基于單片機的交流電機轉動控制系統(tǒng)設計

1、桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 編號： 畢業(yè)設計畢業(yè)設計(論文論文)說明書說明書 題 目： 基于單片機的交流電機基于單片機的交流電機 轉動控制系統(tǒng)設計轉動控制系統(tǒng)設計 學院： 機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學生姓名： 劉劍 學 號： 0600120217 指導教師單位： 機電工程學院 姓 名： 劉東東 職 稱： 講 師 題目類型 ：理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 2010 年 05 月 26 日 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 摘 要 本設計是采用MCU（AT

2、89S52）為核心的價廉、高效的單相異步交流電機調速控制 系統(tǒng)；對電機的調速方法和控制電路進行了分析和設計，完成了小型交流電機的轉速 采集、計算、顯示。該方法采用先進的過零調功的方式，以功率調節(jié)取代常用的電壓 調節(jié)，通過控制可控硅的通斷比來調節(jié)電動機輸出功率，并將非均勻采樣情況下的增 量式積分分離PID控制算法應用于交流電機的調速。在設計中實現(xiàn)了對電機轉速的測量， 解決了PID算法的積分飽和問題。 關鍵詞：關鍵詞：調速；PID控制；過零調功；AT89S52 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 Abstract This design is the

3、use of MCU (AT89S52) as the core of inexpensive, highly efficient Single-phase asynchronous AC motor speed control system; the motor speed control method and control circuit are analyzed and designed, completed the acquisition of small AC motor speed, calculation, display . The method uses advanced

4、Zero transfer function, a successful way to replace the commonly used power regulation with voltage regulation by controlling the thyristor on-off ratio to regulate the motor output power, and the non-uniform sampling points separated incremental PID control algorithm is applied to AC motor speed co

5、ntrol. Achieved in the design of motor speed measurement, solving the PID algorithm is integral saturation problem. Keywords：speed control; PID control; Zero transfer function; AT89S52 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目目 錄錄 引言引言 .1 1 設計方案論證 .2 1.1 系統(tǒng)結構方案論證.2 1.2 轉速測量方案論證.2 1.3 電機驅動方案論證.3 1.4

6、 鍵盤顯示方案論證.3 2 系統(tǒng)原理框圖設計 .4 3 各模塊的分析、計算和硬件電路設計 .5 3.1 速度測量電路的設計.5 3.1.1 轉速/頻率轉換電路的設計 .5 3.1.2 脈沖濾波整形電路的設計.5 3.2 電機驅動電路的設計.6 3.2.1 過零檢測電路.6 3.2.2 可控硅觸發(fā)電路.7 3.3 LCD 顯示電路與單片機的接口設計 .8 4 系統(tǒng)總程序框圖設計 .8 5 系統(tǒng)各部分子功能程序設計 .10 5.1 電機轉速測量程序設計.10 5.2 鍵盤程序設計.11 5.3 LCD 顯示子程序設計 .11 6 數(shù)字 PID 及其算法改進 .12 6.1 PID 控制基本原理 .

7、12 6.2 三個基本參數(shù) KP、TI、TD在實際控制中的作用研究 .13 6.3 數(shù)字 PID 控制算法.14 6.3.1 位置式 PID 算法.14 6.3.2 增量式 PID 算法.15 6.4 PID 算法的改進， “飽和”作用的抑制 .16 6.5 PID 控制算法的單片機程序實現(xiàn) .18 7 系統(tǒng)的調試過程與測試 .20 7.1 PID 各項系數(shù)臨街比例法整定 .20 8 結束語 .21 謝 辭 .22 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 參考文獻 .23 附 錄 .24 附錄 1：系統(tǒng)硬件總圖.24 附錄 2：系統(tǒng) PCB .24 附

8、錄 3：程序清單.25 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 1 頁頁 共共 37 頁頁 1 引言 隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，速度可調成了傳動裝置的一項基本要求。目前交流 電機調速技術的研究取得了極大的發(fā)展，在調速傳動領域交流電機已有取代直 流電機的趨勢。在 60 年代之前，交流電機調速常用串級調速，但是這種調速 系統(tǒng)復雜，而且不容易控制。后來晶閘管研制成功，使交流電機調速技術迅速 發(fā)展，出現(xiàn)了變頻器，通過改變供電電源的頻率來調節(jié)異步電動機的轉速，這 種調速方式可以獲得很大的調速范圍，很好的調速平滑性和足夠的機械特性硬 度，但成本高，控制系統(tǒng)復雜。在

