1、課 程 設(shè) 計 課程名稱 計 算 機 控 制 技 術(shù) 題目名稱 直 流 電 機 PID 調(diào) 速 學生學院 信 息 工 程 學 院 專業(yè)班級 應(yīng) 用 電 子 技 術(shù)（4）班 學 號 * 學生姓名 杜 帥 哥 指導教師 黃 國 宏 2014 年 06 月 28 日目 錄(contents)摘要.* 第一章 方案選擇1.1 PID算法 . .*1.2 PID參數(shù)整定.*1.3 PWM脈沖控制技術(shù).*第二章 分析與計算2.1. 系統(tǒng)設(shè)計方案. . .*2.2. 數(shù)字PID控制器. .*2.3. 湊式法整定PID參數(shù). .*2.4. 直流電機測速. . .*第三章 硬件電路設(shè)計3.1. 元器件介紹. .

2、 .*3.2. 電源驅(qū)動電路. . .1*3.3. 電機調(diào)速控制電路. .1*第四章 程序設(shè)計4.1. 系統(tǒng)程序流程圖. .1*4.2. 抗積分飽和的辦法. .1*4.3. 積分分離的辦法. .1*4.4 指令冗余技術(shù)的應(yīng)用. .1*第五章 調(diào)試過程5.1. 只有比例環(huán)節(jié)(P). . .1*5.2. 加入積分環(huán)節(jié)(PI). . .2*5.3. 加入微分分離(PID) .2*5.4. 只使用比例積分環(huán)節(jié)（PD）. . .2*第六章 設(shè)計心得. . .2*第七章 參考文獻. .2*第八章 附錄（程序). .2* 摘 要現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，以及現(xiàn)代環(huán)

3、境的復雜化，使工業(yè)過程控制系統(tǒng)已成為生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備。PID控制是最為廣泛和通用的的控制方法，PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。雖然各種現(xiàn)代控制技術(shù)頻繁的出現(xiàn)，但并沒有削弱PID控制器的應(yīng)用。相反,新技術(shù)的出現(xiàn)對于PID控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。一方面,各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于PID控制器的設(shè)計之中或者是使用新的控制思想設(shè)計出具有PID結(jié)構(gòu)的新控制器,PID控制技術(shù)被注入了新的活力。另一方面,某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的PID控制,從而刺激了PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。本次課程設(shè)計以8051單片機為基礎(chǔ)設(shè)計一個PI

4、D控制器，包括電源、顯示、按鍵電路和復位晶振電路還有測速和控制電機電路，最后在Proteus與Keil搭建的仿真平臺上進行仿真。關(guān)鍵詞：PID控制器; 8051單片機； PID參數(shù)；ABSTRACTWith the growing scale of production in modern industrial production , product quality increasing the complexity of modern environmental and industrial process control systems have become essential equ

5、ipment in the production .PID control is the most widespread and common control , PID controller is its simple structure , good stability , reliable , and easy to adjust and become one of the industrial control . Although a variety of modern control technology is frequent, but did not weaken the app

6、lication of the PID controller . On the contrary, the emergence of new technologies for the development of the PID control technology played an important role in promoting .On the one hand , among the variety of new control ideas continue to be applied to the PID controller design or use of thought

7、control to design a new controller with PID structure , the PID control technology has injected new vitality . On the other hand , the development of some of the new control technology requirements for more accurate PID control , thereby stimulating the development of PID controller design and param

8、eter tuning technology .This paper based on the design of a PID controller in 8051 , including the power supply , display , button and reset circuit crystal oscillator circuit , the speed of Measurement and motor conversion circuit , and finally the simulation on Proteus and Keil simulation platform

9、 Keywords: PID controller; 8051SCM ; PID parameters 第一章 方案選擇1.1 PID算法增量式PID：是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u(k)。采用增量式算法時，計算機輸出的控制量u(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置的增量，而不是對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，因此要求執(zhí)行機構(gòu)必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。執(zhí)行機構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實現(xiàn)；也可以采用軟件來實現(xiàn)，如利用算式u(k)=u(k-1)+u(k)程序化來完成。增量式算法優(yōu)點：算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理

