PID控制直流电机速度

西安科技大学电控学院毕业设计（论文）1摘要在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后可以通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。关键词：数字PID；PWM脉冲；占空比；无静差调节西安科技大学电控学院毕业设计（论文）2前言21世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构、加到被控系统上；控制系统的被控量、经过传感器、变送器、通过输入接口送到控制器。不同的控制系统、传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。受益于数十年来全球经济高速成长所获得的PID控制成果,在中国市场，一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了医疗、汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。但是由于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过程控制方面PID控制技术的应用更是越来越广泛和深入。随着科技的进步，人们对生活舒适性的追求将越来越高，PID控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新技术，正越来越受到国内外各行业的高度重视。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、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，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据偏差的比例、积分、微分进行控制的。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比西安科技大学电控学院毕业设计（论文）3关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。因此在运动控制系统中PID控制技术应用更为广泛，是机器人等高技术领域的技术基础，它可以对运动部件的位置、速度等进行实时控制管理，使其符合相应的控制要求。被广泛应用于汽车制造、医疗、铁道运输、航天航空、钢铁生产等领域，并受到各行各业地重视。其中电机速度的控制在运动控制理论中占有至关重要的作用，本设计主要应用数字PID算法，利用PWM调制技术实现电机转速的控制。随着社会的发展用户对其性能提出了越来越高的要求，借助于数字和网络技术的智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面，各种新技术的应用也大大提高了运动控制系统的性能，高频化、交流化和网络化成为今后的发展方向。本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的应用，纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。其设计思路为：以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。本次设计系统的主要特点：（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；西安科技大学电控学院毕业设计（论文）4（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；（4）128×64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；（5）利用Proteus软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，避免不必要的损失；（6）采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；（7）系统性能指标：超调量8％；调节时间4s；转速误差1r/min。西安科技大学电控学院毕业设计（论文）5比例微分积分执行机构对象r(t)+-++u(t)c(t)e(t)1PID算法及PWM控制技术简介1.1PID算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。1.1.1模拟PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图1.1所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。图1.1模拟PID控制系统原理框图PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(tr与实际输出值)(tc构成的控制偏差：)(te=)(tr－)(tc（1.1）将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。模拟PID调节器的控制规律为])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtuDtIp（1.2）式中，PK为比例系数，IT为积分时间常数，DT为微分时间常数。简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号)(te,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；西安科技大学电控学院毕业设计（论文）6（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数IT，IT越大，积分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由式1.2可得，模拟PID调节器的传递函数为)11()()()(STSTKSESUSDDIP（1.3）由于本设计主要采用数字PID算法，所以对于模拟PID只做此简要介绍。1.1.2数字PID在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式（1.2）离散化，我们把图1.1中)(tr、)(te、)(tu、)(tc在第n次采样的数据分别用)(nr、)(ne、)(nu、)(nc表示，于是式（1.1）变为：)(ne=)(nr－)(nc（1.4）当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，)(tde可用)1()(nene近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似Tnenedttde)1()()(（1.5）tniTiedtte01)()(（1.6）这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程01})]1()([)()({)(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.7）上式中0u是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项)(nuP,即)()(neKnuPp（1.8）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项)(nuI即西安科技大学电控学院毕业设计（论文）7PID位置算法控制器被控对象r(t)+-e(t)uc(t)niIPIieTTKnu1)()(（1.9）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项)(nuD即)]1()([)(neneTTKnuDPD（1.10）这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:P控制:0)()(ununuP（1.11）PI控制:0)()()(unununuIP（1.12）PD控制:0)()()(unununuDP（1.13）PID控制:0)()()()(ununununuDIP（1.14）式（1.7）的输出量)(nu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（1.7）又称为位置型PID算式。由（1.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差)(ie,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（1.7）进行改进。根据式（1.7）不难看出u(n-1)的表达式，即011})]2()1([)()1({)1(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.15）将式（1.7）和式（1.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为)1()()(nununu)]2()1(2)([)()]1()([neneneKneKneneKDIP（1.16）从上式可得数字