调节器，从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定
的运行。运用 A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度 的给定值；用压控
振荡器模拟直流电机的运行（电压高
间内对脉冲计数作为电机速度的检测值；应用数字
-转速高-脉冲多），单片机在单位时 PID模型作单片机控制编程，其中
PID调压调速功能。
P、I、
D参数可按键输入并用 LED数码显示；单片机 PWM调宽输出作为输出值，开关驱动、电 子滤波控制模拟
电机（压控振荡器）实现对直流电机的
基于以上的核心思想，我们把这次设计看成五个环节组成，其具体的原理如下见原理图
2.0
图2.0 PID调速设计原理图
如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们现运用 用单片机来控制 AD芯片来转换模拟电压到数字电压， 量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个
AD芯片，运
AD给定的电压越大，则产生的数字
电压越大，则压频转换器输出的计数
其转速也就会越快，我们再用单
值进行比
PWM，PWM占空比越大，就驱动晶体管导
通的时间越长，这样加到压频转换器的电压也就越大， 脉冲再单位时间也就越多，这样就相当于电机的电压越大， 片机对压频转换器的输出脉冲计数，
PID调节器就把这个计数脉冲和预先设定的
这样也会得到一个偏差，
较，比设定值小，这样就会得到一个偏差，再把这个偏差加到 于加大了 PWM的占空比，要是比设定值大，
AD的给定电压，这样就相当
就把这个变差与给定
的电压向减，这样就可以减少 PWM的占空比，通过改变占空比来改变晶体管的导通时间， 就可以改变压频转换器的输入电压， 度的目的。
也就改变压频转换器的单位计数脉冲，
达到调电动机速
三、设计方案
3.1 PWM的调制
AD芯片给定一定的电压，应用单片机来控制来产生一个 PWM,给定的电压不同，就
会的得到不同的 PWM波形。在产生PWM波形我们采用 ADC0808芯片和AT89C51两个核 心器件。
ADC0808芯片是要外加电压和时钟， 当输入不同的电压的时候, 拟量转
化为数字值，输入的电压越大，其转换的相应的数字也就会越大, 8个通道输入和8个通道输出。其具体的管脚图见 3.01
就可以把不同的电压模
ADC0808芯片有
U3 26 INO ・“■2 斗 IN1 I M2 im |N4 INS CLOCK ■START 主 o Ji o 9 e 5 4 7 4 7 -221 1 1 1 ”EOC OUT1 IN5 IN7 0UT2 0UT3 ■OUT4 24 22 ADO A ADD日 ADO C ALE OUTS OUTS 0UT7 OUTS 12' 16 VREF(+) VREF() A&cosoa OE 图3.01 ADC0808芯片管脚图
AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(
机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 可擦除只读存储器可以反复擦除
制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 储器组合在单个芯片中，
FPEROM — Falsh
单片机的
Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗 称单片
100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术
8位CPU和闪烁存 AT89C2051是它的一
ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，
种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外 形及引脚排列如图 3.02所示
• ▼ 「U3 r F ■* \" \" P + F ' -
kXTAJLI FCD'AID PD.iMil F ■,
3XTAL2 FIST Fa.MD* PDSfAIS PSJSACS PUJ^ACT 今aIzlPFgPFF ::::■1 i 1 i .1 z i « 5 6 7 a 务”临口WE F^Eff ALE P2.V« FZ^TAI] F23£AH FZ. 3.2基于单片机的数字 PID控制直流电机PW碉压调速器系统 3.21调速原理 当基于以上产生一个 PWM后，就可以借助 PWM脉冲来控制晶体管的导通和关断，来给 压频转换器来提供一定的电压，在 PROTUE中仿真中，给定一个+12V的电压，就通过晶体 P3.5 管的导通和关断来给压频转换器供电，压频转换器就会输出很多的脉冲，借助单片机 来计数，其计数送给 P0来显示，通过给定不同的 ADC的输入电压，就可以的得到不同的计 数显示，电压越大，其计数显示也就越大，通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器 (LM331)的电阻和电容，就可以得到与输入电压接近的数值显示，可能由于干扰的原因， 其显示值和实际值有一点偏差，这是在没有什么负载的情况下，或者说是在空载的情况下， 这样就可以得到一个很理想的开环系统，也为闭环 PWM调节做好准备。 