9、分析目前調速方案的基礎上，本文提出了一 種可控硅過零調功控制方案。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 2 頁頁 共共 37 頁頁 2 1 設計方案論證 根據(jù)設計任務，要求調速采用 PID 控制器，因此需要設計一個閉環(huán)交流電 機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用過零調功調速，使電機速度等于設定值，并且實時顯 示電極的轉速值。通過對設計功能分解，設計方案論證可以分為：系統(tǒng)結構方 案論證，速度測量方案論證，電機驅動方案論證，鍵盤顯示方案論證。 1.1 系統(tǒng)結構方案論證 方案一：采用一片單片機（AT89S52）控制系統(tǒng)過零檢測、速度檢測、 LCD 顯示、PID

10、運算、控制運算，并輸出控制信號。 方案二：采用兩片單片機（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，專門進 行 PID 運算和控制信號輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片，完成電機速度的鍵盤設定、 測量、顯示，并向 PID 控制器提供設定值和測量值，設定 PID 控制器的控制速 度等。 方案一的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件簡單，結構緊湊，且節(jié)省材料和成本，充分利用 單片機。方案二，增加了硬件，增加了調試的難度。通過考慮成本和性價比等 因素，選擇方案一。 1.2 轉速測量方案論證 理論上，是先將轉速轉化為某一種電量來測量，如電壓，電流等。設計中 將轉速測量轉化為電脈沖頻率的測量。選用光電傳感器，如圖 1.1；原理如

11、圖 1.2 方案一：采用記數(shù)的方法。具體是通過單片機記單位時間 S（秒）內的脈 沖數(shù) N，每分鐘的轉速：M=N/S60。 方案二：采用定時的方法。是通過定時器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘 的轉速：M=60/T。 比較兩個方案，方案一增大記數(shù)時間可以提高測量精度，但這樣做卻增大 了速度采樣周期，會降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方案二所產(chǎn)生的誤差主要是標準 圖 1.1 觀點傳感器圖 1.2 觀點傳感器原理 圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 3 頁頁 共共 37 頁頁 3 誤差，并且使采樣時間降到最短。由此明顯看出,方案二在測量精度及提高系統(tǒng) 控制

12、靈敏度等方面優(yōu)于方案一，所以本設計采用方案二。 1.3 電機驅動方案論證 方案一：采用變頻器，通過改變供電電源頻率來調節(jié)異步電動機轉速。這 個方案的優(yōu)點是調速范圍大，平滑性好，機械硬度強，但成本較高，控制系統(tǒng) 復雜。 方案二：采用可控硅移相調壓調速，由能量守恒原理 U I = F V ，在 外部阻力不變的情況下，改變電壓 U 的值，速度 V 也跟著改變，因此只要控 制可控硅導通角調節(jié)輸出電壓就可以達到調速目的，但這種方法要求觸發(fā)電路 發(fā)生相位可變且具有一定幅值的脈沖，而且還要解決觸發(fā)脈沖與主回路電壓之 間的同步問題。 方案三：采用過零調功調速。過零調功通過的工作電壓是完整的正弦波形， 過零導通

13、且過零截止。過零調功方式就是通過在給定的時間內改變加進負載的 交流正弦波個數(shù)來調節(jié)負載功率的一種控制方法。由于可控硅是在電壓（電流） 過零時觸發(fā)導通的，導通時的波形是完整的正弦波或半波，所以不存在可控硅 移相調壓方式所存在的一切缺點。同時也由于可控硅是在電壓過零時導通，其 負載浪涌電流和電流變化率都很小，有利于可控硅的安全工作。 通過比較和對市場、成本等因素的考慮，本設計采用方案三。 1.4 鍵盤顯示方案論證 方案一：采用 44 鍵盤，可直接輸入設定值。顯示部分使用 4 位數(shù)碼管， 優(yōu)點是顯示亮度大，缺點是功耗大，不符合智能化趨勢而且不美觀。 方案二：使用 4 個按鍵，進行逐位設置。顯示部分是

14、使用支持中文顯示的 LCD，優(yōu)點是美觀大方，有利于人與系統(tǒng)的交互，及顯示內容的擴展；缺點是 成本高，抗干擾能力教差。 為了系統(tǒng)容易擴展、操作以及美觀，本設計完全采用方案二。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 4 頁頁 共共 37 頁頁 4 單片機（速 度的測量計 算、輸入設 定及系統(tǒng)控 制） 單片機（PID 運算控制器、 控制信號發(fā)生器） 電機 速度采集電路 電機驅動電路 鍵 盤 顯示器 2 系統(tǒng)原理框圖設計 系統(tǒng)原理框圖如圖 2.1 所示，是一個帶鍵盤輸入和顯示的閉環(huán)測量控制系 統(tǒng)。主體思想是通過系統(tǒng)設定信息和測量反饋信息計算輸出控制信息

