计算机控制技术课程设计报告,DOC

课程设计

课程名称计算机控制系统综合设计与实践

题目名称基于单片机的PID电机速度调节 专业班级__应用电子技术2班_ 年级2011级 学生姓名张旭楷 学号 指导教师黄国宏 2014年6月19日

目录

一、PID算法及PWM控制技术简介 ........................................................................................ 2 1.1.PID算法 ........................................................................................................................ 2 1.1.1.模拟PID .................................................................................................................... 2 1.1.2.数字PID .................................................................................................................... 3 1.1.3.数字PID参数整定方法 ........................................................................................... 5 1.2.PWM脉冲控制技术 ........................................................................................................ 7 1.2.1.PWM控制的基本原理 ................................................................................................ 7 1.2.2.直流电机的PWM控制技术 ....................................................................................... 8 二、设计方案与论证 ............................................................................................................. 10 2.1.系统设计方案 ............................................................................................................. 10 2.2.电机驱动模块设计方案 ............................................................................................. 11 2.3.速度采集模块设计方案 ............................................................................................. 10 2.4.显示模块设计方案 ..................................................................................................... 10 三、单元电路设计 ................................................................................................................. 11 3.1.硬件资源分配 ............................................................................................................. 11 3.2.电机驱动电路设计 ..................................................................................................... 11 3.3.电机速度采集电路设计 ............................................................................................. 12 3.4.串行通信模块 ............................................................................................................... 13 四、软件设计 ......................................................................................................................... 14 4.1.算法实现 ..................................................................................................................... 14 4.1.1.PID算法 .................................................................................................................. 14 电机速度采集算法 ............................................................................................................. 14 4.2定时程序流程 ............................................................................................................... 15 五、设计要求 ......................................................................................................................... 16 六、总结 ................................................................................................................................. 24

一、PID算法及PWM控制技术简介 1.1、PID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r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差：e(t)=r(t)－c(t)（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

1u(t)?Kp[e(t)?TI?e(t)dt?TD0tde(t)]（1.2） dt式中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD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e(t),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TI，TI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 D(S)?U(S)1?KP(1??TDS)（1.3） E(S)TIS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r(t)、

e(t)、u(t)、c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是式（1.1）变为： e(n)=r(n)－c(n)（1.4） 当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n)?e(n?1)近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 de(t)e(n)?e(n?1)?（1.5） dtT?e(t)dt??e(i)T（1.6） 0i?1tn这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程 Tu(n)?KP{e(n)?TI?e(n)?i?1nTD[e(n)?e(n?1)]}?u0（1.7） T上式中u0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uP(n),即 up(n)?KPe(n)（1.8）

第二项起积分控制作用,称为积分（I）项uI(n)即

TuI(n)?KPTI?e(i)（1.9）

i?1n