直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段PID控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

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沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I摘 要本設(shè)計(jì)采用微控制器 AT89S52 完成小型直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速的采集、計(jì)算、顯示、鍵盤(pán)設(shè)定等功能。并將非均勻采樣情況下的增量式積分分離 PID 控制算法應(yīng)用于直流電機(jī)的 PWM 調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和分段控制，解決了通常低采樣周期時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括了以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的研究及其控制器的理論設(shè)計(jì)，二是控制電路的仿真和硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明采用分段 PID 控制具有算法簡(jiǎn)單快速性能好動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性快的特點(diǎn)。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的研究及以后同類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一定的參考。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；PID 控制；AT89S52；PWM沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IIAbstractThis design uses microcontroller AT89S52 to complete performances such as sampling， calculating， displaying， and keyboard setting of rotational speed for small DC electromotor. Under situation of non-uniform sampling， the increment type integral separation PID control algorithm has been applied in the PWM speed regulation for DC electromotor， which can realize measuring and sectional controlling of the electromotor rotational speed， and has solved the general overshoot problem with low sampling period. The paper mainly includes two aspects. The first aspect is the principle research in the speed regulation system of DC electromotor and design of it. The second aspect is simulation of circuit and hardware design. The results of design have indicated that， with sectional PID controller， the system has features including simple algorithm， good rapidity， fast dynamic recovery performances. The paper offers some consults for researching system of speed regulation and design of similiar system.Key words DC speed regulation system; PID control; AT89S52; PWM沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）III目 錄1 緒 論 11.1 課題來(lái)源及研究背景 .11.2 直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀 .21.3 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) .31.4 數(shù)字 PID 技術(shù)概述 41.5 本文內(nèi)容及章節(jié)安排 .52 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段 PID 控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案 .62.1 整體方案設(shè)計(jì) .62.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案 62.1.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案 62.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 72.1.4 鍵盤(pán)顯示方案 72.1.5 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案 82.2 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì) .82.3 本章小結(jié) .93 硬件系統(tǒng)模塊組成與電路分析 103.1 速度測(cè)量電 路設(shè)計(jì) .103.1.1 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) .103.1.2 脈沖濾波整形電路的設(shè)計(jì) 113.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) .113.3 LCD 顯示電路與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) .123.4 按鈕控制電路設(shè)計(jì) .133.5 本章小結(jié) .144 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 154.1 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計(jì) .154.2 系統(tǒng)各部分子功能程序設(shè)計(jì) .164.2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量程序設(shè)計(jì) 164.2.2 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 184.2.3 LCD 顯示子程序的設(shè)計(jì) 194.3 PWM 信號(hào)的單片程序?qū)崿F(xiàn) .214.4 本章小結(jié) .215 數(shù)字 PID 及其算法的改進(jìn) .22沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IV 5.1 PID 控制基本原理 225.2 三個(gè)基本參數(shù) Kp，Ti，Td 在實(shí)際控制中作用研究 275.3 PID 算法的改進(jìn)“飽和”作用的抑制 .285.4 PID 控制算法的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn) 315.5 本章小結(jié) .316 系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程與測(cè)試 326.1 轉(zhuǎn)速度測(cè)量部分調(diào)試 .326.2 PID 各項(xiàng)系數(shù)賦初值 336.