15、。 圖 2.1 系統(tǒng)原理框圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 5 頁頁 共共 37 頁頁 5 3 各模塊的分析、計算和硬件電路設計 3.1 速度測量電路的設計 3.1.1 轉速/頻率轉換電路的設計 理論上，是先將轉速轉化為某一種電量來測量，如電壓，電流等。設計中 將轉速測量轉化為電脈沖頻率的測量?；谶@一思想，可以采用一對霍爾感應 傳感器，使輸出信號的一只在轉輪一側固定，另一只則粘在對應位置的轉輪上， 這樣，電機每轉一圈，傳感器將會輸出一個脈沖，然后將脈沖放大、整形后即 可通過單片機測量其頻率求出轉速。實際實驗中，由于市場采購原因，暫用三

16、 極管輸出型紅外光電耦合器代替霍爾傳感器。如圖 3.1 所示，在電機轉輪一處 開孔，這樣，每轉一圈，三級管（紅外接收頭）透光導通一次，OUT 端輸出一 個上脈沖，即完成了轉速頻率的轉換。 圖 3.1 轉速/頻率轉化電路 3.1.2 脈沖濾波整形電路的設計 J10 引腳 1 和引腳 2 接發(fā)光二極管，引腳 1 和引腳 3 接光敏電阻，R7 控制 二極管發(fā)光強度，R8、R9 起到分壓作用，控制電壓，R6 控制放大倍數(shù)。經(jīng)過 嘗試，R7 選擇 1K 電阻，R8、R9 分別選擇 89K 和 43K，R6 選擇 3.6K。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙

17、 第第 6 頁頁 共共 37 頁頁 6 3.2 電機驅動電路的設計 3.2.1 過零檢測電路 過零檢測電路的最終目標是實現(xiàn)在 50HZ 的交流電壓通過零點時取出其脈 沖。由于可控硅過零調功方式是通過控制可控硅導通與關斷的比值來調節(jié)輸出 功率，相位和移相觸發(fā)的同步脈沖問題都不必考慮，因此輸出的脈沖寬度可以 放寬，這也使得電路更易實現(xiàn)。設計中利用兩個光電耦合器實現(xiàn)過零電路。其 電路原理圖及波形如圖 3.3 所示。此電路的工作原理是：交流電源經(jīng) R12 加到 兩個反并聯(lián)光電二極管上，在交流電源的正、負半周，二極管1 d 和2 d 輪流導 通，從而使 T1 和 T2 也輪流導通，在導通期間 V0 輸出

18、低電平，只有在交流電源 過零的瞬間，兩個二極管均截止，V0 輸出高電平，因此 V0 端得到周期為 10ms 的脈沖信號，該信號送至 89s52 的 INT0 引腳。 圖 3.1 脈沖濾波整形電路 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 7 頁頁 共共 37 頁頁 7 圖 3.3 過零檢測電路及其波形 3.2.2 可控硅觸發(fā)電路 電路中采用了過零雙向可控硅型光耦 MOC3041，它集光電隔離、過零檢測、 過零觸發(fā)等功能于一身，避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷， 大大簡化了輸出通道隔離-驅動電路的結構?？煽毓栌|發(fā)電路原理圖如圖 3.4

19、所 示。 圖 3.4 可控硅過零調功原理圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 8 頁頁 共共 37 頁頁 8 此電路的工作原理是：單片機響應用戶的參數(shù)設置，在 I/O 口輸出一個高 電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導通，同時觸發(fā)雙向 可控硅，使工作電路導通工作。 在給定時間內，負載得到的功率可用下式表示： （3-1）UI N n P 式中 P 負載得到的功率； n 給定時間內可控硅導通的正弦波個數(shù)； N 給定時間內交流正弦波的總個數(shù)； U 可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電壓有效值； I 可控硅在一個電源周期全導通時所

20、對應的電流有效值。 由上式可知，U ， I ， N 是定值，只要改變 n 值的大小即可控制功率 的輸出，從而達到調節(jié)電機轉速的目的。 3.3 LCD 顯示電路與單片機的接口設計 設計中采用的 LCD1602 是一種用 5x7 點陣圖形來顯示字符的液 晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為 1 行 16 個字、2 行 16 個字、2 行 20 個字等等與外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。本設計采用并行方式 控制，LCD 與單片 機的通訊接口電路如 圖 3.5 所示采用直連 的方法，這樣設計的 優(yōu)點是在不影響性能 的條件下還不用添加 其它硬件，簡化了電 路，降低了成本。 圖 3.5 LCD 顯示