10、獲得比較好的控制效果；計算機每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產(chǎn)過程；手動自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。位置式PID算法，該控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的具體位置，PID輸出與整個過去的狀態(tài)有關(guān)，容易產(chǎn)生大的累加誤差。位置式PID控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。方案選擇：此次課設(shè)采用增量式PID算法，原因是PWM占空比和轉(zhuǎn)速不成

11、線性關(guān)系，無法準確改變占空比來達到期望速度，采用增量式的好處是只要有誤差存在就可以不斷增加或者減少占空比來達到期望速度，同時也不會出現(xiàn)一旦計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化的問題。1.2 PID參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的方法較多，常用的實驗整定法有：臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。數(shù)字控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴充的臨界比例度法、擴充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。擴充臨界比例度法：是對模擬控制器中使用的臨界比例度法的擴充。其步驟如下：（1）選擇一個足夠短的周期，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。（2）用選定的

12、采樣周期使系統(tǒng)工作。這時，數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐漸減小比例度，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度和系統(tǒng)的臨界振蕩周期。（3）選擇控制度。所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。控制效果的評價函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 控制度 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，當控制度為1.05時，就可以認為DDC與模擬控制效果相當；當控制度為2.0時，DDC比模擬控制效果差。（4）根據(jù)選定的控制度，查表1求得T、的值?？刂贫瓤刂埔?guī)律T1.05PI0.030.530.

13、881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22表1.擴充臨界比例度法整定參數(shù)湊試法，根據(jù)參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。湊試法整定規(guī)則：增大比例系數(shù)Kp一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間Ti有利于減小超調(diào)，減小

14、震蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)的靜差消除將隨之減慢。增大微分時間Td亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減少，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。在湊試時，可以參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。具體也可以按照以下口訣進行：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；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；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。 3方案選擇：此次課設(shè)采用湊試法。主要原因是由于被控對象

15、是直流電機，一般不具有振蕩特性，其飛升曲線是單調(diào)變化的，并沒有自平衡特性，也就是說在只有比例環(huán)節(jié)的情況下不可能出現(xiàn)等幅震蕩的情況。再者又發(fā)現(xiàn)直流電動機的純滯后時間往往為零點零幾秒左右，要選擇一個足夠短的采樣周期，使其為直流電動機對象的純滯后時間的十分之一以下，若選擇十分之一，當采用此周期作為系統(tǒng)采樣周期時，發(fā)現(xiàn)根本采集不了速度，因為測速模塊的頻率跟不上系統(tǒng)采樣頻率?；谝陨显颍蔬x擇采用湊試法來確定PID參數(shù)。1.3 PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅

16、值）。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中a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1的a為矩形脈沖，圖1的b為三角脈沖，圖1的c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當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。當窄脈沖變?yōu)槿鐖D1的d所示的單位脈沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖2a的電路是一

17、個具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖1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)其電流為電路的輸出。圖2b給出了不同窄波時的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。 圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形直流電動機具有優(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

18、程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，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

19、得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、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，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。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代，這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調(diào)

20、速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護方便,電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。下面主要介紹直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間T內(nèi)脈沖寬度為,幅值為U，由圖3可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 圖3 PWM脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： (U為脈沖幅值) 若PWM脈沖為如圖4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 （為矩形脈沖占空比） 圖4 周

21、期性PWM矩形脈沖由式4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0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。第二章 分析與計算2.1系統(tǒng)設(shè)計方案圖5.系統(tǒng)方案框圖圖5中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，按鍵和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過按鍵將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，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脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)

22、字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。 2.2. 數(shù)字PID控制器模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 上式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。當采樣周期足夠小時，在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。這樣，上式便可離散化以下差分方程： 上式中是偏差為零時的初值；比例控制作用： 積分控制作用：微分控制作用：由于輸出量u(n)為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。因此又稱為位置型PID算式。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

23、且不便于編寫程序，為此對其進行改進。得出u(n-1)的表達式：所以數(shù)字PID增量型控制算式為： 上式中稱為比例增益；稱為積分系數(shù)； 5稱為微分系數(shù)。2.3 湊式法整定PID參數(shù)增大比例系數(shù) Kp，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例 系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 增大積分時間 Ti 有利于減小超調(diào)，減小振蕩；使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。 增大微分時間 Td 亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能 力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。在湊試時，可參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調(diào)整實行先比例