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試和確定 PID 算法各項(xiàng)系數(shù) 346.3.1 賦初值調(diào)試分析 346.3.2 修改 PID 各項(xiàng)系數(shù)值調(diào)試分析 .356.3.3 PID 各項(xiàng)系數(shù)值的確定 .356.4 本章小結(jié) .35結(jié)論 37社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析 38參考文獻(xiàn) 39致謝 40附錄Ⅰ符號(hào)表 41附錄 II 元器件清單 42附錄Ⅲ 單片機(jī)程序 43附錄Ⅳ 硬件原理圖 53附錄Ⅴ PCB 圖 54沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 1 緒 論1.1 課題來(lái)源及研究背景目前見(jiàn)到的許多關(guān)于直流電機(jī)的測(cè)速與控制中雖然能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，但還存在一些問(wèn)題如無(wú)法與計(jì)算機(jī)直接接口許多較為復(fù)雜的控制算法無(wú)法，在不增加硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)控制器的人機(jī)界面不理想。總的來(lái)講控制器的智能化程度不高可移植性差。雖然采用 PWM 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的方案成本較低 ，但當(dāng)控制器針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合增加多種附加功能時(shí)，其靈活性不夠而且反而增加硬件的成本。還有一些使用 PLC 控制器或高檔處理器芯片（如 DSP 器件）的文獻(xiàn)，它們雖然具有較高的控制性能，但由于這些高檔處理器價(jià)格過(guò)高需要更多的外圍器件因此也不具備在通常情況下大規(guī)模使用的條件。從發(fā)展趨勢(shì)上看，總體的研究方向是提出質(zhì)量更高的算法和調(diào)速方案以及在考慮成本要求的前提下，選擇適合這種算法的核心控制器。直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通開(kāi)環(huán)控制或單閉環(huán)的直流電動(dòng)機(jī)可靠性差需要經(jīng)常維護(hù)；開(kāi)環(huán)控制加負(fù)載時(shí)電流增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將加大轉(zhuǎn)速只能降下來(lái)，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)加速時(shí)間又過(guò)長(zhǎng)，為了克服直流電機(jī)開(kāi)環(huán)工作時(shí)增加負(fù)載而導(dǎo)致速度降過(guò)大或閉環(huán)啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等不利因素，雙閉環(huán)直調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)用而生。雙閉環(huán)控制直流電動(dòng)機(jī)不僅使直流電動(dòng)機(jī)有著良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性且運(yùn)行可靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。伺服系統(tǒng)又稱(chēng)位置隨動(dòng)系統(tǒng)它要求實(shí)現(xiàn)快、穩(wěn)、準(zhǔn)的位置控制。普通的伺服電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較高而轉(zhuǎn)矩較小，在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件去拖動(dòng)負(fù)載時(shí)都必須經(jīng)過(guò)齒輪減速裝置，但由于齒隙的影響往往使系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性下降。因此為了減小甚至消除誤差簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高精度和穩(wěn)定性達(dá)到少用或不用減速器的目的，就研制并應(yīng)用了力矩電動(dòng)機(jī)。它具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度等特點(diǎn)可以滿足伺服系統(tǒng)更高性能要求。另外采用雙閉環(huán)控制電路控制電機(jī)運(yùn)行可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性同時(shí)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2 也符合“無(wú)刷化、稀土化、同步化” 的發(fā)展趨勢(shì)。1.2 直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一直被廣泛應(yīng)用著電動(dòng)機(jī)，作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。電動(dòng)機(jī)主要類(lèi)型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種，其容量小到幾瓦大至上萬(wàn)千瓦。但它們工作的時(shí)候都離不開(kāi)速度調(diào)節(jié)或是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。眾所周知直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦由此帶來(lái)了噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多數(shù)均采用三相異步電動(dòng)機(jī)。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展人們生活水平的提高需要不斷地開(kāi)發(fā)各種新型電動(dòng)機(jī)。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)更促進(jìn)了電功機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新。針對(duì)上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病早在本世30年代就有人開(kāi)始研制以電子換向來(lái)代替電刷機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，并取得了一定成果但由于當(dāng)時(shí)大功率電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段沒(méi)能找到理想的電子換相元器件，使得這種電動(dòng)機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段而無(wú)法推廣使用。1955年美國(guó)D.哈利森等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向器換向的專(zhuān)利，這就是現(xiàn)代直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的雛形，但由于該電動(dòng)機(jī)尚無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化后，又經(jīng)過(guò)人們多年努力借助于霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)換相的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。