21、電路與單片機的接口 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 9 頁頁 共共 37 頁頁 9 4 系統(tǒng)總程序框圖設計 系統(tǒng)程序程序框圖如圖 4.1 所示，概述了程序的總體結構和工作過程。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 10 頁頁 共共 37 頁頁 10 5 系統(tǒng)各部分子功能程序設計 5.1 電機轉速測量程序設計 設計中考慮到電機的工作環(huán)境一般比較惡劣，因此除了硬件外，從程序上 除了要更高的精確度也需要進行更多的抗干擾設計，從而實現(xiàn)軟件的大范圍檢 錯、糾錯或丟棄錯誤等。在程序的設計過程中，對嚴

22、重不符合要求的測量數(shù)據(jù) 否 為 “0” 為 “1” 否 否 是 是 否 是 進入中斷 檢測中斷標志 開定時器記時 設中斷標志為“1” 系統(tǒng)時間初始化 中斷返回 關閉定時器及總中斷 判斷數(shù)據(jù)是否正常 保存數(shù)據(jù) 是否“采 5”處理？ 說明：當電機轉速過低時， 如果進行采 3 取 5 處理將 會使控制速度太低，同時 低速狀態(tài)的錯誤發(fā)生幾率 較小，所以不采用采 5 取 3 求平均處理。 完成 5 組數(shù)據(jù)采集？ “取 3“求平均處理 計算速度值 速度值是否正常？ 發(fā)送速度值到 PID 控制器 系統(tǒng)時間初始化 定時器初值初始化 中斷返回 圖 5.1 外中斷 0 服務子程序框圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論

23、文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 11 頁頁 共共 37 頁頁 11 進行了丟棄處理，而對于正常范圍內的數(shù)據(jù)錯誤采用了采 5 取 3 求平均的算法 （即采集 5 個數(shù)據(jù)，去掉 一個最大值一個最小值，然后將剩余 3 數(shù)據(jù)求平均） 。 實驗表明，此方法降低了系統(tǒng)采集轉速中出現(xiàn)的錯誤。對于轉速的測量方法， 是通過速度脈沖信號下降沿觸發(fā)單片機的外中斷，中斷服務子程序在某一個脈 沖的下降沿開啟定時器記時，然后在下一個下降沿關閉定時器，通過對定時器 數(shù)據(jù)進行運算處理可以得到信號周期進而得到速度值。其程序框圖如圖 5.1?？?以看出，此方法下的采樣周期是隨轉速變化的，轉速越高采樣越

24、快。通過這種 非均勻的速度采樣方式可以使電機在高速情況下，實現(xiàn)高速度高精度的控制。 5.2 鍵盤程序設計 鍵盤程序設計的任務是賦予各按鍵相應的功能，完成速度設定值的輸入和 向 PID 控制器的發(fā)送。4 只按鍵一只用來位循環(huán)選擇，告訴單片機要調整的是 設定值的個位、十位、百位還是千位。第二、三只按鍵分別是減 1、加 1 減。 在沒有位選擇的情況下對設定值整體進行減 1、加 1；在有位選擇的情況下僅對 相應位進行減 1、加 1，并且當按著不釋放按鍵時可以實現(xiàn)快速連續(xù)減 1、加 1，同時允許循環(huán)減、加（既當某位為 0 時，在減 1 則為 9，某位為 9 時，加 1 則為 0） 。最后一只按鍵是確認發(fā)

25、送鍵，按下它后，單片機將設定值送給 PID 控 制器，從而實現(xiàn)設定控制。程序框圖如圖 5.2。 5.3 LCD 顯示子程序設計 LCD 的詳細使用過程可參閱對應型號的使用手冊。僅在本小節(jié)強調以下內 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 12 頁頁 共共 37 頁頁 12 容：LCD 使用的關鍵是根據(jù)顯示需要正確地對其進行初始化設置，而一般情況 下不用考慮如何向它讀寫指令或數(shù)據(jù)，因為制造廠商所給的使用資料里就附有 驅動程序，如果沒有也可以從網(wǎng)上搜索下載得到。然而我們必須清楚那些初始 化設置之間的關系，以及它是如何利用設置讀取、顯示數(shù)據(jù)字符的，不然

26、就會 發(fā)生一些不可預料的錯誤。因此，熟讀 LCD 驅動芯片使用手冊也是一個關鍵環(huán) 節(jié)。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 13 頁頁 共共 37 頁頁 13 6 數(shù)字 PID 及其算法改進 6.1 PID 控制基本原理 PID 控制即比例（Proportional） 、積分（Integrating） 、微分 （Differentiation）控制。在 PID 控制系統(tǒng)中，完成 PID 控制規(guī)律的部分稱為 PID 控制器。它是一種線形控制器，用輸出 y(t)和給定量 r(t)之間的誤差的時間 函數(shù) e(t)=r(t)-y(t). PID 控制

