基于Proteus軟件的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于Proteus軟件的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文意在介紹一種基于Proteus軟件的控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，以縮短控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程時(shí)間和降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，可以使控制系統(tǒng)即早實(shí)現(xiàn)。本文以閉環(huán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為例，采用PID算法和主從單片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，以此闡述這一設(shè)計(jì)過(guò)程，從而驗(yàn)證該方法的操作可行性。論文關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),PID控制器,輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般過(guò)程是：先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型、然后根據(jù)模型設(shè)計(jì)算法，最后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序驗(yàn)證結(jié)果，最后系統(tǒng)調(diào)試。存在時(shí)間周期過(guò)程長(zhǎng)、資金消耗大的缺點(diǎn)。而且往往不是一次成功的，特別是對(duì)于創(chuàng)新產(chǎn)品對(duì)象、過(guò)程控制量多、控制對(duì)象復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)干擾

2、嚴(yán)重的系統(tǒng)，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改或者調(diào)試。對(duì)于軟件局部重新調(diào)整、修改比擬容易；但是對(duì)于硬件或者實(shí)際控制對(duì)象進(jìn)行改造，無(wú)論是資金還是時(shí)間都是耗時(shí)巨大。為此設(shè)計(jì)者能夠在系統(tǒng)建成前，進(jìn)行整體系統(tǒng)調(diào)試仿真是非常必要的。而控制系統(tǒng)MATLAB編程與微處理器編程的不一致性，仿真時(shí)也不能直觀的反映出微處理器在系統(tǒng)中的作用，而Proteus軟件防止這類缺點(diǎn)，該軟件能夠仿真硬件和調(diào)試軟件，讓設(shè)計(jì)者能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前調(diào)試系統(tǒng)并能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題防止反復(fù)修改硬件設(shè)備。2 Proteus應(yīng)用方案及特點(diǎn)Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功

3、能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件，而且直接能夠生成PCB板。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)建模非常重要。而Proteus中含有豐富的控制對(duì)象模型和過(guò)程控制模型，可以滿足一般控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。其中類型包括電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)類模塊；過(guò)程控制類：例如溫度控制模型，溫度計(jì)和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器模型、溫度傳感器模型、熱電偶模型，壓力傳感器模型；復(fù)雜系統(tǒng)：如拉普拉斯轉(zhuǎn)換模型、一階、二階模型，非線性和線性模型等。用戶可以創(chuàng)立自己的元件模型，ISIS 中支持層次化設(shè)計(jì)使用戶能夠創(chuàng)立虛擬的測(cè)試步驟來(lái)開(kāi)發(fā)元件模型。任何模型的更改都能夠在存入預(yù)編譯網(wǎng)表前快速地評(píng)估出來(lái)。用戶也可以使用 VSM API在Windows DLLs 里用 C+

4、等編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字模型，VSM API也可以用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)器件?？刂扑惴捎蒶eil 51 編寫(xiě)，編譯生成HEX文件，裝載到單片機(jī)中完成系統(tǒng)代碼局部。3 基于Proteus的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，先建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、效率高及優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性、在控制領(lǐng)域中是比擬典型的對(duì)象。根據(jù)控制對(duì)象和該系統(tǒng)控制要求，采用比例、微分、積分PID控制器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型框圖如圖1所示。直流電機(jī)控制系統(tǒng)圖1為直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電壓，該輸入電壓與設(shè)定轉(zhuǎn)速成正比相關(guān)。為實(shí)際轉(zhuǎn)速采樣所對(duì)應(yīng)的電壓。為P

5、ID控制器輸出所對(duì)應(yīng)的電壓，并經(jīng)過(guò)功率提升PWM波放大，直接作為電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓。為實(shí)際轉(zhuǎn)速采樣和設(shè)定值的誤差。為電機(jī)轉(zhuǎn)速，直流電動(dòng)機(jī)模型是 。3.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在數(shù)學(xué)模型建立后，根據(jù)對(duì)其模型進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。分析該理論模型，實(shí)際硬件應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、實(shí)際轉(zhuǎn)速采樣局部、顯示局部、轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入局部、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)局部。單片機(jī)模塊主要完成：PID算法的實(shí)現(xiàn)、PWM波形的產(chǎn)生、實(shí)際轉(zhuǎn)速采樣、轉(zhuǎn)速設(shè)定、轉(zhuǎn)速顯示輸出?？紤]到單片機(jī)的資源有限，特別是在實(shí)現(xiàn)控制算法會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，所以采用雙單片機(jī)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，把要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)分配到不同單片機(jī)中。單片機(jī)之間采用串口通信。單片機(jī)U2主要負(fù)責(zé)完成：PID算法的實(shí)現(xiàn)，PWM

6、波形的產(chǎn)生，直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為從機(jī)。單片機(jī)U1主要負(fù)責(zé)完成：實(shí)際轉(zhuǎn)速采樣，轉(zhuǎn)速設(shè)定，轉(zhuǎn)速顯示輸出，作為主機(jī)。由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的主從關(guān)系。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)局部由L298N 構(gòu)成的PWM 功率放大器，L298N內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī)，符合本設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)速采樣局部：編碼器將鉤狀掃描針的位移轉(zhuǎn)換為電脈沖,通過(guò)單片機(jī)對(duì)采回的電脈沖進(jìn)行分析處理,與設(shè)定轉(zhuǎn)速值比擬,利用差值得到PID控制的PWM波形輸出信號(hào)，硬件系統(tǒng)如圖2所示。硬件設(shè)計(jì)圖23.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)軟件由PID算法實(shí)現(xiàn)局部、PWM波形產(chǎn)生局部、顯

