？ 學 院 課程設計說明書 題目 基于單片機的數(shù)字 PID控制直 流電機 PWM調壓調速器系統(tǒng) 系 (部 ) 電子與通信工程系 專業(yè) (班級 )電氣工程及其自動化 姓名 學號 指導教師 起止日期 II 計算機 控制 課程 設計任務書 系（部）： 電子與通信工程 系 專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導教師 ： 學生姓名 學號 班級 課題名稱 基于單片機的數(shù)字 PID 控制直流電機 PWM 調壓調速器系統(tǒng) 內容及任務 1、運用 A/D 轉換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉換為數(shù)字量作為控制直流電機速度的 給定值 ； 2、用壓控振蕩器模擬直流電機的運行（電壓高 -轉速高 -脈沖多），單片機在單位時間內對脈沖計數(shù)作為電機速度的 檢測值 ； 3、應用數(shù)字 PID 模型作單片機控制編程，其中 P、 I、 D 參數(shù)可按鍵輸入并用 LED 數(shù)碼顯示； 4、單片機 PWM 調寬輸 出作為 輸出值 ，開關驅動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現(xiàn)對直流電機的 PID 調壓調速功能。 擬達到的要求或技術指標 運用所學知識設計組建計算機自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制功能，達到控制指標。本課題使用 S51 單片機及 A/D、 D/A 轉換器運用 PID 控制編程，完成對直流電機的 PID 調壓調速功能。 要求完成 1、模擬直流電機（壓控振蕩器）電路設計； 2、單片機控制系統(tǒng)（參數(shù)鍵入、 LED 顯示）設計； 3、給定值輸入、檢測值輸入、 PWM 輸出驅動電路設計； 4、 PID 控制程序、 PWM 驅動程序設計； 5、 PID 參數(shù)整定。 進 起止日期 工作內容 備注 III 度安排 星期一 上午： 下午： 星期二 上午： 下午： 星期三 上午： 下午： 星期四 上午： 下午： 星期五 上午： 下午： 課程設計動員、學生討論選擇課題； 課題論證、課題講解、課題答疑。 學生查閱、收集設計資料； 選擇、初建設計方案。 設計、仿真各單元電路； 設計單片機控制系統(tǒng)電路。 數(shù)字 PID 控制編程； 控制程序仿真、控制功能調試。 P、 I、 D 參數(shù)整定； 撰寫課程設計報告。 主要參考資料 單片機原理與應用、 PWM 調制技術、計算機控制技術。 教研室 意見 年 月 日 系（部）主管領導意見 年 月 日 IV 長沙學院課程設計鑒定表 姓名 學號 專業(yè) 電氣自動化 班級 設計題目 基于單片機的數(shù)字 PID控制直流電機 PWM調壓調速器系統(tǒng) 指導教師 指導教師意見 ： 評定等級： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見 ： 評定等級： 答辯小組長簽名： 日期： 教研室意見： 教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見： 系主任簽名： 日期： 說明 課程設計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類； V 目 錄 第 1 章 PID 簡介 . 1 第 2 章 設計原理 . 2 第 3 章 設計方案 . 3 3.1 PWM 的調制 . 3 3.2 基于單片機的數(shù)字 PID 控制直流電機 PWM 調壓調速器系統(tǒng) . 5 3.2.1 調速原理 . 5 3.2.2 基于單片機的數(shù)字 PID 控制直流電機 PWM 調 壓調速器系統(tǒng)原理圖 . 6 3.2.3 波形仿真 . 7 3.2.4 PID 調速程序 . 8 第 4 章 心得體會 .13 參考文獻 .14 1 第 1 章 PID 簡介 PID （比例積分微分 ， 英文全稱為 Proportion Integration Differentiation） 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它 以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù) 學模型時，控制理論的 其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。 PID 控制，實際中也有 PI和 PD 控制。 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行控制的。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括 起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實際運行中進行最后調整與完 善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。 PID（比例 -積分 -微分）控制器作為最早實用化的控制器已有 50 多年歷史，現(xiàn)在仍是應用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。 PID 控制器由比例 單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t)與輸出 u (t)的關系為 u(t)=kp(e(t)+1/TI e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是 0和 t 因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 為比例系數(shù)； TI 為積分時間常數(shù)； TD 為微分時間常數(shù)。 