計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計報告

1、課程設(shè)計課程名稱計算機(jī)控制系統(tǒng)綜合設(shè)計與實踐題目名稱基于單片機(jī)的PID 電機(jī)速度調(diào)節(jié)專業(yè)班級 _應(yīng)用電子技術(shù)2 班_年級2011 級學(xué)生姓名張旭楷學(xué)號3111002628指導(dǎo)教師黃國宏2014年 6月 19日目錄一、 PID 算法及 PWM控制技術(shù)簡介. 21.1.PID算法 .21.1.1.模擬 PID .21.1.2.數(shù)字 PID .31.1.3.數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 .51.2.PWM脈沖控制技術(shù) .81.2.1.PWM 控制的基本原理 .81.2.2. 直流電機(jī)的 PWM控制技術(shù) .9二、 設(shè)計方案與論證 .102.1.系統(tǒng)設(shè)計方案 .102.2.電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計方案 .112.

2、3.速度采集模塊設(shè)計方案 .112.4.顯示模塊設(shè)計方案 .11三、單元電路設(shè)計 .113.1.硬件資源分配 .113.2.電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 .123.3.電機(jī)速度采集電路設(shè)計 .133.4.串行通信模塊 .14四、軟件設(shè)計 .144.1.算法實現(xiàn) .144.1.1.PID 算法 .144.1.2.電機(jī)速度采集算法 .154.2 定時程序流程 .15五、設(shè)計要求 .錯誤！未定義書簽。六、總結(jié).錯誤！未定義書簽。1一、 PID 算法及 PWM控制技術(shù)簡介1.1 、 PID 算法控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的

3、比例（P）、積分（ I ）、微分（ D）進(jìn)行的控制，稱為PID 控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬PID、數(shù)字 PID及其參數(shù)整定方法。1.1.1模擬 PID在模擬控制系統(tǒng)中， 調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID 控制，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 1.1所示，系統(tǒng)由模擬PID 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對象組成。比 例r(t)+u(t)c(t)e(t)積 分對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)-+微分圖 1.1模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值r (t ) 與實際輸出值c(t)

4、構(gòu)成的控制偏差：e(t ) = r (t ) c(t )（1.1）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I 、D基本控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)組合， 以達(dá)到對被控對象進(jìn)行有效控制的目的。例如， P 調(diào)節(jié)器， PI 調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器等。模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為u(t ) K p e(t )1te(t ) dt TDde(t ) （1.2 ）TI 0dt式中， K P 為比例系數(shù)， TI為積分時間常數(shù)，T D 為微分時間常數(shù)。簡單的說， PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：2（ 1）比例環(huán)節(jié)：即時

5、成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t) , 偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；（ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) TI ， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；（ 3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度， 減少調(diào)節(jié)時間。由式 1.2 可得，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為U(S)KP(11（1.3 ）D(S)TD S)E(S)TI S由于本設(shè)計主要采用數(shù)字PID 算法，所以對于模擬PID 只做此簡要介紹。1.1.2 、 數(shù)字

6、 PID在 DDC系統(tǒng)中，用計算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機(jī)軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計，實際上是計算機(jī)算法的設(shè)計。由于計算機(jī)只能識別數(shù)字量， 不能對連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運算， 故在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計。為將模擬 PID 控制規(guī)律按式 （ 1.2 ）離散化，我們把圖 1.1 中 r (t ) 、e(t ) 、u (t ) 、c(t )在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用r (n) 、 e(n) 、 u(n) 、 c(n) 表示，于是式（ 1.1 ）變?yōu)?：e(n) = r (n) c(n)（1.4 ）當(dāng)采樣周期 T 很小時 dt 可以用

7、T 近似代替， de(t) 可用 e(n)e(n 1) 近似代替， “積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似de(t) e(n)e(n 1)（1.5 ）dtTtne(i )Te(t )dt（1.6 ）01i這樣，式（ 1.2 ）便可離散化以下差分方程3Tne(n)TDe(n) e(n 1) u0（1.7 ）u(n) K P e(n)TTIi 1上式中 u 0 是偏差為零時的初值, 上式中的第一項起比例控制作用, 稱為比例（ P）項 uP (n) ,即u p (n)K P e( n)（1.8 ）第二項起積分控制作用, 稱為積分（ I ）項 uI (n) 即uI (n)K P Tne(i )（1