24、、后積分，再微分的整定步驟。（1）首先整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。（2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小(一般縮小為原值的0.8)，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復改變比例系數(shù)與積分時間，以期待得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。（3）如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微

25、分環(huán)節(jié)。一般的系統(tǒng)D=0，1或2。只有部分滯后較大的系統(tǒng)，D值才可能調(diào)大些。2.4. 直流電機測速直流測速發(fā)電機測速可分為勵磁式和永磁式兩種。勵磁式由勵磁繞組接成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵磁電源，也不因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣。根據(jù)直流發(fā)電機的工作原理知，電刷兩端的感應(yīng)電勢 ：Ea= Cen=Ken由上式可知：電刷兩端的感應(yīng)電勢與電機的轉(zhuǎn)速成正比。直流發(fā)電機能夠把轉(zhuǎn)速信號換成電勢信號，從而用來測速。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)動機的要求為：輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線為線性。輸出特性的斜率要大。溫度變化對輸出特性的影響要小。輸出電壓的波紋要小。正反轉(zhuǎn)兩個

26、方向的輸出特性要一致。直流測速發(fā)電機的優(yōu)點是原理簡單，且在一定范圍內(nèi)能夠滿足系統(tǒng)的需求。缺點是其輸出的是電壓值，如果使用在數(shù)字信號電路里是必須得用AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。而且其需要處于線性區(qū)，但是現(xiàn)實中線性的系統(tǒng)基本上很少，故而現(xiàn)在已經(jīng)不常用。鑒于本實驗使用的是單片機控制系統(tǒng)，故而此測速方式不適用。霍爾傳感器測速是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應(yīng)，而半導體的霍爾效應(yīng)比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技

27、術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。電機每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2脈沖,且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度,則電機的實際轉(zhuǎn)速為： V=N*30;V:速度 R/minN:每秒采樣的脈沖個數(shù)霍爾傳感器輸出的是脈沖，可以直接將輸出脈沖接入單片機外部計數(shù)器，故而非常簡單實用。光電編碼器測速其效果跟霍爾測速一致，但是霍爾元件利用的是電磁產(chǎn)生脈沖，光電編碼器利

28、用的是光產(chǎn)生脈沖。它的原理是通過電動機的轉(zhuǎn)動帶動碼盤的轉(zhuǎn)動，碼盤上有很多縫隙，縫隙每經(jīng)過紅外管一次就會產(chǎn)生一個脈沖，進而直接輸入單片機，經(jīng)過算法處理得到實際轉(zhuǎn)速。方案選擇：此次課設(shè)選取的是光電碼盤測速。首先是因為同時測量霍爾元件和光電編碼器，發(fā)現(xiàn)光電編碼器的靈敏度更高，且其價格便宜。最關(guān)鍵的是它很好用。第三章 硬件電路設(shè)計3.1. 元器件介紹1. STC89C52單片機： STC89C52單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。AT89C52為4

29、0 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，

30、在本設(shè)計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。 圖6.STC89C52RC管腳圖其主要功能特性:1、兼容MCS51指令系統(tǒng)2、8k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM；3、32個雙向I/O口；4、256x8bit內(nèi)部RAM；5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；6、時鐘頻率0-24

31、MHz；7、2個串行中斷，可編程UART串行通道；8、2個外部中斷源，共8個中斷源；9、2個讀寫中斷口線，3級加密位；10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能； 82. 電機驅(qū)動方案選擇由于要對直流電機進行PID控制，因此在調(diào)節(jié)過程中電機不可避免的要進行正反轉(zhuǎn)，在此選用L298N作為電機驅(qū)動單元，此驅(qū)動可控制兩路電機，而且能滿足正反轉(zhuǎn)的要求。其電路圖7如下：圖7.L298N驅(qū)動電路模塊其中VS接外電源（最高可達35V），IN1與IN2接控制器的控制端，OUT1與OUT2接電機的正負極，ENA為使能端，高電平有效，SENA低電平有效。如果控制兩路電機，則其他端口與上面設(shè)置一樣。3.CH

32、340：是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線。在紅外方式下，CH340外加紅外收發(fā)器即可構(gòu)成USB紅外線適配器，實現(xiàn)SIR紅外線通訊。其特點是： 全速USB設(shè)備接口，兼容USBV2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。仿真標準串口，用于升級原串口外圍設(shè)備，或者通過USB增加額外串口。計算機端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50bps2Mbps。支持常用的MOD