7、示局部、輸入局部、串口通信局部組成。單片機(jī)根據(jù)采樣的實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比擬，得出的誤差信號(hào)。再對(duì)誤差進(jìn)行PID計(jì)算，控制PWM波形的占空比PWM即脈寬調(diào)制Pulse-width modulation，電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比成比例關(guān)系為此由I/O口產(chǎn)生的可調(diào)脈寬就可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。單片機(jī)間采用串口通信，主要完成：?jiǎn)?dòng)電機(jī)信號(hào)傳輸、電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速傳輸、單片機(jī)U1將電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和設(shè)定值差傳給單片機(jī)U2?？刂瞥绦蚴褂肒eil C51軟件開(kāi)發(fā)，對(duì)應(yīng)上面功能局部用相應(yīng)的函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)。主要包括函數(shù)PID_control(PID * PIDSTRUCT ,int backvalue)、PIDinit，函數(shù)PWM

8、_create(int x)，函數(shù)LED_display( )，函數(shù)SEARIL_communicate( )，分別主要負(fù)責(zé)PID算法實(shí)現(xiàn)局部、PWM波形產(chǎn)生局部、顯示局部、串口通信局部。其中核心局部為PID算法實(shí)現(xiàn)局部，這里采用增量控制算法，對(duì)模擬控制器進(jìn)行離散化得到增量式算法其表達(dá)式：式中kp為比例系數(shù)；T在數(shù)字系統(tǒng)中為采用時(shí)間，這里實(shí)際是兩次誤差信號(hào)的間隔時(shí)間 ； 參數(shù) Ti 和Td 分別為積分時(shí)間參數(shù)和微分參數(shù)。PID_control(PID * PIDSTRUCT ,int backvalue)函數(shù)算法如下：int PID_control(PID * PIDSTRUCT ,int b

9、ackvalue)int Error,pErr,dErr,dcontrol;Error=PIDSTRUCT -setvalue-backvalue; /偏差pErr=Error-PIDSTRUCT -sErr; /比例項(xiàng)增量式偏差dErr=Error-2*PIDSTRUCT -sErr+PIDSTRUCT -sErr【1】; /微分項(xiàng)增量式偏差dcontrol=PIDSTRUCT-Proportion*pErr+PIDSTRUCT-Derivative*dErr+PIDSTRUCT -Integral*Error; /控制量增量PIDSTRUCT -sErr【1】=PIDSTRUCT -sEr

10、r;/偏差迭代p-sErr=Error;/偏差迭代return dcontrol;/返回控制增量U1單片機(jī)和U2單片機(jī)程序結(jié)構(gòu)如下：U1單片機(jī)程序圖3 U2單片機(jī)程序圖43.3參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)分析程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)圖完成后運(yùn)行結(jié)果如圖2，顯示為當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。正如實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)，這里只能反映系統(tǒng)與設(shè)定轉(zhuǎn)速是否有靜差，而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不能直觀反映。要分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性如：超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間等，需要采用實(shí)測(cè)描點(diǎn)法來(lái)處理。雖然這樣也能滿足設(shè)計(jì)要求，但是給系統(tǒng)分析和PID參數(shù)調(diào)整帶來(lái)不便。這里將控制對(duì)象直接采用PROTEUS中的Laplace模型進(jìn)行混合仿真，將PID算法控制量用D/A轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。

11、這樣就可以進(jìn)行驗(yàn)證算法、并進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整、測(cè)量其動(dòng)態(tài)特性。完成上述對(duì)象的轉(zhuǎn)換后，利用仿真圖標(biāo)的ANALOGUE ANALYSIS;工具，并設(shè)置仿真啟止時(shí)間，參加對(duì)象輸出節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。對(duì)于本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對(duì)采樣時(shí)間，PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。在程序中分別設(shè)定不同的采樣時(shí)間和PID參數(shù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出如下。圖5為采樣時(shí)間50ms,電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值為5.0單位值，PID參數(shù)中設(shè)定比例K=10，積分時(shí)間參數(shù)Ki=2，Kd=0。控制系統(tǒng)輸出一圖5 控制系統(tǒng)輸出二圖6由圖5可以看出系統(tǒng)存在超調(diào)，可以按照PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)規(guī)律增加積分時(shí)間參數(shù)。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)間很敏感，所以對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。轉(zhuǎn)速的設(shè)定單位值不變，PID參數(shù)中設(shè)定比例K=10，積分時(shí)間參數(shù)Ki=20，Kd=0。采樣周期變?yōu)?00ms。結(jié)果如圖6所示，顯然系統(tǒng)的超調(diào)量有所變化。4 結(jié)論P(yáng)roteus具有的微處理器仿真功能和豐富的元件仿模型，為控制系統(tǒng)特別是數(shù)字控