当开环系统稳定后，加上一个扰动，或者说是加上负载，这样就使的压频转换器的电 压减少，在给定一定电压的时候， 当负载分压的时候，也就相当于直流电机的电压就会减少， 这样直流电机的转速就会下降，或者说当有负载的时候，压频转换器的输入电压就会减少， 这样输入的脉冲在单位时间就会减少，这样 PID调节器，通过改变 PID的参数，PID控制器 由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入 e (t)与输出u⑴的关系为 u(t)=kp(e((t)+1/TI / e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是 为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) 其中kp为比例系数； 微分时间常数这样就会得到一个偏差， 通过这个偏差来改变原来的 0和t因此它的传递函数 TI为积分时间常数； TD为 PWM的占空比，使得晶 体管的导通时间加长或减少，这样就改变了直流电机的输入电压，也就是该变了在 PROTUES压频转换器的输入电压，使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变，也就是模拟 了直流电机的 转速的改变，我们希望通过 先设定的值接近，由于偏差的存在，使得 接近我们所预期的设定值。 PID的调节，使得输出的计数脉冲的显示值和预 PID调节器不断的去修正，使得显示值近可能的 3.22基于单片机的数字 PID控制直流电机 PW碉压调速器系统原理图 Riffisa RianR] 卿• -TE»jl Ri： FTBH■: R14 6 • :圧 IW HI IM] IM] IM4 IMS £L0GM HS 5T^r r pjs- EQC•i ' pj f> \\W1 IH? AUDA .tdlDB ^aac ME 诵日说 OdTI cun L'lJI： 0UT4 0UT5 DliTt DU17 OUT? DE LXTAL! p： ng Pt IAAOI PI 3JA3J M yjJOB Pl P S M R•升畑 sj|?l 3: MCC ■] REH iour 畫 [F7 4W PS.flflU3 fiAtAM 曲丁沁 FSJu™ R.1/TO 耐画 Ik ■:TE^ n-c T戚 Plum Fu/nsffT Pi iECl pi.3^e® PI.4^iSI PJ.MNTT 呻C5I眄 n MBOTOC F!班曰咖口51 P$.+HDU± L P：： 5J1 Fl ^WR [F3 T 弼 I R5 IMR- • • -TECT-. ■ Ud R4' Jk- • 务——• ■■: :q… T&J：-. 图3.07 PID调速原理图 3.23波形仿真 在不同的给定电压下开换系统会有不同的 从上之下以此为 pwm波形，经过驱动后的波形， 当给定电压为较高（E8H ）其波形见如下图 3.08 PWM波形和计数脉冲个数。 在不同的波形中 LM331的输入电压，LM331的输出脉冲。 Channel C 亘DCAJC J- Pot'ion a mif Channel B Channel D 图3.09中电压给定对应的波形 图3.11 PID控制LM331的输入电压波形 3.24 PID调速程序 PWM输出驱动程序 ADC CLK ST EOC OE PWM EQU BIT BIT BIT BIT BIT 35H P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 P3.7 PID 调节设置 EKO EK1 EK2 PP II DD UK0 EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU 40H 41H 42H 43H 44H 45H 70H 71H UK1 ORG 00H SJMP START ORG LJMP 0BH INT_TO TMOD, #62H TH0, #00H TL0, #00H IE, #86H TR0 START: MOV MOV MOV MOV SETB ;SETB TR1 MOV RO, #00 MOV R1, #00 MOV R2, #00 MOV R3, #00 MOV R4, #00 MOV R5, #00 MOV R6, #00 MOV R7, #00 ;PID 赋值 MOV PP, #05 MOV II, #03 MOV DD, #02 MOV EK0,#00H MOV EK1,#00H MOV EK2,#00H MOV UK0,#00H MOV UK1,#00H WAIT: CLR OE INC R7 CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC, $ SETB OE MOV ADC, P1 MOV R0,ADC MOV A,70H ADDC A,ADC MOV ADC ,A ;CLR OE SETB PWM SETB TR1 MOV A, ADC LCALL DELAY CLR PWM MOV A,#255 等待转换完成;高电平延时; WA1: SUBB LCALL CJNE A, ADC DELAY ；低电平延时 R7, #20, WA2 CLR TR1 MOV MOV mov R7, #00 A, TL1 P0,50H MOV 50H,A ；PID求偏差 MOV A,EK1 MOV EK2,A MOV A,EK0 MOV EK1,A MOV A,R0 SUBB A,50H MOV EK0,A ;PP的计算 MOV A,EK0 SUBB A,EK1 MOV B,PP MUL AB MOV R1,A MOV R2,B AJMP X WAIT1:AJMP W AIT ；II的计算 X: MOV A,EK0 MOV B,II MUL AB MOV R3,A MOV R4,B ；DD的计算 MOV A,EK1 RL A MOV EK1,A MOV A,EK0 SUBB A,EK1 ADDC A,EK2 MOV B,DD MUL AB MOV R5,A MOV R6,B ；PID总的计算 MOV A,R1 ADDC A,R3 ADDC A,R5 MOV 60H,A MOV A,R2 ADDC A,R4 ADDC A,R6 MOV 61H,A MOV A,60H ADDC A,70H MOV 70H,A MOV A,61H ADDC A,71H MOV 71H,A MOV TL0,#00H MOV TL1,#00H ;SETB TR1 WA2: SJMP WAIT1 INT_TO: CPL RETI CLK DELAY: D1: MOV R6, #1 DJNZ R6, D1 DJNZ ACC, D1 RET END 四、心得体会 我们进行了为期一周的计算机控制技术课程设计。通过这两周的课程设计，我拓宽了知识 面，锻炼了能力，综合素质得到了提高。 刚刚拿到课题，我感到有些茫然，对于以前没有做过的人来说要全部做完的确有一定的难度。由 于我对计算机控制不是很熟悉，在设计的过程中走了不少弯路。 通过亲身体验做课程设计，我觉得安排课程设计的基本目的， 步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力， 在于通过理论与实际的结合， 进一 以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要 的高素质的复合型人才。 运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设 计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一 看课堂学习与实际工作到底有多大距离， 并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习 计划，改变学习内容与方法提供实践依据。我的收获有一下几点： 第一，我对所学专业有了一些了解，增强了自己的兴趣和对以后可能从事的职业的热爱。 第二，通过课程设计我明白到了理论到实践有一段很远的路程。 问，我终于知道了每一个实现的过程， 设计过程中的每一步都是一门学 每一个认识的过程都存有人类无数的的汗水与对待事物一丝不 而以上种种的过程必须要 苟得，缜密的思考以及不懈的努力， 只有这样才会有一个新生事物的诞生。 你亲自去体会去认识去发现，那才是属于你的“收获”，只有这时才会对自己的作品无比的骄傲。 第三，通过这次设计加强了我们的设计创新能力。使我们的理论知识与实践充分地结合。 第四，通过两周的课程设计，我学到了很多书本上学习不到的知识。两周的时间很短，但是我学 到比两年的还多，在以后的学习生活中，我需要更努力地读书和实践。 对我们电气专业的学生来说， 实际能力的培养至关重要， 而这种实际能力的培养单靠课堂教学是 远远不够的，必须从课堂走向实践。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以 后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、 向社会的心理转型期。 在设计过程中，体会到了设计一项课题的不易， 也体会到了设计成功之后的小小成就感和同学之 间相互合作的默契。 更重要的是，通过课程设计， 我发现了自身存在的更多不足之处和实际应用能力 方面的欠缺，这些不足之处在今后的学习之中要有意识的弥补和改变。 最后，感谢在课程设计过程中关心帮助我的老师同学。 能力准备，从而缩短从校园走 五、参考文献 1 许翏、王淑英主编•计算机技术•北京：机械工业出版社 2005 2004 2004 2王炳实主编•单片机技术•第3版.北京：机械工业出版社 3易泓可主编，基于数字 PID设计.北京：机械工业出版社 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容