27、器框圖如圖 6.1。實際應用中，可以根據(jù)受控對象的 特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，如： 圖 6.1 PID 控制算法框圖 比例（P）控制器： （6-1） teK p * 比例積分（PI）控制器： （6-2） dtte T Kt i p 0 比例積分微分（PID）控制器： （6-3） dt tde TK dp * 式中，Kp 為比例運算放大系數(shù)，Ti 為積分時間，Td為微分時間。 6.2 三個基本參數(shù) Kp、Ti、Td 在實際控制中的作用研究 通過使用 MATLAB 軟件中 SIMULINK 的系統(tǒng)仿真功能對 PID 算法進行仿 真，現(xiàn)將結果作以下概括。 桂林電子科技大學畢業(yè)設

28、計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 14 頁頁 共共 37 頁頁 14 比例調節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調 節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減少偏差，屬于“即時”型調節(jié)控制。比例作用大， 可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系 統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調節(jié)作用：使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無誤差度。因為有誤差，積分 調節(jié)就進行，直至無誤差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值，屬于“歷史 積累”型調節(jié)控制。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作 用就越強。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性

29、下降，動態(tài) 響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 PI 調節(jié)器或 PID 調節(jié)器。 微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預 見偏差的變化趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，以 被微分調節(jié)作用消除，因此屬于“超前或未來”型調節(jié)控制。因此，可以改善 系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時 間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾 不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。 微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成 PD 或 PID 控 制器。

30、6.3 數(shù)字 PID 控制算法 數(shù)字 PID 控制算法可分為位置式 PID 和曾量式 PID 控制算法。 6.3.1 位置式 PID 算法 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量， 而不像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進行連續(xù)控制。由于這一特點式（6-4） 中的積分項和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。離散化處理的方法 為：以 T 作為采樣周期，k 作為采樣序號，則離散采樣時間 Tk 對應著采樣時間 t，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可做如下 近似變換： （6-4） T ee T TkekTe dt tde eTjTeTdtte kkT

31、t kk t k j k j j 1 0 00 1 .2 , 1 , 0 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 15 頁頁 共共 37 頁頁 15 上式中，為了表示方便，將類似于 e（Tk）簡化成 ek 等。 由上式可得離散的 PID 表達式為： （6-5） k j kk dj i kpk T ee Te T T eKu 0 1 或 （6-6） 1 0 * kkd k j jikpk eeKeKeKu 其中 K 采樣序號，k0，1，2，; Uk 第 k 次采樣時刻的計算機輸出值; Ek 第 k 次采樣時刻輸入的偏差值; Ek-1 第k1 次采樣

32、時刻輸入的偏差值; Ki 積分系數(shù)，; Kd 微分系數(shù)，; 如果采樣周期足夠小，則式（65）或式（66）的近似計算可以獲得足 夠精確的結果，離散控制過程與連續(xù)過程十分接近。 式（65）或式（66）表示的控制算法式直接按之前所給出的 PID 控制 規(guī)律定義進行計算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或 位置式 PID 控制算法。 這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關，計 算時要對 ek 進行累加，工作量大；并且，因為計算機輸出的 uk 對應的是執(zhí)行 機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，輸出的 uk 將大幅度變化，會引起執(zhí)行 機構的大幅度變化，有可能因此造成嚴

33、重的生產(chǎn)事故，這在實生產(chǎn)際中是不允 許的。 增量式 PID 控制算法可以避免著重現(xiàn)象發(fā)生。 6.3.2 增量式 PID 算法 所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u。當執(zhí)行機構 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 16 頁頁 共共 37 頁頁 16 需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數(shù)值時，可以使用增量式 PID 控制 算法進行控制。 增量式 PID 控制算法可以通過式（65）推導出。由式（65）可以得到 控制器的第 k1 個采樣時刻的輸出值為： （6-7） T ee Te T T eKu kk d k j j i k

34、pk 21 1 0 11 將式（65）與式（67）相減并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法 公式為： （6-8） 21 21 21 11 2 11 2 kkk k d pk d pk d i p kkk dk i kkpkkk CeBeAe e T T Ke T T Ke T T T T K T eee Te T T eeKuuu 其中 . ; 2 1 ;1 T T KC T T KB T T T T KA d p d p d i p 由式（68）可以看出，如果計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一 旦確定 A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由式（68）求出 控制量。 增量