終于在1952年問(wèn)世，從而開(kāi)創(chuàng)了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。70年代以來(lái)隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件如GTRMOSFET， IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料如釤鈷、鐵硼等的問(wèn)世均為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。如計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器里的主軸電動(dòng)機(jī)、錄象機(jī)中的伺服電動(dòng)機(jī)均數(shù)以百萬(wàn)計(jì)地運(yùn)用直流電動(dòng)機(jī)。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3 1.3 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求調(diào)速采用 PID 控制器，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速使電機(jī)速度等于設(shè)定值并且實(shí)時(shí)顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)功能分解設(shè)計(jì)方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測(cè)量方案論證，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證，鍵盤(pán)顯示方案論證，PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PID 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流 值以后靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地dcrI控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 1.1a 所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán) b）雙閉環(huán)理想快速啟動(dòng)過(guò)程調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程圖 1.1 調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形對(duì)于像龍門(mén)刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4 過(guò)程波形示 1.1b，這時(shí)起動(dòng)電流呈方形波而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上由于主電路電感的作用電流不能突跳圖 1.1b 所示的理想波形，只能得到近似的逼近不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可dmI以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。1.4 數(shù)字 PID 技術(shù)概述現(xiàn)代控制理論在興旺發(fā)達(dá)的六七十年代，曾有不少學(xué)者預(yù)言終會(huì)有那么一天，現(xiàn)代控制理論給出的新型控制器將會(huì)取代經(jīng)典調(diào)節(jié)理論給出的 PID 調(diào)節(jié)器。然而這三十多年的控制工程實(shí)踐中并沒(méi)有應(yīng)驗(yàn)?zāi)切W(xué)者們的預(yù)言。PID 調(diào)節(jié)器仍頑強(qiáng)地固守著自己的陣地，現(xiàn)代控制理論提供的控制器卻遇到了不易克服的適應(yīng)性、魯棒性等難題而處于控制工程中的劣勢(shì)地位。1990 年的一個(gè)調(diào)查報(bào)告指出，至今在過(guò)程控制中用的 84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過(guò) 90%?，F(xiàn)代控制理論的三十多年努力對(duì)過(guò)程控制的貢獻(xiàn)還不到 10%。從某種意義上講，現(xiàn)代控制理論在分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面是成功的，是一個(gè)很好的分析工具。然而現(xiàn)代控制理論所提供的控制器設(shè)計(jì)方法完全靠對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而且還被“微分器物理不可實(shí)現(xiàn)”所束縛。由于不能簡(jiǎn)單地提取微分信號(hào)而不得不依靠數(shù)學(xué)模型來(lái)提取狀態(tài)變量信息。其結(jié)果遇到了適應(yīng)性、魯棒性等難題而應(yīng)用受到了限制?？梢哉f(shuō)現(xiàn)代控制理論并沒(méi)有提供實(shí)用的控制器設(shè)計(jì)方法。相反經(jīng)典調(diào)節(jié)理論不從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，而以消除誤差和外擾為目的，用減少誤差和抵消外擾的幾種（固定形式的）不同手段的組合來(lái)組成 PID 控制器。而且經(jīng)典調(diào)節(jié)允許使用微分器，因此它基本上擺脫了數(shù)學(xué)模型的約束其實(shí)用性較強(qiáng)，是連續(xù)控制系統(tǒng)中用得最廣泛的控制器之一，為廣大工程技術(shù)人員和操作人員所接受和熟悉。然而實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制往往具有非線性、時(shí)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5 變不確定性同時(shí)又受到參數(shù)整定方法繁雜，困擾常規(guī) PID 控制器不能達(dá)到理想的控制效果。針對(duì)這些問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實(shí)。同時(shí)現(xiàn)代控制理論研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑。近年來(lái)出現(xiàn)了許多將現(xiàn)代控制理論與傳統(tǒng) PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合的新型控制器，如自適應(yīng) PID 控制器、智能 PID 控制器、模糊PID 控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器等等。由于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理功能和程序調(diào)整的靈活性是傳統(tǒng)的模型控制器所不能比擬的，所以現(xiàn)在應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)不但推出了許多新型的控制器和控制設(shè)備，而且許多傳統(tǒng)控制器已被改造成計(jì)算機(jī)控制器。模擬化設(shè)計(jì)法把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)假想為連續(xù)控制系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)方法可以利用成熟的連續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)把連續(xù)控制器的數(shù)學(xué)模型變換到離散域，再由計(jì)算機(jī)來(lái)完成控制器的任務(wù)。因?yàn)楦鞣N變換方法都是采用近似逼近法，所以這種方法設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能只能與原連續(xù)控制系統(tǒng)性能接近但不會(huì)超過(guò)。逼近的精度與被變換的連續(xù)數(shù)學(xué)模型及采樣周期大小有關(guān)。