33、EM聯(lián)絡(luò)信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。通過外加電平轉(zhuǎn)換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。支持IrDA規(guī)范SIR紅外線通訊，支持波特率2400bps到bps。軟件兼容CH341，可以直接使用CH341的驅(qū)動程序。支持5V電源電壓和3.3V電源電壓。提供SSOP-20和SOP-16無鉛封裝，兼容RoHS。 3.2. 電源驅(qū)動電路圖8.電源模塊由上圖可知電源電路將輸出一個15V和一個5V電壓，為單片機和電機系統(tǒng)提供所需的電壓。3.3. 電機調(diào)速控制電路圖9.電機調(diào)速系統(tǒng)原理圖第四章 程序設(shè)計4.1. 程序系統(tǒng)流程圖 開始 初始化 檢測 PID調(diào)節(jié) 輸出顯示 串口

34、發(fā)送數(shù)據(jù)4.2 抗積分飽和的辦法如果執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)已到達極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或者減小，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)動作，這就是積分飽和。當出現(xiàn)積分飽和時，勢必使超調(diào)量增加，控制品質(zhì)變壞。作為防止積分飽和的辦法之一，可對計算出的控制量u(k)限幅，同時把積分作用切除掉。程序體現(xiàn)如下：if(speed300)speed=300;/抗積分飽和if(speed=5&ek=-5)/積分分離 Uk=Kp*(ek-ek1)+Ki*ek+Kd*(ek-2*ek1+ek2); /增量PID elseUk=Kp*ek;speed=speed+Uk; 4.4

35、指令冗余技術(shù)的應(yīng)用當CPU受干擾后，往往將操作數(shù)當作操作碼執(zhí)行，造成程序混亂。當程序彈飛到一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌；當程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)），有可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯；當程序彈飛到一三字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)、操作數(shù)），因其有兩個操作數(shù)，從而繼續(xù)出錯機會更大 。因此，應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復書寫，提高彈飛程序納入正軌的機會，這便是指令冗余。部分程序如下：bit lcd_busy()/判斷LCD1602是否忙碌bit result;P0=0xff;RS=0;RW=1; _nop_(); _nop_()

36、;_nop_();_nop_();delay(1);EN=1;delay(1);result=(bit)(P0&0x80);EN=0;return result;void write_com(unsigned char com)/LCD1602寫命令函數(shù)while(lcd_busy();RS=0;RW=0;P0=com; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();delay(1);EN=1;delay(1);EN=0; void write_date(unsigned char date)/LCD1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)while(lcd_busy();RS=1;RW=0;P

37、0=date; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();delay(1);EN=1;delay(1);EN=0;void write_string(unsigned char *s) /液晶LCD1602顯示指針 while (*s) write_date(*s); s+; void lcd_initial()/LCD1602初始化RS=1;RW=1;EN=0; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();write_com(0x38);/設(shè)置16X2顯示，5X7點陣，8位數(shù)據(jù)接口delay(1);write_com(0x01);/顯示清零，數(shù)據(jù)

38、指針清零delay(1);write_com(0x0c);/設(shè)置開顯示，不顯示光標delay(1);write_com(0x06);/寫一個字符后地址指針加1 第五章 調(diào)試過程5.1. 只有比例環(huán)節(jié)T=1;Kp=1;Ti=0;Td=0; 無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間7s，存在靜態(tài)誤差。T=1;Kp=1.8;Ti=0;Td=0; 無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間4s，存在靜態(tài)誤差。 T=1;Kp=2.5;Ti=0;Td=0; 無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間3.5s，無靜態(tài)誤差。T=1;Kp=3.5;Ti=0;Td=0; 無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間3s，無靜態(tài)誤差。T=1;Kp=4;Ti=0;Td=0; 無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間2s，無靜態(tài)誤差。T=1;K