本次課程設計就是應用數(shù)字 PID 模型作單片機控制編程，其中 P、 I、 D 參數(shù)可按鍵輸入并用 LED 數(shù)碼顯示；單片機 PWM 調寬輸出，開關驅動、電子濾波控制模擬電機（壓控振 蕩器）實現(xiàn)對直流電機的 PID調壓調速功能。 . 2 第 2 章 設計原理 基本的設計核心是運用 PID 調節(jié)器，從而實現(xiàn)直流電機的在帶動負載的情況下也能穩(wěn)定的運行。 運用 A/D 轉換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉換為數(shù)字量作為控制直流電機速度的給定值； 用壓控振蕩器模擬直流電機的運行（電壓高 -轉速高 -脈沖多），單片機在單位時間內對脈沖計數(shù)作為電機速度的檢測值； 應用數(shù)字 PID 模型作單片機控制編程，其中 P、 I、 D 參數(shù)可按鍵輸入并用 LED 數(shù)碼顯示； 單片機 PWM 調寬輸出作為輸出值，開關驅動、 電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現(xiàn)對直流電機的 PID 調壓調速功能。 基于以上的核心思想，我們把這次設計看成五個環(huán)節(jié)組成，其具體的 原理 如下 見原理圖 2.0 圖 2.0 PID 調速設計原理圖 如圖可以知道，這是一個閉環(huán)系統(tǒng)，我們借助單片機來控制，我們現(xiàn)運用 AD 芯片，運用單片機來控制 AD 芯片來轉換模擬電壓到數(shù)字電壓， AD 給定的電壓越大，則產生的數(shù)字量越大，單片機再控制這個數(shù)字量來產生一個 PWM， PWM 占空比越大，就驅動晶體管導通的時間越長，這樣加到壓頻轉換器的電壓也 就越大，電壓越大， 則壓頻轉換器輸出的計數(shù)脈沖再單位時間也就越多，這樣就相當于電機的電壓越大，其轉速也就會越快，我們再用單片機對壓頻轉換器的輸 出 脈沖 計數(shù)， PID 調節(jié)器就把這個計數(shù)脈沖和預先設定的 值進行比較，比設定值小，這樣就會得到一個偏差，再把這個偏差加到 AD 的給定電壓，這樣就相當于加大了 PWM 的占空比，要是比設定值大，這樣也會得到一個偏差，就把這個變差與給定的電壓向減，這樣就可以減少 PWM 的占空比，通過改變占空比來改變晶體管的導通時間，就可以改變壓頻轉換器的輸入電壓，也就改變壓頻轉換器的單位計數(shù)脈沖， 達到 調電動機速度的目的。 3 第 3 章 設計方案 3.1 PWM 的調制 AD 芯片給定一定的電壓，應用單片機來控制來產生一個 PWM,給定的電壓不同 ，就會的得到不同的PWM 波形 。在產生 PWM 波形我們采用 ADC0808 芯片和 AT89C51 兩個核心器件。 ADC0808 芯片是要外加電壓和時鐘，當輸入不同的電壓的時候，就可以把不同的電壓模擬量轉化為數(shù)字值，輸入的電壓越大，其轉換的相應的數(shù)字也就會越大， ADC0808 芯片有 8 個通道輸入和 8 個通道輸出。其具體的管腳圖見 3.01 圖 3.01 ADC0808 芯片管腳圖 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051 是一種帶2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存 儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖 3.02 所示 圖 3.02 AT89C51 芯片管腳圖 PWM 產生的電路圖見圖 3.03 4 圖 3.03 PWM 產生的電路圖 在 PROTEUS 仿真中，我們改變不同的電壓就可以得到不同的 PWM 波形。 在給定很高（ FC）的電壓的時候，得到占空比很的 PWM 波形，見圖 3.04 圖 3.04 高占空比 PWM 波形 在給定一般 (7F)的電壓的時候，得到占空比很的 PWM 波形，見圖 3.05 圖 3.05 中 占空比 PWM 波形 在給定一般 (01)的電壓的時候，得到占空比很的 PWM 波形，見圖 3.06 圖 3.06 低占空比 PWM 波形 PWM 源程序 ADC EQU 35H ；定義 ADC0808 時鐘芯片 CLOCK BIT P2.4 5 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO START: MOV TMOD,#02H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV IE ,#82H SETB TR0 WAIT:CLR ST SETB ST CLR ST ；啟動 A/D 轉換等待結果 JNB EOC,$ SETB OE MOV ADC,P1 ；啟動 /D 轉換結果 CLR OE SETB PWM ；PWM 輸出 MOV A,ADC LCALL DELAY CLR PWM MOV A,#0FEH SUBB A,ADC LCALL DELAY SJMP WAIT INT_TO:CPL CLOCK RETI ；提供 ADC0808 時鐘 信號 DELAY: CJNE A ,#00H, L INC A L: MOV R6,#1 D1:DJNZ R6 ,D1 DJNZ ACC,D1 RET END 3.2 基于單片機的數(shù)字 PID 控制直流電機 PWM 調壓調速器系統(tǒng) 3.2.1 調速原理 當 基于以上產生一個 PWM 后，就可以借助 PWM 脈沖來控制晶體管的導通和關斷，來給壓頻轉換器來提供一定的電壓，在 PROTUES 中仿真中，給定一個 +12V 的電壓，就通過晶體管的導通和關斷來給壓頻轉換器 6 供電，壓頻轉換器 就會輸出很多的脈沖，借助單片機 P3.5 來計數(shù)，其計數(shù)送給 P0 來顯示，通過給定不同的 ADC 的輸入電壓，就可以的得到不同的計數(shù)顯示，電壓越大，其計數(shù)顯示也就越大，通過改變計數(shù)脈沖的周期和硬件壓頻轉換器（ LM331）的電阻和電容，就可以得到與輸入電壓接近的數(shù)值顯示，可能由于干擾的原因，其顯示值和實際值有一點偏差，這是在沒有什么負載的情況下，或者說是在空載的情況下，這樣就可以得到一個很理想的開環(huán)系統(tǒng)，也為閉環(huán) PWM 調節(jié)做好準備。 