其中采樣周期的影響更大采樣周期相對(duì)較小時(shí)逼近程度才較好，所以在應(yīng)用中應(yīng)注意采樣周期的選取。1.5 本文內(nèi)容及章節(jié)安排第 1 章是緒論講述直流電機(jī)、數(shù)字 PID 技術(shù)的背景及工作原理；第 2 章是講述直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段 PID 控制的單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)；第 3 章具體分析了各個(gè)模塊和硬件電路；第 4 章講述了系統(tǒng)各個(gè)程序的實(shí)現(xiàn)；第 5 章講述了數(shù)字 PID 的算法和改進(jìn)；第 6 章則對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試進(jìn)行了改進(jìn)。最后是本文的結(jié)論。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6 2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速分段 PID 控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案2.1 整體方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求調(diào)速采用 PID 控制器，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速使電機(jī)速度等于設(shè)定值并且實(shí)時(shí)顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)功能分解設(shè)計(jì)方案論證可以分為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測(cè)量方案論證，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證，鍵盤(pán)顯示方案論證，PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證。2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案方案一：采用一片單片機(jī)（AT89S52）完成系統(tǒng)所有測(cè)量、控制運(yùn)算并輸出PWM 控制信號(hào)。方案二：采用兩片單片機(jī)（AT89S52） ，其中一片做成 PID 控制器專(zhuān)門(mén)進(jìn)行PID 運(yùn)算和 PWM 控制信號(hào)輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片完成電機(jī)速度的鍵盤(pán)設(shè)定、測(cè)量、顯示并向 PID 控制器提供設(shè)定值和測(cè)量值設(shè)定 PID 控制器的控制速度等。方案一的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)緊湊。但是其造成 CPU 資源緊張程序的多，任務(wù)處理難度增大不利與提高和擴(kuò)展系統(tǒng)性能，也不利于向其他系統(tǒng)移植。方案二則與方案一相反雖然硬件增加，但在程序設(shè)計(jì)上有充分的自由去改善速度測(cè)量精度縮短測(cè)量周期優(yōu)化鍵盤(pán)顯示及擴(kuò)展其它功能。與此同時(shí) PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)可以精益求精對(duì)程序算法或參數(shù)稍加改動(dòng)即可移植到其他 PID 控制系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)選擇方案一。2.1.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案方案一：采用記數(shù)的方法。具體是通過(guò)單片機(jī)記單位時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù)N 每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S×60。方案二：采用定時(shí)的方法。是通過(guò)定時(shí)器記錄脈沖的周期 T 這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7 M=60/T。比較兩個(gè)方案方案一的誤差主要是±1 誤差（量化誤差）設(shè)電機(jī)的最低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 120 轉(zhuǎn)/分則記數(shù)時(shí)間 S=1s 所以其誤差得絕對(duì)值|γ|=|(N±1)/S×60-N/S×60|=60（轉(zhuǎn)/分）誤差計(jì)算公式表明增大記數(shù)時(shí)間可以提高測(cè)量精度但這樣做卻增大了速度采樣周期會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方案二所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差并且使采樣時(shí)間降到最短誤差 γ=[60/（ T±1）-60/T]設(shè)電機(jī)速度在 120—6000 轉(zhuǎn)/分之間那么0.01s≤T≤0.5s 代入公式得： 0.00024≤|γ|≤0.6（轉(zhuǎn)/分） 。由此明顯看出，方案二在測(cè)量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一所以本設(shè)計(jì)采用方案二。2.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案方案一：采用專(zhuān)用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動(dòng)電路功耗相對(duì)較小而且目前市場(chǎng)上此類(lèi)芯片種類(lèi)齊全價(jià)格也比較便宜。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下效率非常高；H 型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快穩(wěn)定性也極佳是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。通過(guò)比較和對(duì)市場(chǎng)因素的考慮本設(shè)計(jì)采用方案一使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在 PID 控制上。2.1.4 鍵盤(pán)顯示方案方案一：采用 4×4 鍵盤(pán)可直接輸入設(shè)定值。顯示部分使用 4 位數(shù)碼管優(yōu)點(diǎn)是顯示亮度大缺點(diǎn)是功耗大不符合智能化趨勢(shì)而且不美觀。方案二：使用 5 個(gè)按鍵進(jìn)行逐位設(shè)置。顯示部分是使用支持中文顯示的 LCD 優(yōu)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8 點(diǎn)是美觀大方有利于人與系統(tǒng)的交互及顯示內(nèi)容的擴(kuò)展；缺點(diǎn)是成本高抗干擾能力教差。為了系統(tǒng)容易擴(kuò)展、操作以及美觀本設(shè)計(jì)完全采用方案二。2.1.5 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本設(shè)計(jì)采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對(duì)于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確誤差只在幾個(gè) us。方案二：采用軟件延時(shí)方式這一方式在精度上不及方案一特別是在引入中斷后將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源且對(duì)于直流電機(jī)采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。