35、式 PID 控制算法與位置式 PID 算法式（65）相比，計算量小的多， 因此在實際中得到廣泛的應用。 而位置式 PID 控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計算公式： （6-9） kkk uuu 1 式（69）就是目前在計算機控制中廣泛應用的數(shù)字遞推 PID 控制算法。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 17 頁頁 共共 37 頁頁 17 6.4 PID 算法的改進， “飽和”作用的抑制 抑制 PID 算法的“飽和”作用，通常有兩種方法。一種算法是遇限削弱積 分法，其基本思想是：一旦控制變量進入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運算 而停止

36、進行增大積分項的運算。具體地說，在計算 u（k）時，將判斷上一時刻 的控制量 u（k）是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號， 判斷系統(tǒng)輸出是否在超調區(qū)域，由此決定是否將相應偏差計入積分項。 另一種算法是積分分離法。減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過 大。第一種修正方法是一開始就積分，但進入限制范圍后即停止累積。后者介 紹的積分分離法正好與其 相反，它在開始時不進行積分，直到偏差達到一定的 閥值后才進行積分累計，算法流程圖見圖 6.5。圖中，A，B，C 分別代表 q0,q1,q2。這樣，一方面防止了一開始有過大的控制量，另一方面即使進入飽和 后，因積分累積小，也能較快退出，

37、減少了超調。 由于本系統(tǒng)的控制對象是一個具有慣性或稱其為滯后特性的直流電機，一 方面要求控制要盡可能高的反映速度，另一方面也要盡可能減少超調。因此， 積分分離法比較適合本系統(tǒng)。 綜合上面關于 PID 算法的研究，已經(jīng)得出一個針對本系統(tǒng)的 PID 算法 “增量式積分分離 PID 控制算法” 。在此控制算法中，誤差較大時采用的是 PD 算法控制。 在 PID 控制器的實現(xiàn)過程中，發(fā)現(xiàn)不同的電機除了慣性不同外，還有一 個參數(shù)不容忽略，那就是電機在轉動過程中的摩擦力。由于摩擦力總是阻礙電 機轉動，所以相當于額外的給控制量對應的電動機轉矩加了一不定量的負轉矩。 如果 PID 的輸出的控制增量對應的轉矩為

38、正，則會抵消一部分增量，但如果 PID 輸出的控制增量對應的轉矩為負，則會助長這一增量。如此以來，如果電 機在加速過程中使用和減速過程中同樣的 PID 參數(shù)，就有可能出現(xiàn)加速欠條， 減速超調的情況。實驗中，也證明了這一分析的正確性。 解決這一問題的方法 是利用微分項的校正作用，在電機加速狀態(tài)，和減速狀態(tài)采用不同的微分系數(shù)， 即在不同的時段采用不同的微分系數(shù),其中加速時微分系數(shù)為 Kd1,減速時微分系 數(shù)為 Kd2。這樣系統(tǒng)的控制算法就成為“變系數(shù)增量式積分分離控制算法”了， 可以通過設定參數(shù)得到更佳的校正作用。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙

39、第第 18 頁頁 共共 37 頁頁 18 圖 6.2 增量式積分分離 PID 算法流程圖 6.5 PID 控制算法的單片機程序實現(xiàn) 要編寫一個已知算法的單片機程序，首先要考慮的就是數(shù)據(jù)的結構和存儲 方式了。因為它直接影響到系統(tǒng)的控制精度，以及 PID 算法的實現(xiàn)質量。本系 統(tǒng)之所以專門采用一片單片來實現(xiàn) PID 算法，就是因為從一開始的設計思路就 是盡可能高的提高系統(tǒng)的控制精度。要提高系統(tǒng)的控制精度，在計算過程中僅 取整數(shù)或定點小數(shù)是不夠的，所以本設計采用三字節(jié)浮點數(shù)運算。對于 AT89S52 單片機而言，有足夠的內存去存儲和處理這些數(shù)據(jù)。另外，為了使程 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用

40、紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 19 頁頁 共共 37 頁頁 19 序的參數(shù)修改方便，更易于應用到其他 PID 控制系統(tǒng)中去，在一開始的參數(shù)賦 值程序中，參數(shù)是以十進制 BCD 碼浮點數(shù)存儲的，參數(shù)賦值完成后，緊接著就 是對參數(shù)進行二進制浮點數(shù)的歸一化處理，以及復合參數(shù) q0,q1,q2等的計算。這 些工作在系統(tǒng)啟動后迅速就完成了，之后 PID 控制器只進行 PID 核心控制算法 的計算。PID 算法的程序框圖如圖 6.2 所示算法。由于本系統(tǒng)采用的是單級單 向調速， 所以當 PID 控制算法的輸出結果 u（k）為負數(shù)時就將其清另零了， 當大于系統(tǒng)飽和值時，賦值 u(k)為飽

