1、目 錄第1章 PID簡介1第2章 設計原理2第3章 設計方案33.1 PWM的調制33.2 基于單片機的數字PID控制直流電機PWM調壓調速器系統53.2.1 調速原理53.2.2 基于單片機的數字PID控制直流電機PWM調壓調速器系統原理圖63.2.3波形仿真73.2.4 PID調速程序8第4章 心得體會13參考文獻14第1章 PID簡介 PID （比例積分微分，英文全稱為Proportion Integration Differentiation）控制器問世至今已有近70年歷史，它 以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，

2、或得不到精確的數學模型時，控制理論的 其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被 控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據系統的數學模型，經過理論計

3、算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需 要在實際運行中進行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統

4、對輸入的階躍響應出現臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。 PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為 u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/

5、(TI*s)+TD*s)其中kp為比例系數； TI為積分時間常數； TD為微分時間常數。本次課程設計就是應用數字PID模型作單片機控制編程，其中P、I、D參數可按鍵輸入并用LED數碼顯示；單片機PWM調寬輸出，開關驅動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現對直流電機的PID調壓調速功能。.第2章 設計原理基本的設計核心是運用PID調節器，從而實現直流電機的在帶動負載的情況下也能穩定的運行。運用A/D轉換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉換為數字量作為控制直流電機速度的給定值；用壓控振蕩器模擬直流電機的運行（電壓高-轉速高-脈沖多），單片機在單位時間內對脈沖計數作為電機速度的檢測值；應用數字PID模

6、型作單片機控制編程，其中P、I、D參數可按鍵輸入并用LED數碼顯示；單片機PWM調寬輸出作為輸出值，開關驅動、電子濾波控制模擬電機（壓控振蕩器）實現對直流電機的PID調壓調速功能。基于以上的核心思想，我們把這次設計看成五個環節組成，其具體的原理如下見原理圖2.0 圖2.0 PID調速設計原理圖 如圖可以知道，這是一個閉環系統，我們借助單片機來控制，我們現運用AD芯片，運用單片機來控制AD芯片來轉換模擬電壓到數字電壓，AD給定的電壓越大，則產生的數字量越大，單片機再控制這個數字量來產生一個PWM，PWM占空比越大，就驅動晶體管導通的時間越長，這樣加到壓頻轉換器的電壓也就越大，電壓越大，則壓頻轉換

7、器輸出的計數脈沖再單位時間也就越多，這樣就相當于電機的電壓越大，其轉速也就會越快，我們再用單片機對壓頻轉換器的輸出脈沖計數，PID調節器就把這個計數脈沖和預先設定的 值進行比較，比設定值小，這樣就會得到一個偏差，再把這個偏差加到AD的給定電壓，這樣就相當于加大了PWM的占空比，要是比設定值大，這樣也會得到一個偏差，就把這個變差與給定的電壓向減，這樣就可以減少PWM的占空比，通過改變占空比來改變晶體管的導通時間，就可以改變壓頻轉換器的輸入電壓，也就改變壓頻轉換器的單位計數脈沖，達到調電動機速度的目的。第3章 設計方案3.1 PWM的調制 AD芯片給定一定的電壓，應用單片機來控制來產生一個PWM,

8、給定的電壓不同，就會的得到不同的PWM波形。在產生PWM波形我們采用ADC0808芯片和AT89C51兩個核心器件。 ADC0808芯片是要外加電壓和時鐘，當輸入不同的電壓的時候，就可以把不同的電壓模擬量轉化為數字值，輸入的電壓越大，其轉換的相應的數字也就會越大，ADC0808芯片有8個通道輸入和8個通道輸出。其具體的管腳圖見3.01 圖3.01 ADC0808芯片管腳圖 AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT8

9、9C2051是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3.02所示 圖3.02 AT89C51芯片管腳圖PWM產生的電路圖見圖3.03 圖3.03 PWM產生的電路圖 在PROTEUS仿真中，我們改變不同的電壓就可以得到不

10、同的PWM波形。 在給定很高（FC）的電壓的時候，得到占空比很的PWM波形，見圖3.04 圖3.04 高占空比PWM波形在給定一般(7F)的電壓的時候，得到占空比很的PWM波形，見圖3.05 圖3.05 中占空比PWM波形在給定一般(01)的電壓的時候，得到占空比很的PWM波形，見圖3.06 圖3.06 低占空比PWM波形 PWM源程序ADC EQU 35H ;定義ADC0808時鐘芯片CLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7PWM BIT P3.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TOSTART:

11、 MOV TMOD,#02H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV IE ,#82H SETB TR0WAIT:CLR ST SETB ST CLR ST ;啟動A/D轉換等待結果 JNB EOC,$ SETB OE MOV ADC,P1 ;啟動/D轉換結果 CLR OE SETB PWM ;PWM輸出 MOV A,ADC LCALL DELAY CLR PWM MOV A,#0FEH SUBB A,ADC LCALL DELAY SJMP WAITINT_TO:CPL CLOCK RETI ;提供ADC0808時鐘信號 DELAY: CJNE A ,#00H, L IN