由于本設(shè)計(jì)采用了兩片 AT89S52 單片機(jī) MCU 資源充足因此選擇方案一。2.2 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖如圖 2.1 所示，是一個(gè)帶鍵盤(pán)輸入和顯示的閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng)。主體思想是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定信息和測(cè)量反饋信息計(jì)算輸出控制信息。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9 顯示器鍵盤(pán)單片機(jī) （ 速度的測(cè)量計(jì)算 ， 輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制 ）速度采集電路電機(jī)P I D 運(yùn)算控制器 ， P W M 控制器電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 2.1 系統(tǒng)原理框圖2.3 本章小結(jié)本章大體介紹了系統(tǒng)各個(gè)主要部分的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)其進(jìn)行了論證，從而大體的介紹了本設(shè)計(jì)的基本思路。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10 3 硬件系統(tǒng)模塊組成與電路分析 硬件系統(tǒng)主要由 4 大電路組成，其具體分析如下。3.1 速度測(cè)量電路設(shè)計(jì)3.1.1 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)理論上是先將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為某一種電量來(lái)測(cè)量，如電壓電流等。設(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)化為電脈沖頻率的測(cè)量?；谶@一思想可以采用一對(duì)霍爾感應(yīng)傳感器，使輸出信號(hào)的一只在轉(zhuǎn)輪一側(cè)固定，另一只則粘在對(duì)應(yīng)位置的轉(zhuǎn)輪上，這樣電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈傳感器將會(huì)輸出一個(gè)脈沖然后將脈沖放大、整形后即可通過(guò)單片機(jī)測(cè)量其頻率求出轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅鳈z測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖3.1如下。在非磁材料的圓盤(pán)邊上粘貼一塊磁鋼霍爾傳感器固定在圓盤(pán)外緣附近。圓盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速。圖3.1 霍爾傳感器及測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖本設(shè)計(jì)采用A04E單極性開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，磁鋼用來(lái)提供霍爾能感應(yīng)的磁場(chǎng)，當(dāng)霍爾元件以切割磁力線的方式相對(duì)磁鋼運(yùn)動(dòng)時(shí)，在霍爾輸出端口就會(huì)有電壓輸出沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11 所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對(duì)使用。在非磁材料的圓盤(pán)邊上粘貼一塊磁鋼霍爾傳感器固定在圓盤(pán)外緣附近。圓盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速。本電路已經(jīng)安裝兩個(gè)磁鋼，如果要增加測(cè)量轉(zhuǎn)速精度可以在圓盤(pán)上多增加幾個(gè)磁鋼。3.1.2 脈沖濾波整形電路的設(shè)計(jì)由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中有很大的晃動(dòng)，而且本設(shè)計(jì)中測(cè)量裝置做工粗糙因此所獲得的脈沖信號(hào)參雜有高頻噪聲或誤動(dòng)脈沖。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確且盡可能地減少錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)中在霍爾傳感器 OUT 輸出端加一電容接地。為了既能抑制噪聲又不影響測(cè)量，電容值 C 的選擇很重要。根據(jù)實(shí)際測(cè)量設(shè)計(jì)中所使用的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)6000 轉(zhuǎn)/分。其所產(chǎn)生的脈沖周期 T=1/(6000/60)S=0.01S 一個(gè)周期內(nèi)脈沖持續(xù)時(shí)間約為 1/8T=0.00125S 低電平時(shí)間約為 7/8T=0.00875S， 由于接收頭感光導(dǎo)通電阻很小所以電容迅速充電當(dāng)?shù)碗娖降絹?lái)時(shí)開(kāi)始放電為保證下一個(gè)脈沖的檢測(cè)放電時(shí)間 t 應(yīng)小于低電平持續(xù)時(shí)間 7/8T 根據(jù)電路 t=R2×C0.00875 代入 R2 值解不等式可得：C0.000017F。單位換算得 C0.017μF 為了方便整形實(shí)際設(shè)計(jì)中 C=0.001μF 。由于單片機(jī)中斷 I/O 口的需要輸入信號(hào)是正規(guī)的矩形脈沖，所以電路的脈沖整形電路采用 74 系列反向器 74LS04 進(jìn)行反向后輸入單片機(jī)。3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用目前市場(chǎng)上較容易買(mǎi)到的 74LS04 反向器，支持 5.5V 到 7V 的電機(jī)控制電壓在直流運(yùn)轉(zhuǎn)條件下它滿足了一般小型電機(jī)的控制要求。其引腳如圖 3.2。驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖 3.3。PWM 控制信號(hào)由 in1、in2 輸入。如果 in1 為高電平 in2 為低電平時(shí)電機(jī)為正向轉(zhuǎn)速反之 in1 為低電平 in2 為高電平時(shí)電機(jī)為反向轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)將 in2直接接地即采用單向制動(dòng)的方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)本設(shè)計(jì)中不必使用雙向制動(dòng)也可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12 圖 3.2 74LSO4 引腳圖圖 3.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖3.3 LCD 顯示電路與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中采用的 LCD——1602 是一種內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字庫(kù)和 128 個(gè) 16*8點(diǎn) ASCII 字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器它主要由行驅(qū)動(dòng)器/ 列驅(qū)動(dòng)器及 128×32 全點(diǎn)陣沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 液晶顯示器組成。可完成圖形顯示也可以顯示 7.5×2 個(gè)(16×16 點(diǎn)陣)漢字與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制。