當開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，加上一個擾動，或者說是加上負載，這樣就使的壓頻轉換器的電壓減少，在給 定一定電壓的時候，當負載分壓的時候，也就相當于直流電機的電壓就會減少，這樣直流電機的轉速就會下降，或者說當有負載的時候，壓頻轉換器的輸入電壓就會減少，這樣輸入的脈沖在單位時間就會減少，這樣 PID 調節(jié)器，通過改變 PID 的參數(shù)， PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t)與輸出 u (t)的關系為 u(t)=kp(e(t)+1/TI e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是 0 和 t 因此它的傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 為比例系數(shù)； TI 為積分時間常數(shù)； TD為微分時間常數(shù) 這樣就會得到一個偏差，通過這個偏差來改變原來的 PWM 的占空比，使得晶體管的導通時間加長或減少，這樣就改變了直流電機的輸入電壓，也就是該變了在 PROTUES 壓頻轉換器的輸入電壓，使得輸出的計數(shù)脈沖在單位時間發(fā)生改變，也就是模擬了直流電機的轉速的改變，我們希望通過 PID 的調節(jié)，使得輸出的計數(shù)脈沖的顯示值和預先設定的值接近，由于偏差的存在，使得 PID 調節(jié)器不斷的去修正，使得顯示值近可能的接近我們所預期的設定值。 3.2.2 基于單片機 的數(shù)字 PID 控制直流電機 PWM 調壓調速器系統(tǒng)原理圖 圖 3.07 PID 調速原理圖 7 3.2.3 波形仿真 在不同的給定電壓下開換系統(tǒng)會有不同的 PWM 波形和計數(shù)脈沖個數(shù)。 在不同的波形中從上之下以此為 pwm 波形，經過驅動后的波形， LM331 的輸入電壓， LM331 的輸出脈沖。 當給定電壓為較高（ E8H）其波形見如下圖 3.08 圖 3.08 高電壓給定對應的波形 當給定電壓為較高（ 7FH）其波形見如下圖 3.09 圖 3.09 中電壓給定對應的波形 當給定電壓為較高（ 08H）其波形見如下圖 3.10 8 圖 3.10 低電壓給定對應的波形 ； PID LM331 的輸入電壓波形圖 3.11 圖 3.11 PID 控制 LM331 的輸入電壓波形 3.2.4 PID 調速程序 PWM 輸出驅動程序 ADC EQU 35H CLK BIT P2.4 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7 ； PID 調節(jié)設置 EK0 EQU 40H EK1 EQU 41H EK2 EQU 42H PP EQU 43H II EQU 44H 9 DD EQU 45H UK0 EQU 70H UK1 EQU 71H ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO START: MOV TMOD, #62H MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV IE, #86H SETB TR0 ； SETB TR1 MOV R0, #00 MOV R1, #00 MOV R2, #00 MOV R3, #00 MOV R4, #00 MOV R5, #00 MOV R6, #00 MOV R7, #00 ；PID 賦值 MOV PP, #05 MOV II, #03 MOV DD, #02 MOV EK0,#00H MOV EK1,#00H MOV EK2,#00H MOV UK0,#00H MOV UK1,#00H WAIT: CLR OE INC R7 CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC, $ ； 等待轉換完成 10 SETB OE MOV ADC, P1 MOV R0,ADC MOV A,70H ADDC A,ADC MOV ADC ,A ；CLR OE SETB PWM SETB TR1 MOV A, ADC LCALL DELAY ； 高電平延時 CLR PWM MOV A, #255 SUBB A, ADC LCALL DELAY ； 低電平延時 CJNE R7, #20, WA2 WA1: CLR TR1 MOV R7, #00 MOV A, TL1 MOV 50H,A mov P0,50H ；PID 求偏差 MOV A,EK1 MOV EK2,A MOV A,EK0 MOV EK1,A MOV A,R0 SUBB A,50H MOV EK0,A ；PP 的計算 MOV A,EK0 SUBB A,EK1 MOV B,PP MUL AB MOV R1,A MOV R2,B AJMP X WAIT1:AJMP WAIT ；II 的計算 11 X: MOV A,EK0 MOV B,II MUL AB MOV R3,A MOV R4,B ；DD 的計算 MOV A,EK1 RL A MOV EK1,A MOV A,EK0 SUBB A,EK1 ADDC A,EK2 MOV B,DD MUL AB MOV R5,A MOV R6,B ；PID 總的計算 MOV A,R1 ADDC A,R3 ADDC A,R5 MOV 60H,A MOV A,R2 A