计算机控制技术PID课程设计报告

1课程设计课程名称计算机控制技术题目名称高精度直流电机调速系统学生学院信息工程学院专业班级应用电子技术2班学号XXXXXXXXXXX学生姓名胡丛滟指导教师黄国宏2014年06月16日2目录一、方案论证................................................................................................................31.1.PID算法...........................................................................................................31.2.简易工程发整定PID参数..............................................................................3二、理论分析与计算.....................................................................................................32.1.系统设计方案.................................................................................................32.2.数字PID控制器.............................................................................................42.3.凑式法整定PID参数.....................................................................................52.4.直流电机调速与测速.....................................................................................6三、硬件电路设计.........................................................................................................63.1.电机驱动及传感器电路.................................................................................73.2.串口发送数据电路.........................................................................................73.3.LCD1602显示电路.........................................................................................7四、程序设计................................................................................................................84.1.PID增量式算法...............................................................................................84.2.系统程序流程图.............................................................................................84.3.消除积分不灵敏的办法.................................................................................94.4.抗积分饱和的办法.........................................................................................9五、调试过程...............................................................................................................105.1.只有比例环节...............................................................................................105.2.加入积分环节...............................................................................................115.3.加入积分分离...............................................................................................115.4.加入微分环节...............................................................................................13六、设计心得.............................................................................................................15七、参考文献..............................................................................................................15八、附录（程序).........................................................................................................163摘要本作品以单片机STC98C52为控制器，由电机、电机速度采集传感器和电机驱动组成主电路。控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过功率放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机精确控制转速和改善系统运行目的。实验数据通过LCD1602显示并通过串口发送给PC机进行波形显示。ABSTRACTThisworkSTC98C52MCUasthecontroller,drivenbyamotor,motorspeedacquisitionsensorandthecompositionofthemaincircuit.ControllertogeneratePWMpulsemotordrivecircuit,afterpoweramplificationcontroldcmotorspeed,andspeeddetectionmoduleisusedtochangethecurrentspeedfeedbacktothecontroller,thecontrollerthroughadigitalPIDcomputationafterchangingthedutyratioofPWMpulse,itcanrealizeaccuratecontrolofmotorspeedandimprovethesystemoperationpurpose.TheexperimentaldatathroughtheLCD1602displayandwaveformdisplaythroughaserialportissenttothePC.4一、方案论证1.1.PID算法方案一：采用位置式PID算法，该控制算法提供了执行机构的具体位置，PID输出与整个过去的状态有关，容易产生大的累加误差。方案二：采用增量式PID算法，增量算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样有关，对控制量的计算影响较小，易于实现手动到自动的无冲击切换。方案采用：在本实验中采用增量式PID算法。主要原因是PWM占空比和转速不成线性关系，意思就是就算知道了现在电机速度，也无法准确改变占空比来达到期望速度，采用增量式的好处是只要有误差存在就可以不断增加或者减少占空比来达到期望速度。1.2.简易工程法整定PID参数方案一：采用扩充临界比例度法，只需选取一个足够短的采样周期，只采用比例作用，不断改小比例度（δ=1/Kp），直到系统发生持续等幅振荡，记下使系统发生振荡的临界比例度δk及系统的临界振荡周期Tk，然后再通过选择控制度和根据表格查找参数就可以求得T、Kp、Ti、Td的值。方案二：采用凑试法，根据参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。方案采用：本实验采用凑试法。主要原因是扩充临界比例度法需要选择足够小的采样周期，但本系统的采样周期为1s，远大于纯滞后时间，因此不能采用扩充临界比例度法。二、理论分析与计算2.1.系统设计方案图2.1系统方案框图键盘模块控制器模块显示模块电机驱动模块直流电机速度检测模块PWM脉冲5根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图2.1所示。图中控制器模块为系统的核心部件，按键和显示器用来实现人机交互功能，其中通过按键将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。2.2.数字PID控制器模拟PID调节器的控制规律为])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtuDtIp（2.1）式中，PK为比例系数，IT为积分时间常数，DT为微分时间常数。当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。这样，式（2.1）便可离散化以下差分方程：01})]1()([)()({)(uneneTTneTTneKnuniDIP（2.2）式中0u是偏差为零时的初值；式(2.2)第一项起比例控制作用,称为比例（P）项)(nuP,即)()(neKnuPp（2.3）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项)(nuI即niIPIieTTKnu1)()(（2.4）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项)(nuD即)]1()([)(neneTTKnuDPD（2.5）式（2.2）的输出量u(n)为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（2.2）又称为位置型PID算式。由（2.2）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（2.2）进行改进。根据式（2.2）不难看出u(n-1)的表达式，即6011})]2()1([)()1({)1(uneneTTneTTneKnuniDIP（2.6）将式（2.2）和式（2.6）相减，即得数字PID增量型控制算式为)1()()(nununu)]2()1(2)([)(