本設(shè)計(jì)采用并行方式控制 LCD 與單片機(jī)的通訊接口電路如圖 3.4 所示采用直連的方法這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在不影響性能的條件下還不用添加其它硬件簡(jiǎn)化了電路降低了成本。圖 3.4 LCD 硬件接線圖3.4 按鈕控制電路設(shè)計(jì)控制電路采用了 5 個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)功能按 1 為高速狀態(tài)下勻速旋轉(zhuǎn)，按 2 為中速狀態(tài)下勻速旋轉(zhuǎn)，按 3 為低速下勻速旋轉(zhuǎn)，按 4 為加速，按 5 為減速。見(jiàn)圖 3.5。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 圖 3.5 按鈕控制電路圖3.5 本章小結(jié)本章具體介紹了硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)和功能并對(duì)各模塊所對(duì)應(yīng)的電路進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的各個(gè)電路。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15 4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4.1 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序程序框圖如圖 4.1 所示概述了程序的總體結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。開(kāi)始初始化程序調(diào)用鍵盤(pán)子程序是否有按鍵按鍵處理程序電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序結(jié)束NY圖 4.1 系統(tǒng)總程序框圖沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16 4.2 系統(tǒng)各部分子功能程序設(shè)計(jì)4.2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中考慮到電機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣因此除了硬件外，從程序上除了要更高的精確度也需要進(jìn)行更多的抗干擾設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)軟件的大范圍檢錯(cuò)、糾錯(cuò)或丟棄錯(cuò)誤等。在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)嚴(yán)重不符合要求的測(cè)量數(shù)據(jù)（如大于 6000 轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）進(jìn)行了丟棄處理而對(duì)于正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤采用了采 5 取 3 求平均的算法（即采集 5 個(gè)數(shù)據(jù)去掉 一個(gè)最大值一個(gè)最小值然后將剩余 3 數(shù)據(jù)求平均） 。實(shí)驗(yàn)表明此方法降低了系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)速中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法是通過(guò)速度脈沖信號(hào)下降沿，觸發(fā)單片機(jī)的外中斷，中斷服務(wù)子程序在某一個(gè)脈沖的下降沿開(kāi)啟定時(shí)器記時(shí)，然后在下一個(gè)下降沿關(guān)閉定時(shí)器通過(guò)對(duì)定時(shí)器數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，可以得到信號(hào)周期進(jìn)而得到速度值。其程序框圖如圖 4.2?？梢钥闯龃朔椒ㄏ碌牟蓸又芷谑请S轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)速越高采樣越快。通過(guò)這種非均勻的速度采樣方式可以使電機(jī)在高速情況下實(shí)現(xiàn)高速度高精度的控制。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17 進(jìn)入中斷檢測(cè)中斷標(biāo)志開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)設(shè)中斷標(biāo)志位“ 1 ”系統(tǒng)時(shí)間初始化中斷返回關(guān)閉定時(shí)器及中斷判斷數(shù)據(jù)是否正常是否采 “ 5 ” 處理保存數(shù)據(jù)完成 5 組數(shù)據(jù)采集取 “ 3 ” 求平均處理計(jì)算速度值速度值是否正常發(fā)送速度值到 P I D控制器系統(tǒng)時(shí)間初始化中斷返回定時(shí)器初值初始化為 “ 0 ”為 “ 1 ”否說(shuō)明 ： 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí) ， 如果進(jìn)行采 3 取 5 處理將會(huì)使控制速度太低 ， 同時(shí)低速狀態(tài)的錯(cuò)誤發(fā)生幾率較小 ， 所以不采用采 5 取 3 求平均處理 。否是否是否是圖 4.2 外中斷 0 服務(wù)子程序框圖 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18 4.2.2 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)的任務(wù)是賦予各按鍵相應(yīng)的功能，完成速度設(shè)定值的輸入和向PID 控制器的發(fā)送。5 只按鍵一只用來(lái)位循環(huán)選擇告訴單片機(jī)要調(diào)整的是設(shè)定值的個(gè)位、十位、百位還是千位。第二、三只按鍵分別是減 1、加 1 減。在沒(méi)有位選擇的情況下對(duì)設(shè)定值整體進(jìn)行減 1、加 1；在有位選擇的情況下僅對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行減 1、加1 并且當(dāng)按著不釋放按鍵時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)減 1、加 1 同時(shí)允許循環(huán)減、加（既當(dāng)某位為 0 時(shí)在減 1 則為 9 某位為 9 時(shí)加 1 則為 0） 。最后一只按鍵是確認(rèn)發(fā)送鍵按下它后單片機(jī)將設(shè)定值送給 PID 控制器從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定控制。程序框圖如圖 4.3。鍵盤(pán)服務(wù)子程序位選鍵按下否位選循環(huán)右移加 1 鍵按下否調(diào)用加 1 子程序減 1 鍵按下否調(diào)用減 1 子程序發(fā)送鍵按下否建制處理 、 保存 、 顯示向 P I D 控制器發(fā)送返回否是否是否是否圖 4.3 鍵盤(pán)電路程序框圖 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19 4.2.3 LCD 顯示子程序的設(shè)計(jì)LCD 的詳細(xì)使用過(guò)程可參閱對(duì)應(yīng)型號(hào)的使用手冊(cè)。僅在本小節(jié)強(qiáng)調(diào)以下內(nèi)容：LCD 使用的關(guān)鍵是根據(jù)顯示需要正確地對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，而一般情況下不用考慮如何向它讀寫(xiě)指令或數(shù)據(jù)，因?yàn)橹圃鞆S商所給的使用資料里就附有驅(qū)動(dòng)程序如果沒(méi)有也可以從網(wǎng)上搜索下載得到。然而我們必須清楚那些初始化設(shè)置之間的關(guān)系以及它是如何利用設(shè)置讀取、顯示數(shù)據(jù)字符的不然就會(huì)發(fā)生一些不可預(yù)料的錯(cuò)誤例如表 4.1 所示。