完整版基于单片机和PID算法的直流电机调速设计原创毕业设计.docx
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完整版基于单片机和PID算法的直流电机调速设计原创毕业设计
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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
Abstract
Inthemotioncontrolsystem,thecontrolofelectromotor'srotatespeedisofgreatimportance,therearealotofspeedcontrolarithmeticsandmethods,theanalogPIDcontrolisoneoftheearliestdevelopedcontrolpolicieswhichsetwhilepracticallythechangesofthoseconditionslikethesystemparametersandtemperatureoftheenvironmentprohibitthesystemfromreachingitsbestcontroleffect,sotheanalogPIDcontrollerbarelyachievetheanalogPID'scontroltasksandconsistsofmanyadvantageslikeflexiblecontrolarithmeticsandisbasedonthedigitalPIDmentionedaboveasbasiccontrolarithmeticandAT89S51SCMascontrolcore,thesystemproducesPWMimpulsewhosedutyratioiscontrolledbydigitalPIDarithmetictomakesuretherunningofdirectcurrentmachine'srotatespeed.Meanwhile,thedesignusesphotoelectricsensortotransducetheelectromotorspeedintoimpulsefrequencyandfeeditbacktoSCM,thisprocessimplementsrotatespeed'sclosedloopcontroltoattainthepurposeofrotatespeed'sastaticmodulation.Inthissystem,the128×64LCDisusedasdisplayunit,the4×4keyboardsetsthosefourparametersP、I、D、Vandobverseandreversecontrol,afterstartingup,thedisplayunitshowstheelectromotor'scurrentrotatespeedandruntime.Thesystemandanti-jammingcapability.
Keywords:
digitalPID;PWMimpulse;dutyfactor;astaticmodulation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;
(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1rmin。
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,它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差:
=-(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
(1.2)
式中,为比例系数,为积分时间常数,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,偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减少偏差;
(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,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
(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、、、在第n次采样的数据分别用、、、表示,于是式(1.1)变为:
=-(1.4)
当采样周期T很小时可以用T近似代替,可用近似代替,“积分”用“求和”近似代替,即可作如下近似
(1.5)
(1.6)
这样,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的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例(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(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:
P控制:
(1.11)
PI控制:
(1.12)
PD控制:
(1.13)
PID控制:
(1.14)
式(1.7)的输出量为全量输出,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,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
(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:
称为比例增益;
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增量型示意图分别如图1.2和1.3所示:
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
如何选择控制算法的参数,要根据具体过程的要求来考虑。
一般来说,要求被控过程是稳定的,能迅速和准确地跟踪给定值的变化,超调量小,在不同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变化时控制应保持稳定。
显然,要同时满足上述各项要求是很困难的,必须根据具体过程的要求,满足主要方面,并兼顾其它方面。
PID调节器的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节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型,这在工业过程中一般较难做到。
因此,实际用得较多的还是工程整定法。
这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型,简单易行。
当然,这是一种近似的方法,有时可能略嫌粗糙,但相当适用,可解决一般实际问题。
下面介绍两种常用的简易工程整定法。
(1)扩充临界比例度法
这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。
使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是:
①选择一个足够小的采样周期,具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。
②用选定的采样周期使系统工作:
工作时,去掉积分作用和微分作用,使调节器成为纯比例调节器,逐渐减小比例度()直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态,记下此时的临界比例度及系统的临界振荡周期。
③选择控制度:
所谓控制度就是以模拟调节器为基准,将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。
控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。
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的物理
概念。
通常,当控制度为1.05时,就可以认为DDC与模拟控制效果相当;当控制度为2.0时,DDC比模拟控制效果差。
④根据选定的控制度,查表1.1求得T、、、的值[1]。
表1.1扩充临界比例度法整定参数
控制度
控制规律
T