8、.9 ）TIi1第三項起微分控制作用, 稱為微分（ D）項 u D (n ) 即uD (n)K P TD e(n)e(n 1)（ 1.10 ）T這三種作用可單獨使用( 微分作用一般不單獨使用) 或合并使用 , 常用的組合有 :P控制 :u(n)uP ( n)u0（ 1.11 ）PI 控制:PD控制 :PID 控制 :u( n)uP (n)u I (n)u0（ 1.12 ）u(n)uP (n)uD (n)u0（ 1.13 ）u (n)u P (n)uI (n)u D (n) u0（ 1.14 ）式（ 1.7 ）的輸出量u ( n ) 為全量輸出 , 它對于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位

9、置。因此 , 式（ 1.7 ）又稱為位置型PID 算式。由（ 1.7 ）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e( i ) , 不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.7 ）進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（ 1.7 ）不難看出 u(n-1) 的表達(dá)式，即Tn 1TDe(n 1)e(n 2) u0（1.15 ）u(n 1) K P e(n 1)e(n)TTIi 1將式（ 1.7 ）和式（ 1.15 ）相減，即得數(shù)字PID 增量型控制算式為4u(n)u(n)u(n1)K P e(n) e(n 1) K I e(n) K D e(n) 2e(n 1) e(n 2)（ 1.16 ）從

10、上式可得數(shù)字PID 位置型控制算式為u(n)K P e(n)e( n1)K I e( n)K D e( n)2e(n1)e(n2)u0（ 1.17 ）式中：K P 稱為比例增益；K ITKP TI稱為積分系數(shù)；K DK PTD稱為微分系數(shù) 1。T數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字PID 增量型示意圖分別如圖1.2 和 1.3 所示：r(t)+e(t)PIDuc(t)控制器被控對象位置算法-圖 1.2數(shù)字 PID 位置型控制示意圖r(t)+e(t)PIDuc(t)增量算法控制器被控對象-圖 1.3數(shù)字 PID 增量型控制示意圖1.1.3 、 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)

11、具體過程的要求來考慮。一般來說， 要求被控過程是穩(wěn)定的， 能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小， 在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面， 并兼顧其它方面。PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此， 實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象5的數(shù)學(xué)模型，簡單易行。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗

12、糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。（ 1）擴(kuò)充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時， 去掉積分作用和微分作用， 使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度（1 / K P ）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度K 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期Tk 。選擇控制度： 所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤

13、差平方面積e2 (t ) 表示。0e2 ( t ) dt DDC控制度0（ 1.18 ）e 2 ( t )dt 模擬0實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當(dāng)控制度為 1.05 時，就可以認(rèn)為 DDC與模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度為 2.0 時， DDC比模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表1.1 求得 T、 K P 、 TI、TD 的值1。表 1.1擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TK PTITD1.05PI0.03TK0.53K0.88TK1.05PID0.014TK0.63K0.49TK0.14TK1.20PI0.05TK0.49K0.91

14、TK1.20PID0.043TK0.047K0.47TK0.16TK1.50PI0.14TK0.42K0.99TK61.50PID0.09TK0.342.00PI0.22TK0.362.00PID0.16TK0.27（ 2）經(jīng)驗法K0.43 TK0.20 TKK 1.05 TKK0.40 TK0.22 TK經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來調(diào)整 P、 I 、 D三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進(jìn)行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復(fù)慢，積分時間

15、往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長。下面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)K I =0，實際微分系數(shù)K D =0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)K P ，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。取比例系數(shù)K P 為當(dāng)前的值乘以0.83 ，由小到大增加積分系數(shù)K I ，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)K I 保持不變， 改變比例系數(shù)K P ，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)K P 增大一些，