因此熟讀 LCD 驅(qū)動(dòng)芯片使用手冊(cè)也是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在 LCD 中CGRAM 字型與中文字型的編碼只可出現(xiàn)在每一 Address Counter 的開(kāi)始位置圖表中，最后一行為錯(cuò)誤的填入中文碼位置其結(jié)果會(huì)產(chǎn)生亂碼象。表 4.1 LCD 中文字型的編碼寫(xiě)入地址對(duì)照80 81 82 83 84 85 86 87 88 89H L H L H L H L H L H L H L H L H L H LS H A A N X I . . L I G O N G X U E . .陜 西 理 . . 物 理 系 0 2 電 .陜 西 理 . . . 物 理 系 0 2 電 .通常 LCD 的初始化包括復(fù)位設(shè)置、清除顯示、地址歸位、顯示開(kāi)關(guān)、游標(biāo)設(shè)置、讀寫(xiě)地址設(shè)置、反白選擇以及睡眠模式等等。實(shí)際中根據(jù)需要正確、靈活地修改這些設(shè)置可以達(dá)到較為滿意的顯示效果。LCD 中所有漢字、數(shù)字和字符都可以通過(guò)它的 ASCII 碼來(lái)訪問(wèn)顯示；圖象的顯示是通過(guò)將相關(guān)軟件（提取漢字、圖象點(diǎn)陣數(shù)據(jù)程序）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照 LCD 手冊(cè)的要求完成響應(yīng)設(shè)置后寫(xiě)入即可。由于本設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用到圖形顯示所以沒(méi)有詳述。對(duì)于系統(tǒng)使用的漢字、字符和數(shù)據(jù)的 LCD 顯示初始化程序和寫(xiě)數(shù)據(jù)程序框圖見(jiàn)圖 4.4。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20 系統(tǒng)延遲設(shè)定使用基本指令集清屏 ， 地址指針歸位設(shè)定游標(biāo)的移動(dòng)方向及指定顯示的移位返回調(diào)入待顯示數(shù)據(jù)指針調(diào)待顯示屏幕位置數(shù)據(jù)計(jì)算 D D R A M地址調(diào)用寫(xiě)入指令子程序?qū)懭隓 D R A M 地址調(diào)用數(shù)據(jù)輸入子程序待顯示數(shù)據(jù)指針加 1一行數(shù)據(jù)顯示完顯示完所有行 ？返回否是否是（ a ） L C D 初始化子程序（ b ) L C D 寫(xiě)入數(shù)據(jù)子程序圖 4.4 LCD 顯示初始化程序和寫(xiě)數(shù)據(jù)程序框圖沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21 4.3 PWM 信號(hào)的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)理論上只要 PWM 脈沖的周期正比于 PID 控制算法的輸出結(jié)果結(jié)果。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中取 u(k)的整數(shù)部分（記為：UT）保存然后用 PWM 信號(hào)的周期值減去 UT 所得值即為定時(shí)器 1 的初值（記為：INIT） 。其程序框圖見(jiàn)圖 4.5。定時(shí)器 0 中斷設(shè)定時(shí)器 1 中斷優(yōu)先級(jí)最高將 P W M 輸出端置高電平 “1 ”裝入 5 0 m s 初值中斷返回定時(shí)器 1 中斷設(shè)定時(shí)器 0 中斷優(yōu)先級(jí)最高將 P W M 輸出端清零裝入 P W M 信號(hào)初值 I N I T中斷返回圖 4.5 產(chǎn)生 PWM 控制信號(hào)程序框圖4.4 本章小結(jié)具體介紹了系統(tǒng)軟件部分各個(gè)模塊程序的實(shí)現(xiàn)方式并對(duì)應(yīng)了程序框圖，直觀的介紹了軟件程序方面的設(shè)計(jì)。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22 R(t)KpKi/SKd·S控制對(duì)象C(t)＋＋＋U(t)＋－E（t）5 數(shù)字 PID 及其算法的改進(jìn)5.1 PID 控制基本原理PID 控制即比例（Proportional） 、積分（Integrating） 、微分（Differentiation ）控制。在 PID 控制系統(tǒng)中完成 PID 控制規(guī)律的部分稱(chēng)為 PID 控制器。它是一種線形控制器用輸出 y(t)和給定量 r(t)之間的誤差的時(shí)間函數(shù) e(t) = r(t) - y(t)。PID 控制器框圖如圖 5.1。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求靈活地采用不同的控制組合如：圖 5.1 PID 控制算法框圖當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是變量并與期望值相比較以此誤差來(lái)糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。在過(guò)去的幾十年里 PID 控制也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天在工業(yè)過(guò)程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)而且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。PID 控制器由比例單元（P） 、積分單元（I） 、和微分單元（ D）組成它的基本原理比較簡(jiǎn)單基本的 PID 控制規(guī)律可描述為：(5.1)??SSGKDP??1沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23 PID 控制用途廣泛使用靈活已有系列化控制器產(chǎn)品使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（K pKI 和 KD）即可。在很多情況下并不一定需要三個(gè)單元可以取其中的一到兩個(gè)單元不過(guò)比例控制單元是必不可少的。PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 原理簡(jiǎn)單使用方便 PID 參數(shù) KpKI 和 KD 可以根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化 PID參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整與設(shè)定。（2） 適應(yīng)性強(qiáng)按 PID 控制規(guī)律進(jìn)行工作的控制器早已商品化即使目前最新式的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)其基本控制功能也仍然是 PID 控制。PID 應(yīng)用范圍廣雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化也可以將其變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)就可以進(jìn)行 PID 控制了。（3） 魯棒性強(qiáng)即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。 但不可否認(rèn) PID 也有其固有的缺點(diǎn)。PID 在控制非線性、時(shí)變、偶合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不缺點(diǎn)的復(fù)雜過(guò)程時(shí)效果不是太好；最主要的是：如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)作用都不大。在科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法但 PID 仍因其自身的優(yōu)點(diǎn)而得到了最廣泛的應(yīng)用，PID 控制規(guī)律仍是最普遍的控制規(guī)律。