1.05
PI
0.03
0.53
0.88
1.05
PID
0.014
0.63
0.49
0.14
1.20
PI
0.05
0.49
0.91
1.20
PID
0.043
0.047
0.47
0.16
1.50
PI
0.14
0.42
0.99
1.50
PID
0.09
0.34
0.43
0.20
2.00
PI
0.22
0.36
1.05
2.00
PID
0.16
0.27
0.40
0.22
(2)经验法
经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度,参考测量值跟踪与设定值曲
线,来调整P、I、D三者参数的大小的,具体操作可按以下口诀进行:
参数整定找最佳,从小到大顺序查;
先是比例后积分,最后再把微分加;
曲线振荡很频繁,比例度盘要放大;
曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳;
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调节器为例,具体说明经验法的整定步骤:
①让调节器参数积分系数=0,实际微分系数=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数,让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。
②取比例系数为当前的值乘以0.83,由小到大增加积分系数,同样让扰动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。
③积分系数保持不变,改变比例系数,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止。
否则,将原比例系数增大一些,再调整积分系数,力求改善控制过程。
如此反复试凑,直到找到满意的比例系数和积分系数为止。
④引入适当的实际微分系数和实际微分时间,此时可适当增大比例系数和积分系数。
和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止。
PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。
大惯量如:
大烘房的温度控制,一般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,一般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。
1.2PWM脉冲控制技术
PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。
1.2.1PWM控制的基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅立叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有差异。
例如图1.4中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同,其中图1.4的a为矩形脉冲,图1.4的b为三角脉冲,图1.4的c为正弦半波脉冲,但它们的面积(即冲量)都等于1,那么,当它们分别加在具有惯性的同一环节上时,其输出响应基本相同。
当窄脉冲变为如图1.4的d所示的单位脉冲函数时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图1.4形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图1.5a的电路是一个具体的例子。
图中为窄脉冲,其形状和面积分别如图1.4的a、b、c、d所示,为电路的输入。
该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上,设其电流为电路的输出。
图1.5b给出了不同窄波时的响应波形。
从波形可以看出,在的上升段,脉冲形状不同时的形状也略有不同,但其下降段几乎完全相同。
脉冲越窄,各波形的差异也越小。
如果周期性的施加上述脉冲,则响应也是周期性的。
用傅立叶级数分解后将可看出,各在低频段的特性非常接近,仅在高频段有所不同[2]。
图1.5冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
1.2.2直流电机的PWM控制技术
直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。
直流电动机的转速调节主要有三种方法:
调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。
针对三种调速方法,都有各自的特点,也存在一定的缺陷。
例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速,减弱磁通虽然能够平滑调速,但这种方法的调速范围不大,一般都是配合变压调速使用。
所以在直流调速系统中,都是以变压调速为主。
其中,在变压调速系统中,大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。
直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:
由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。
同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,因此主电路损耗小、装置效率高;直流电源采用不可控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
正因为直流PWM调速系统有以上优点,并且随着电力电子器件开关性能的不断提高,直流脉宽调制(PWM)技术得到了飞速的发展。
随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代,这就使得数字调制技术成为可能。
目前,在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。
电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一。
采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。
下面主要介绍直流电机PWM调速系统的算法实现。
根据PWM控制的基本原理可知,一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效,那么如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U,由图1.6可求得此时间内脉冲的等效直流电压为:
图1.6PWM脉冲
,若令,即为占空比,则上式可化为:
(U为脉冲幅值)(1.19)
若PWM脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲,那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同,即
(为矩形脉冲占空比)(1.20)
图1.7周期性PWM矩形脉冲
由式1.20可知,要改变等效直流电压的大小,可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现,因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的,所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0~U之间任意调节,从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。
2设计方案与论证
2.1系统设计方案
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,键盘和显示器用来实现人机交互功能,其中通过键盘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。
图2.1系统方案框图
2.2控制器模块设计方案
根据设计任务,控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲,并对电机当前速度进行采集处理,根据算法
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