41、和值。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 20 頁頁 共共 37 頁頁 20 7 系統(tǒng)的調試過程與測試 7.1 PID 各項系數(shù)臨街比例法整定 在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將調節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調節(jié) 器的比例系數(shù)，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例系數(shù)稱為臨界比例系數(shù) Ku，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期Tu。 臨界比例度法步驟： 1、將調節(jié)器的積分時間Ti置于最大（Ti=），微分時間置零（Td=0）， 比例系數(shù)Kp適當，平衡操作一段時間，把系統(tǒng)投入自動運行。 2、將比例系數(shù)Kp逐漸增大，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例

42、系數(shù)Ku 和臨界振蕩周期Tu值。 3、根據(jù)Ku和Tu值，采用經(jīng)驗公式，計算出調節(jié)器各個參數(shù)，即Kp、Ti 和Td的值。 按“先 P 再 I 最后 D”的操作程序將調節(jié)器整定參數(shù)調到計算值上。若還不夠 滿意，可再作進一步調整。 臨界比例度法整定注意事項： 有的過程控制系統(tǒng)，臨界比例系數(shù)很大，使系統(tǒng)接近兩式控制，調節(jié)閥不 是全關就是全開，對工業(yè)生產(chǎn)不利。 有的過程控制系統(tǒng)，當調節(jié)器比例系數(shù)Kp調到最大刻度值時，系統(tǒng)仍不產(chǎn) 生等幅振蕩，對此，就把最大刻度的比例度作為臨界比例度Ku進行調節(jié)器參數(shù) 整定。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 21 頁頁

43、 共共 37 頁頁 21 8 結束語 本文對電機調速方法作了分析和研究，提出了以可控硅過零調功方式實現(xiàn) 調速的控制方案，詳細闡述了可控硅過零控制的硬件電路設計及軟件實現(xiàn)方法， 本文作者創(chuàng)新點在于使用過零調功方式實現(xiàn)了交流電機調速。在所采用的可控 硅過零調功方式實現(xiàn)調速的方法中，對于可控硅的過零觸發(fā)與主回路的控制是 由軟硬件協(xié)同完成的，而且軟件承擔了主要的控制任務，簡化了硬件設計，降 低了成本，可應用于需要進行電機調速控制的不同場合。 注：鑒于排版問題，文中部分軟件系統(tǒng)原理框圖采用在其他文檔畫出原理 圖，截圖的方式給出。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報

44、告用紙 第第 22 頁頁 共共 37 頁頁 22 謝 辭 感謝劉東東老師在我們學習過程中給予的大量指導和幫助。 特別感謝黃知超老師和王斌老師以他們深厚的理論基礎、精湛的教學方法 和殷切的教學態(tài)度使我們在大學生活中學到了終身受用的知識。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 23 頁頁 共共 37 頁頁 23 參考文獻 1 徐薇莉,曹柱中.控制理論與設計M 上海交大出版社,2003.74-82. 2 王兆安,黃俊.電力電子技術M 機械工業(yè)出版社,2000.15-21. 3 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)M 機械工業(yè)出版社,2003.158-217.

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46、，盧景山單片微型計算機M北京航空航天大學出版社，1998. 11 史玉升，何傳俊.交流電動機自動節(jié)能與保護微機控制系統(tǒng)的設計Z. 工業(yè)儀表與 自動化裝置,1995,(2):2832. 12 婁小珍，姚望科.采用單片微機為主機的瀝青加熱溫度測控系統(tǒng)Z. 筑路機械與施 工機械化,1996,13(65):1920. 13 樊月珍，江發(fā)潮. 基于 AT89C51 的交流電機調速控制系統(tǒng)設計J. 微計算機信息, 2009(8): 103-104. 14 朱惠明, 張愛武, 高洪霞. 基于單片機的直流伺服電機轉速控制實驗系統(tǒng)J. 山東 建材學院學報, 1999,(02):169-171. 15 何希才，薛

47、永毅編著.傳感器及其應用實例M.北京：機械工業(yè)出版社，2004. 16 蔣萌輝.基于單片機測控系統(tǒng)抗干擾的硬件設計J.微計算機信息，2004，2:35-36. 17 王佩珠.電路與模擬電子技術M.南京：南京大學出版社，2001. 18 武慶生，仇梅.MCS 系列單片機及接口實用教程M.電子科技大學出版社,1997. 19 張玉艷，寧帆.數(shù)字電路與邏輯設計M.北京：人民郵電出版社，2003. 20 于洪洲，程建.51 系列單片機軟件抗干擾設計J. 集成電路通訊,25(2):16-18. 21 周明德.微型計算機系統(tǒng)原理及應用M.北京：清華大學出版社，2002. 22 David E. Johns

