计算机控制技术课程设计报告

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 (8)

1.2.1.PWM控制的基本原理 (8)

1.2.2.直流电机的PWM控制技术 (9)

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 (11)

2.4.显示模块设计方案 (11)

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 (12)

3.3.电机速度采集电路设计 (13)

3.4.串行通信模块 (14)

四、软件设计 (14)

4.1.算法实现 (14)

4.1.1.PID算法 (14)

4.1.2.电机速度采集算法 (15)

4.2定时程序流程 (15)

五、设计要求 ............................................................................................ 错误!未定义书签。

六、总结 .................................................................................................... 错误!未定义书签。

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)(t r 与实际输出值)(t c 构成的控制偏差： )(t e =)(t r －)(t c （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)([)(0dt

t de T dt t e T t e K t u D t I p ++=⎰ （1.2） 式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间常数，D T 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)(t e ,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I T ，I T 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 )11()()()(S T S

T K S E S U S D D I P ++== （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)(t r 、)(t e 、)(t u 、)(t c 在第n 次采样的数据分别用)(n r 、)(n e 、)(n u 、)(n c 表示，于是式（1.1）变为 ： )(n e =)(n r －)(n c （1.4）

当采样周期T 很小时dt 可以用T 近似代替，)(t de 可用)1()(--n e n e 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 T

n e n e dt t de )1()()(--≈ （1.5） ⎰∑=≈t n

i T i e dt t e 01)()( （1.6） 这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程

01})]1()([)()({)(u n e n e T

T n e T T n e K n u n i D I P +--++=∑= （1.7） 上式中0u 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)(n u P ,即

)()(n e K n u P p = （1.8）

第二项起积分控制作用,称为积分（I ）项)(n u I 即 ∑==n

i I P I i e T T K n u 1)()( （1.9） 第三项起微分控制作用,称为微分（D ）项)(n u D 即 )]1()([)(--=n e n e T

T K n u D P D （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: 0)()(u n u n u P += （1.11）

PI 控制: 0)()()

(u n u n u n u I P ++= （1.12） PD 控制: 0)()()(u n u n u n u D P ++= （1.13）

PID 控制: 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++= （1.14）

式（1.7）的输出量)(n u 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)(i e ,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

011})]2()1([)()1({)1(u n e n e T

T n e T T n e K n u n i D I P +---++-=-∑-= （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