PID控制PWM调节直流电机速度(12v)..doc

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1r/min。 1 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）