课程设计--基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统

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1、题目: 基于单片机的数字 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统 目录 一、PID 简介 （6） 二、设计原理 （7） 三、设计方案 （8） 四、心得体会 （16） 五、参考文献 （16） 2 一、一、PID 简介简介 PID（比例积分微分）是一个数学物理术语。 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性 确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方 法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型， 经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须 通过工程实际进

2、行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在 控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控 制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各 有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与 完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤 如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节， 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界

3、振荡周 期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史， 它 以其结构简单、 稳定性好、 工作可靠、 调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构 和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们 不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时， 最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根 据系统的误差，利用比例、

4、积分、微分计算出控制量进行控制的。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍是应用 最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而 成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e (t)与输 出 u (t)的关系为 u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是 0 和 t 因 此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 为比例系数； TI 为积分时

5、间常数； TD 为微分时间常数。 . 3 二二、设计原理、设计原理 基本的设计核心是运用 PID 调节器， 从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定 的运行。运用 A/D 转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度 的给定值；用压控振荡器模拟直流电机的运行（电压高-转速高-脉冲多） ，单片机在单位时 间内对脉冲计数作为电机速度的检测值；应用数字 PID 模型作单片机控制编程，其中 P、I、 D 参数可按键输入并用 LED 数码显示；单片机 PWM 调宽输出作为输出值，开关驱动、电 子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的 PID 调压调速功能。 基于以上的核心思想，我们把这次设计看成五个环节组成，其具体的原理如下见原理图 2.0 图 2.0 PID 调速设计原理图 如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们现运用 AD 芯片，运 用单片机来控制 AD 芯片来转换模拟电压到数字电压，AD 给定的电压越大，则产生的数字 量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个 PWM，PWM 占空比越大，