计算机控制关键技术专业课程设计方案报告.doc
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1、课程设计 课程名称 计算机控制系统综合设计和实践 题目名称 基于单片机PID电机速度调整专业班级_ 应用电子技术2班 _年 级 级 学生姓名 张旭楷 学 号 指导老师 黄国宏 6月19日目录一、 PID算法及PWM控制技术介绍21.1.PID算法21.1.1.模拟PID21.1.2.数字PID31.1.3.数字PID参数整定方法51.2.PWM脉冲控制技术71.2.1.PWM控制基础原理71.2.2.直流电机PWM控制技术8二、 设计方案和论证102.1.系统设计方案102.2.电机驱动模块设计方案112.3.速度采集模块设计方案102.4.显示模块设计方案10三、 单元电路设计113.1.硬
2、件资源分配113.2.电机驱动电路设计113.3.电机速度采集电路设计123.4.串行通信模块13四、软件设计144.1.算法实现144.1.1.PID算法144.1.2.电机速度采集算法144.2定时程序步骤15五、设计要求16六、总结24一、 PID算法及PWM控制技术介绍1.1、PID算法控制算法是微机化控制系统一个关键组成部分,整个系统控制功效关键由控制算法来实现。现在提出控制算法有很多。依据偏差百分比(P)、积分(I)、微分(D)进行控制,称为PID控制。实际经验和理论分析全部表明,PID控制能够满足相当多工业对象控制要求,至今仍是一个应用最为广泛控制算法之一。下面分别介绍模拟PID
3、、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,调整器最常见控制规律是PID控制,常规PID控制系统原理框图图1.1所表示,系统由模拟PID调整器、实施机构及控制对象组成。 图1.1 模拟PID控制系统原理框图PID调整器是一个线性调整器,它依据给定值和实际输出值组成控制偏差: = (1.1)将偏差百分比、积分、微分经过线性组合组成控制量,对控制对象进行控制,故称为PID调整器。在实际应用中,常依据对象特征和控制要求,将P、I、D基础控制规律进行合适组合,以达成对被控对象进行有效控制目标。比如,P调整器,PI调整器,PID调整器等。模拟PID调整器控制规律为 (1.2)式
4、中,为百分比系数,为积分时间常数,为微分时间常数。简单说,PID调整器各校正步骤作用是:(1)百分比步骤:即时成百分比地反应控制系统偏差信号,偏差一旦产生,调整器立即产生控制作用以降低偏差;(2)积分步骤:关键用于消除静差,提升系统无差度。积分作用强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越弱,反之则越强;(3)微分步骤:能反应偏差信号改变趋势(改变速率),并能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效早期修正信号,从而加紧系统动作速度,降低调整时间。由式1.2可得,模拟PID调整器传输函数为 (1.3)因为本设计关键采取数字PID算法,所以对于模拟PID只做此简明介绍。1.1.2、 数字PI
5、D在DDC系统中,用计算机替换了模拟器件,控制规律实现是由计算机软件来完成。所以,系统中数字控制设计,实际上是计算机算法设计。因为计算机只能识别数字量,不能对连续控制算式直接进行运算,故在计算机控制系统中,首先必需对控制规律进行离散化算法设计。为将模拟PID控制规律按式(1.2)离散化,我们把图1.1中、在第n次采样数据分别用、表示,于是式(1.1)变为 : = (1.4)当采样周期T很小时能够用T近似替换,可用近似替换,“积分”用“求和”近似替换,即可作以下近似 (1.5) (1.6)这么,式(1.2)便可离散化以下差分方程 (1.7)上式中是偏差为零时初值,上式中第一项起百分比控制作用,称
6、为百分比(P)项,即 (1.8)第二项起积分控制作用,称为积分(I)项即 (1.9)第三项起微分控制作用,称为微分(D)项即 (1.10)这三种作用可单独使用(微分作用通常不单独使用)或合并使用,常见组合有:P控制: (1.11)PI控制: (1.12)PD控制: (1.13)PID控制: (1.14)式(1.7)输出量为全量输出,它对于被控对象实施机构每次采样时刻应达成位置。所以,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,不仅要占用较多存放单元,而且不便于编写程序,为此对式(1.7)进行改善。依据式(1.7)不难看出u(n-1)表示式
7、,即 (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 (1.16) 从上式可得数字PID位置型控制算式为 (1.17)式中: 称为百分比增益; 称为积分系数; 称为微分系数1。数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别图1.2和1.3所表示:图1.2 数字PID位置型控制示意图 图1.3 数字PID增量型控制示意图1.1.3、 数字PID参数整定方法怎样选择控制算法参数,要依据具体过程要求来考虑。通常来说,要求被控过程是稳定,能快速和正确地跟踪给定值改变,超调量小,在不一样干扰下系统输出应能保持在给定值,操作变量不宜过大,在系统和环境参数发生改变时控制应