16、再調(diào)整積分系數(shù)K I ，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)K P 和積分系數(shù) K I 為止。引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù)K D 和實際微分時間T D ，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)K P 和積分系數(shù) K I 。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般P可在10 以上 ,I在（ 3、 10）之間 ,D 在 1 左右。小慣量如：一個小電機(jī)閉環(huán)控制，一般P 在（ 1、710）之間 ,I在（ 0、5）之間 ,D 在（ 0.1 、 1）之間 , 具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進(jìn)行修正。1.2 、 PWM脈

17、沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。1.2.1 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1.4 中 a、b、c 所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1.4 的 a 為矩形脈沖，圖1.4 的 b 為三角脈沖，圖1.4 的 c 為

18、正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4 的 d 所示的單位脈沖函數(shù)(t) 時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。f(t)f(t)f(t)f(t)0t 0t 0t 0tabcd圖 1.4形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 1.5a的電路是一個具體的例子。圖中e(t) 為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖1.4的 a、 b、 c、d 所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L 電路上，設(shè)其電流 i (t) 為電路的輸出。 圖 1.5b 給出了不同窄波時i(t) 的響應(yīng)波形。從波形可以看出， 在 i

19、 (t )的上升段， 脈沖形狀不同時i (t ) 的形狀也略有不同， 但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i (t ) 波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng)i (t ) 也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各i (t ) 在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2 。8i(t)i(t)Radcbe(t)La0ib圖 1.5沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形1.2.2直流電機(jī)的 PWM控制技術(shù)直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載， 可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、 制動和反轉(zhuǎn)； 能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，

20、在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。 針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中， 大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。 直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性

21、好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。同樣，由于開關(guān)頻率高 , 快速響應(yīng)特性好 , 動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)， 可以獲得很寬的頻帶； 開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)， 因此主電路損耗小、 裝置效率高； 直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 正因為直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點， 并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。根據(jù) PWM控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時間T 內(nèi)脈沖寬度為t 0 , 幅值為U，由圖 1.6 可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：U(t)U90

22、t 0Ttt0Ut 0即為占空比，則上式可化為：U 0，若令，TTU 0U (U 為脈沖幅值 )（1.19 ）若 PWM脈沖為如圖 1.7 所示周期性矩形脈沖， 那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即U 0nt0 Ut0UU （為矩形脈沖占空比）（ 1.20 ）nTTU(t)U0t 0T2t 02T3t 03T4t 0nT (n+1)t0t圖 1.7周期性 PWM矩形脈沖由式 1.20 可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U 和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0 U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用PW

23、M控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。二、 設(shè)計方案與論證2.1系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(tǒng)方框圖如圖2.1 所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件， 鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中， 并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動電路中， 經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID 運算后改變PWM脈沖的占空比， 實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實時控制的目的。10顯示模塊PWM脈沖鍵盤模塊控制器模塊電機(jī)驅(qū)動模塊直流電機(jī)速度檢測模塊圖 2.1系統(tǒng)方案框圖2.2

24、電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計方案ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003A 由 7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時驅(qū)動7 組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。2.3速度采集模塊設(shè)計方案采用對射式光電傳感器。其檢測方式為： 發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準(zhǔn)接受器， 當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進(jìn)行測量。2.4顯示模塊設(shè)計方案采用 1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率

25、低、硬件電路簡單、可對字符進(jìn)行顯示。三、 單元電路設(shè)計3.1硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖3.1 所示。采用51 單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置，通過51 的 P3.3 口將電脈沖信號送入單片機(jī)處理，L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動模塊，利用1602LCD顯示器113.2電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運行，在這里選用L298N 電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)， 該芯片是由四個大功率晶體管組成的H 橋電路構(gòu)成， 四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓

26、管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和 SENSEB?）用來連接電流檢測電阻，Vss 接邏輯控制的電源。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源。IN1-IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、 ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。其電路如圖 3.3 所示，利用兩個光電耦合器將單片機(jī)的I/O 與驅(qū)動電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖控制 L298N 的選通端 7 ，使電機(jī)在 PWM脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護(hù)作用。12圖 3.3電機(jī)驅(qū)動電路3