39、p=4.5;Ti=0;Td=0;超調(diào)2%，調(diào)節(jié)時間3s，無靜態(tài)誤差。T=1;Kp=4.8;Ti=0;Td=0;超調(diào)6%，調(diào)節(jié)時間6s，無靜態(tài)誤差。T=1;Kp=5.5;Ti=0;Td=0;超調(diào)20%，調(diào)節(jié)時間8s，無靜態(tài)誤差。由上面幾張圖的波形可以看出，參數(shù)整定在只有比例環(huán)節(jié)時KP=4.5，其結(jié)果最為理想。5.2. 加入積分環(huán)節(jié)（PI）消除積分分離：T=1;Kp=4.5;Ti=0.8;Td=0;波形振蕩，很不穩(wěn)定，電機失控。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因：在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值是，由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動

40、。為此，我采用積分分離措施，即偏差e（k）較大時，取消積分作用；當偏差e（k）較小時才將積分作用投入；引入積分分離T=1;Kp=4.5;Ti=0.8;Td=0;超調(diào)2%，調(diào)節(jié)時間2.5s，無靜態(tài)誤差。由上圖與只有比例環(huán)節(jié)的波形圖相比，系統(tǒng)的超調(diào)、振蕩、調(diào)節(jié)時間都減小，響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。積分分離T=1;Kp=4.5;Ti=0.6;Td=0; 超調(diào)4%，調(diào)節(jié)時間2.8s，無靜態(tài)誤差。經(jīng)對比積分分離時，積分環(huán)節(jié)取0.8調(diào)節(jié)時間會略短一些，系統(tǒng)響應(yīng)會更快點。5.3. 加入微分分離（PID）T=1;Kp=4.5;Ti=0.8;Td=2;超調(diào)2%，調(diào)節(jié)時間變長，無靜態(tài)誤差。由上圖與PI環(huán)節(jié)的波形

41、圖相比較可得，加入了微分環(huán)節(jié)可以減少超調(diào)，但由于微分作用響應(yīng)過于靈敏，容易引起控制過程振蕩，系統(tǒng)動態(tài)過程不理想，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)，使調(diào)節(jié)時間變長。5.4. 只使用PD環(huán)節(jié)T=1;Kp=4.5;Ti=0;Td=2; 超調(diào)2%，存在靜態(tài)誤差。由上圖與PID環(huán)節(jié)的波形比較可知，由于PD控制缺失積分環(huán)節(jié)，所以存在了較小的靜差。結(jié)論：經(jīng)過以上波形圖的參照對比，我們決定采用PI控制來整定系統(tǒng)參數(shù)，當T=1;Kp=4.5;Ti=0.8;Td=0時，我們得到了超調(diào)2%，調(diào)節(jié)時間2.5s，無靜態(tài)誤差控制。第六章 設(shè)計心得本次設(shè)計能夠順利完成，除了我自身的努力外，還有老師和同學的熱心幫助，在此我向我的指導教師黃國宏老

42、師表示衷心的感謝，在他們身上我不僅學到了大量的理論知識，更重要的是他們對工作認真負責、對問題一絲不茍的精神，這將是我人生中一筆巨大的財富，今后我將會更加努力的工作和學習，不辜負老師和同學對我的期望，在此我向他們表示深深的感謝。通過這次計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計，學會了PID控制器和光電測速模塊的設(shè)計與使用，使自己又有了新的知識積累，并鍛煉了動手能力。完成課程設(shè)計的過程中也曾出現(xiàn)很多錯誤，例如測速模塊出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不精確的現(xiàn)象。本次課程設(shè)計我們學習到了許多書本上沒有的知識，通過自己查資料和互相討論，對系統(tǒng)進行整體設(shè)計后基本達到了要求，實現(xiàn)步進電機速度閉環(huán)控制并通過對系統(tǒng)控制算法的比較，綜合考慮，選用了閉環(huán)的PID控制，使我們對PID的控制有了更深刻的認識，使自己將理論與實際相結(jié)合起來同時對51系列的單片機的設(shè)計及編程有了更深的了解，學會了很多。同時衷心感謝老師的指導。第七章 參考文獻1）于海生. 計算機控制技術(shù).機械工業(yè)出版社2）王偉，張晶濤，柴天佑. PID參數(shù)先進整定方法綜述J.自動化學報3）郭天祥. 新概念51單片機C語言教程. 電子工業(yè)出版社4）李杰. 51系列單片機輸出PWM的兩種方法5）沙占友. 單片機外圍電路設(shè)計M. 北京：電子工業(yè)出版社第八章 附錄（程序)#i