48、on .et al. Electric circuit analysis M. Prentice Hall/c,1997. 23 Nieva TM ,Wegmann A. a conceptual model for remote data acquisition systems. COMPUTERS IN INDUSTRY, 2002, 47 (2):215- 237. 24 REGISMADE.AT COMMANDS FOR GSM M.USA:WAVE COMEASI APACIFIC LIMITED,2000. 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報

49、告用紙 第第 24 頁頁 共共 37 頁頁 24 附 錄 附錄 1：系統(tǒng)硬件總圖 附錄 2：系統(tǒng) PCB 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 25 頁頁 共共 37 頁頁 25 附錄 3：程序清單 /*=* * 文件: LCD1602 串口（精確） * 功能: 在 LCD1602 上顯示字符或一個變量的值 * 版本: * 日期:2008/4 * 備注: 需要 164 將單片機發(fā)出的串口數(shù)據(jù)轉成并口 注意程序適用 51 系列單片機 *=*/ #includeLCD1602.H #define uchar unsigned char #defin

50、e BIT 4 /顯示數(shù)字時的最多位數(shù)（包括小數(shù)點） /*#define LCDIO P3 sbit LCD_RS=LCDIO0; sbit LCD_RW=LCDIO1; sbit LCD_E=LCDIO2; sbit CLK=LCDIO3; sbit Clear=LCDIO4; sbit BitData=LCDIO5; */ #define LCD_RSP1_2 #define LCD_RWP1_1 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 26 頁頁 共共 37 頁頁 26 #define LCD_EP1_0 #define LCD_DATAP

51、0 int time=0,count=0; /* void main(void) LCDInit(); / PrintChar(22222222222222222222222222222,1,1); PrintNum(0.023456,1,9); while(1); */ /*= =1602= =*/ /串行發(fā)送/ void SendData(uchar Data) LCD_DATA = Data; /寫指令/ void W_ZhiLing(uchar zhiling) 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 27 頁頁 共共 37 頁頁 27

52、LCD_E=1; LCD_RS=0; LCD_RW=0; SendData(zhiling); LCD_delay(1); LCD_E=0; /寫數(shù)據(jù)/ void W_Data(uchar Data) LCD_E=1; LCD_RS=1; LCD_RW=0; SendData(Data); LCD_delay(1); LCD_E=0; /按指定位置顯示一串字符/ void PrintChar(uchar *DData,uchar Y,uchar X) uchar n; if(X16) X-=16; Y+; 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第

53、28 頁頁 共共 37 頁頁 28 for(n=0;0!=DDatan;n+) W_ZhiLing(X-1+0 x40*(Y-1)|0 x80); if(_=DDatan) W_Data(0 x2d); else W_Data(DDatan); if(X+=16) X=0; Y+; /按指定位置顯示數(shù)字/ void PrintNum(double num,uchar Y,uchar X) char i=0,dot=0,sig=1; unsigned long l_Value,qz=1; char pNumToCharBIT+2; if(num1E-10;dot+) num*=10; l_Val

54、ue=num; while(l_Value/qz=10) qz*=10; sig+; sig-=dot; if(sig1) pNumToChari+=0; pNumToChari+=.; for(dot=i-sig;i0i+) if(i=sig) pNumToChari+=.; 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 30 頁頁 共共 37 頁頁 30 pNumToChari=l_Value/qz+48; l_Value%=qz; qz/=10; pNumToChari=0; PrintChar(pNumToChar,Y,X); /LCD 初始化

55、/ void LCDInit(void) /各延時不知是否足夠，時間改了未調試 LCD_delay(50); /開機延時 50ms W_ZhiLing(0 x38);/功能設置命令 LCD_delay(1); W_ZhiLing(0 x06); /光標和顯示模式設置 LCD_delay(1); W_ZhiLing(0 x0c); /顯示開關控制 光標關 LCD_delay(1); W_ZhiLing(0 x0f); LCD_delay(1); W_ZhiLing(0 x01); /清屏 LCD_delay(15); void LCD_delay(unsigned int time) /time

56、=1 即 1ms 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第第 31 頁頁 共共 37 頁頁 31 unsigned char k; unsigned int i; for(i=time0;i-) for(k=248;k0;k-) ; /*= =1602= =*/ #include delay.h void delayms(unsigned int time) /time=1 即 1ms unsigned char k; for(time0;time-) for(k=248;k0;k-) ; #include AT89X52.h #include LCD1602.h #include delay.h