27、.3 電機(jī)速度采集電路設(shè)計在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過偏差進(jìn)行PID 運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個等分凹槽如圖3.5 （ a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準(zhǔn)凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖3.4 （ b）所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在P3.3 的輸出端就會產(chǎn)生N 個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)

28、量來計算電機(jī)此時轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運行時，P3.3 將輸出如圖3.5 所示的脈沖，若知道一段時間t 內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機(jī)轉(zhuǎn)速v=r/s 。+5VR1R2470 P3.3200發(fā)光二極管圓盤光敏三極管13(a)(b)圖 3.4電機(jī)速度采集方案3.4 串行通信模塊主要用于與電腦通信繪畫PID 波形四、軟件設(shè)計4.1算法實現(xiàn)4.1.1 PID算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法為PID 算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差e(n) ，對偏差進(jìn)行P、 I 、 D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié) 10 ，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運算公式為：

29、K e(n) e(n 1)Ke(n)KDe(n)u(n) PI2e(n 1)e(n2)u0因此要想實現(xiàn)PID 控制在單片機(jī)就必須存在上述算法，其程序流程如圖4.1 所示。14計算 e(n)計算 KIe(n)計算 KP(e(n)-e(n-1)計算 KD(e(n)-2e(n-1)+e(n-2)計算u(n)計算u(n) u(n-1)e(n-1) e(n-2)e(n) e(n-1)u(n) u(n-1)返回圖4.1PID程序流程4.1.2電機(jī)速度采集算法本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個非常重要的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設(shè)計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為：n60v= Ntr/m

30、in從這里可以看出速度v 的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的，為了減少系統(tǒng)誤差應(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設(shè)計中取凹槽數(shù)N 為 120，采樣時間 t 為 0.5s ，則速度計算具體程序流程如圖4.2 所示。t=0.5s?NY計算 r=n/120計算 v=(r/0.5)*60返回4.2 定時程序流程在本系統(tǒng)中定時器T0 中斷子程序是用來控制電機(jī)運行時間和進(jìn)行速度計算和PID 運算，其程序流程如圖4.5 所示。脈沖計數(shù)時N間 0.5s?Y速度計算PID 運算各變量重新賦值顯示數(shù)據(jù)刷新定時器 T0 賦初值RETI15五、設(shè)計要求5.1 選用哪種 PID 結(jié)構(gòu)，為什么？選用 PI 結(jié)構(gòu)，因為

31、PI 結(jié)構(gòu)綜合了P 調(diào)節(jié)器和I 調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，能夠更好的減小超調(diào)、消除穩(wěn)態(tài)誤差。由于在本次PID 整定過程中，PI 結(jié)構(gòu)已滿足系統(tǒng)要求，所以采用PI 結(jié)構(gòu)。5.2 通過波形圖說明 PID 算法參數(shù)整定規(guī)程（ 1）【 P 結(jié)構(gòu)】 V=60r/s,kp=0.5,靜差 =2，超調(diào) =5v=60r/s kp=0.81。超調(diào) =3靜差 =1。（ 2）【 PI 結(jié)構(gòu)】系統(tǒng)超調(diào)基本消除，但存在靜差，因此需要加入積分環(huán)節(jié)。先16設(shè) Ki 為一較大值，并將Kp 縮小。 V=60r/s, kp=0.72， ki=0.02 。（ 3）【 PID 結(jié)構(gòu)】加入微分環(huán)節(jié)后。 Kp=0.72 ， ki=0.2 ， kd=0.1 。系統(tǒng)出現(xiàn)Kp=0.72 ， ki=0.2 ， kd=0.2 。系統(tǒng)出現(xiàn)靜差，靜差=1175.3 比較控制算法分別采用P、PI 、PD 、PID ，控制效果的不同之處。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(jìn)行控制的。比例（ P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。積分（ I ）控