12、C AL: MOV R6,#1 D1:DJNZ R6 ,D1 DJNZ ACC,D1 RET END3.2 基于單片機的數字PID控制直流電機PWM調壓調速器系統3.2.1 調速原理當基于以上產生一個PWM后，就可以借助PWM脈沖來控制晶體管的導通和關斷，來給壓頻轉換器來提供一定的電壓，在PROTUES中仿真中，給定一個+12V的電壓，就通過晶體管的導通和關斷來給壓頻轉換器供電，壓頻轉換器就會輸出很多的脈沖，借助單片機P3.5來計數，其計數送給P0來顯示，通過給定不同的ADC的輸入電壓，就可以的得到不同的計數顯示，電壓越大，其計數顯示也就越大，通過改變計數脈沖的周期和硬件壓頻轉換器（LM331

13、）的電阻和電容，就可以得到與輸入電壓接近的數值顯示，可能由于干擾的原因，其顯示值和實際值有一點偏差，這是在沒有什么負載的情況下，或者說是在空載的情況下，這樣就可以得到一個很理想的開環系統，也為閉環PWM調節做好準備。當開環系統穩定后，加上一個擾動，或者說是加上負載，這樣就使的壓頻轉換器的電壓減少，在給定一定電壓的時候，當負載分壓的時候，也就相當于直流電機的電壓就會減少，這樣直流電機的轉速就會下降，或者說當有負載的時候，壓頻轉換器的輸入電壓就會減少，這樣輸入的脈沖在單位時間就會減少，這樣PID調節器，通過改變PID的參數，PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e

14、 (t)與輸出u (t)的關系為 u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp為比例系數； TI為積分時間常數； TD為微分時間常數這樣就會得到一個偏差，通過這個偏差來改變原來的PWM的占空比，使得晶體管的導通時間加長或減少，這樣就改變了直流電機的輸入電壓，也就是該變了在PROTUES壓頻轉換器的輸入電壓，使得輸出的計數脈沖在單位時間發生改變，也就是模擬了直流電機的轉速的改變，我們希望通過PID的調節，使得輸出的計數脈沖的顯示值和預先設定的

15、值接近，由于偏差的存在，使得PID調節器不斷的去修正，使得顯示值近可能的接近我們所預期的設定值。3.2.2 基于單片機的數字PID控制直流電機PWM調壓調速器系統原理圖圖3.07 PID調速原理圖3.2.3波形仿真在不同的給定電壓下開換系統會有不同的PWM波形和計數脈沖個數。在不同的波形中從上之下以此為pwm波形，經過驅動后的波形，LM331的輸入電壓，LM331的輸出脈沖。當給定電壓為較高（E8H）其波形見如下圖3.08 圖3.08 高電壓給定對應的波形當給定電壓為較高（7FH）其波形見如下圖3.09 圖3.09 中電壓給定對應的波形當給定電壓為較高（08H）其波形見如下圖3.10 圖3.1

16、0 低電壓給定對應的波形; PID LM331的輸入電壓波形圖3.11 圖3.11 PID 控制LM331的輸入電壓波形3.2.4 PID調速程序PWM 輸出驅動程序 ADC EQU 35H CLK BIT P2.4 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7; PID 調節設置 EK0 EQU 40H EK1 EQU 41H EK2 EQU 42H PP EQU 43H II EQU 44H DD EQU 45H UK0 EQU 70H UK1 EQU 71H ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO

17、 START: MOV TMOD, #62H MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV IE, #86H SETB TR0 ; SETB TR1 MOV R0, #00 MOV R1, #00 MOV R2, #00 MOV R3, #00 MOV R4, #00 MOV R5, #00 MOV R6, #00 MOV R7, #00 ;PID 賦值 MOV PP, #05 MOV II, #03 MOV DD, #02 MOV EK0,#00H MOV EK1,#00H MOV EK2,#00H MOV UK0,#00H MOV UK1,#00H WAIT: CLR O

18、E INC R7 CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC, $ ; 等待轉換完成 SETB OE MOV ADC, P1 MOV R0,ADC MOV A,70H ADDC A,ADC MOV ADC ,A ;CLR OE SETB PWM SETB TR1 MOV A, ADC LCALL DELAY ; 高電平延時 CLR PWM MOV A, #255 SUBB A, ADC LCALL DELAY ; 低電平延時 CJNE R7, #20, WA2 WA1: CLR TR1 MOV R7, #00 MOV A, TL1 MOV 50H,A mov P0,50H ;P

19、ID求偏差 MOV A,EK1 MOV EK2,A MOV A,EK0 MOV EK1,A MOV A,R0 SUBB A,50H MOV EK0,A ;PP的計算 MOV A,EK0 SUBB A,EK1 MOV B,PP MUL AB MOV R1,A MOV R2,B AJMP X WAIT1:AJMP WAIT ;II的計算 X: MOV A,EK0 MOV B,II MUL AB MOV R3,A MOV R4,B ;DD的計算 MOV A,EK1 RL A MOV EK1,A MOV A,EK0 SUBB A,EK1 ADDC A,EK2 MOV B,DD MUL AB MOV R5,A MOV R6,B ;PID總的計算 MOV A,R1 ADDC A,R3 ADDC A,R5 MOV 60H,A MOV A,R2 ADDC A,R4 ADDC A,R6 MOV 61H,A MOV A,60H ADDC A,70H MOV 70H,A MOV A,61H ADDC A,71H MOV 71H,A