PID 控制器是最簡(jiǎn)單且許多時(shí)候最好的控制器。在過(guò)程控制中 PID 控制也是應(yīng)用最廣泛的一個(gè)，大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達(dá)二三百個(gè)甚至更多其中絕大部分都采用 PID 控制。由此可見(jiàn)在過(guò)程控制中PID 控制的重要性是顯然的下面將結(jié)合實(shí)例講述 PID 控制。比例控制 P 是一種最簡(jiǎn)單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。比例控制器的傳遞函數(shù)為：(5.2)??KGPCS?式中 Kp 稱(chēng)為比例系數(shù)或增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（Proportional Band PB）來(lái)取代比例系數(shù) Kp 比例帶是比例系數(shù)的倒數(shù)比例帶也稱(chēng)為比例度。對(duì)于單位反饋系統(tǒng) 0 型系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)際階躍信號(hào) R01(t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開(kāi)環(huán)增益K 近視成反比即：沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24 (5.3) ??KRtet????10lim對(duì)于單位反饋系統(tǒng) I 型系統(tǒng)響應(yīng)勻速信號(hào) R1 (t)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開(kāi)環(huán)增益 KV 近視成反比， 即:(5.4)??KRteVt1li???P 控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對(duì)系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)中 P 控制一般不單獨(dú)使用.具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5.2 所示.KP G0（S）H(S)圖 5.2 具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的特征方程式為:D(s)=1+ H(s)=0 (5.5)GKp0比例微分(PD)控制環(huán)節(jié)具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱(chēng)為 PD 控制，PD 的傳遞函數(shù)為:s (5.6)???pcs??其中，K p 為比例系數(shù)， 為微分常數(shù)，K p 與 兩者都是可調(diào)的參數(shù).?具有 PD 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5.3 所示。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25 KP(1+?s) G0（S）H(S)_圖 5.3 具有比例微分控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PD 控制器的輸出信號(hào)為：u(t)= (5.7)dteteKpp)()(??在微分控制中控制器的輸入與輸出誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制反映誤差的變化率只有當(dāng)誤差隨時(shí)間變化時(shí)，微分控制才會(huì)對(duì)系統(tǒng)起作用而對(duì)無(wú)變化或緩慢變化的對(duì)象不起作用。因此微分控制在任何情況下不能單獨(dú)與被控制對(duì)象串聯(lián)使用而只能構(gòu)成 PD 或 PID 控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件具有抑制誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差變化的作用“超前” 即在誤差接近零時(shí)抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)在控制中引入“ 比例 ”項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值 ，而目前需要增加的是“ 微分項(xiàng) ”它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)這樣具有 “比例+微分”的控制器就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性。另外微分控制對(duì)純時(shí)控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)設(shè)定值有突變時(shí)，為了防止由于微分控制的突跳常將微分控制環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中這種做法稱(chēng)為微分先行，即微分運(yùn)算只對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行而不對(duì)設(shè)定信號(hào)進(jìn)行。積分(I)控制具有積分控制規(guī)律的控制稱(chēng)為積分控制即 I 控制，I 控制的傳遞函數(shù)為：沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26 (5.8)sKGiC?)(其中， Ki 稱(chēng)為積分系數(shù)控制器的輸出信號(hào)為:U(t)= dt (5.9)?tIe0)(或者說(shuō)，積分控制器輸出信號(hào) u(t) 的變化速率與輸入信號(hào) e(t)成正比，即:(5.10))()(tedtuKI?對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng). ，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器必須引入”積分項(xiàng)”. 積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小直到等于零。通常，采用積分控制器的主要目的就是使用系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，由于積分引入了相位滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，增加積分器控制對(duì)系統(tǒng)而言是加入了極點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)而言是可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但這對(duì)瞬時(shí)響應(yīng)會(huì)造成不良影響，甚至造成不穩(wěn)定，因此，積分控制一般不單獨(dú)使用，通常結(jié)合比例控制器構(gòu)成比例積分(PI)控制器。比例積分(PI)控制具有比例加積分控制規(guī)律的控制稱(chēng)為比例積分控制器，即 PI控制，PI 控制的傳遞函數(shù)為：(5.11)ssTKGipiPpc ??????????11)(其中 Kp 為比例系數(shù)，T i 稱(chēng)為積分時(shí)間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。控制器的輸出信號(hào)為:(5.12)???tippdetetu0)()()(PI 控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。PI 控制器在與被控對(duì)象串聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于 s 左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn) .位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的