8、保持稳定。显然,要同时满足上述各项要求是很困难,必需依据具体过程要求,满足关键方面,并兼顾其它方面。PID调整器参数整定方法有很多,但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调整器前提是能取得被控对象正确数学模型,这在工业过程中通常较难做到。所以,实际用得较多还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依靠对象数学模型,简单易行。当然,这是一个近似方法,有时可能略嫌粗糙,但相当适用,可处理通常实际问题。下面介绍两种常见简易工程整定法。(1)扩充临界百分比度法这种方法适适用于有自平衡特征被控对象。使用这种方法整定数字调整器参数步骤是:选择一个足够小采样周期,具体地说就是选择采样周
9、期为被控对象纯滞后时间十分之一以下。用选定采样周期使系统工作:工作时,去掉积分作用和微分作用,使调整器成为纯百分比调整器,逐步减小百分比度()直至系统对阶跃输入响应达成临界振荡状态,记下此时临界百分比度及系统临界振荡周期。选择控制度:所谓控制度就是以模拟调整器为基准,将DDC控制效果和模拟调整器控制效果相比较。控制效果评价函数通常见误差平方面积表示。控制度 (1.18)实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积,控制度仅表示控制效果物理概念。通常,当控制度为1.05时,就能够认为DDC和模拟控制效果相当;当控制度为2.0时,DDC比模拟控制效果差。依据选定控制度,查表1.1求得T、值1。表1.1
10、 扩充临界百分比度法整定参数控制度控制规律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22(2)经验法经验法是靠工作人员经验及对工艺熟悉程度,参考测量值跟踪和设定值曲线,来调整P、I、D三者参数大小,具体操作可按以下口诀进行:参数整定找最好,从小到大次序查;先是百分比后积分,最终再把微分加;曲线振荡很频繁,百分
11、比度盘要放大;曲线漂浮绕大湾,百分比度盘往小扳;曲线偏离回复慢,积分时间往下降;曲线波动周期长,积分时间再加长;曲线振荡频率快,先把微分降下来;动差大来波动慢,微分时间应加长。下面以PID调整器为例,具体说明经验法整定步骤:让调整器参数积分系数=0,实际微分系数=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变百分比系数,让扰动信号作阶跃改变,观察控制过程,直到取得满意控制过程为止。取百分比系数为目前值乘以0.83,由小到大增加积分系数,一样让扰动信号作阶跃改变,直至求得满意控制过程。积分系数保持不变,改变百分比系数,观察控制过程有没有改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。不然,将原百分比系数增大部分
12、,再调整积分系数,努力争取改善控制过程。如此反复试凑,直到找到满意百分比系数和积分系数为止。引入合适实际微分系数和实际微分时间,此时可合适增大百分比系数和积分系数。和前述步骤相同,微分时间整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。PID参数是依据控制对象惯量来确定。大惯量如:大烘房温度控制,通常P可在10以上,I在(3、10)之间,D在1左右。小惯量如:一个小电机闭环控制,通常P在(1、10)之间,I在(0、5)之间,D在(0.1、1)之间,具体参数要在现场调试时进行修正。1.2、PWM脉冲控制技术PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制技术。即经过对一系
13、列脉冲宽度进行调制,来等效地取得所需要波形(含形状和幅值)。1.2.1 PWM控制基础原理在采样控制理论中有一个关键结论:冲量相等而形状不一样窄脉冲加在含有惯性步骤上时,其效果基础相同。冲量即指窄脉冲面积。这里所说效果基础相同,是指步骤输出响应波形基础相同。假如把各输出波形用傅立叶变换分析,则其低频段很靠近,仅在高频段略有差异。例图1.4中a、b、c所表示三个窄脉冲形状不一样,其中图1.4a为矩形脉冲,图1.4b为三角脉冲,图1.4c为正弦半波脉冲,但它们面积(即冲量)全部等于1,那么,当它们分别加在含有惯性同一步骤上时,其输出响应基础相同。当窄脉冲变为图1.4d所表示单位脉冲函数时,步骤响应
14、即为该步骤脉冲过渡函数。图1.4 形状不一样而冲量相同多种窄脉冲图1.5a电路是一个具体例子。图中为窄脉冲,其形状和面积分别图1.4a、b、c、d所表示,为电路输入。该输入加在能够看成惯性步骤R-L电路上,设其电流为电路输出。图1.5b给出了不一样窄波时响应波形。从波形能够看出,在上升段,脉冲形状不一样时形状也略有不一样,但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄,各波形差异也越小。假如周期性施加上述脉冲,则响应也是周期性。用傅立叶级数分解后将可看出,各在低频段特征很靠近,仅在高频段有所不一样2。 图1.5 冲量相同多种窄脉冲响应波形1.2.2 直流电机PWM控制技术直流电动机含有优良调速特征,调速平滑
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