直流電機(jī)調(diào)速計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì).doc

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 評語： 考勤10分 守紀(jì)10分 過程30分 設(shè)計(jì)報(bào)告30分 答辯20分 總成績(100分) 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 2016 年 07 月 15 日 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1設(shè)計(jì)目的 本課程設(shè)計(jì)是在修完《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)A》課程之后，為加強(qiáng)對學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)而開設(shè)的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計(jì)結(jié)合《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)A》課程的基礎(chǔ)理論，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用技能訓(xùn)練，包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)算法軟件和硬件設(shè)計(jì)。其課程設(shè)計(jì)任務(wù)是使學(xué)生通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基本理論，基本知識與基本技能，掌握計(jì)算控制技術(shù)中各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法，初步掌握并具備應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造和產(chǎn)品開發(fā)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力。 2 設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)系統(tǒng)，合理選擇PID控制規(guī)律，掌握被控對象參數(shù)檢測方法、H橋驅(qū)動(dòng)的功能、旋轉(zhuǎn)編碼器的功能、單片機(jī)PWM控制波形輸出方法，進(jìn)一步加強(qiáng)對課堂理論知識的理解與綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而提高解決實(shí)際工程問題的能力。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以電機(jī)轉(zhuǎn)速作為變量，單片機(jī)根據(jù)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量值與設(shè)定值的偏差去控制PWM波形的脈寬，從而改變直流電機(jī)兩端的電壓，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由單片機(jī)、直流電機(jī)、光電式旋轉(zhuǎn)編碼器、H橋驅(qū)動(dòng)、LCD顯示屏等及相關(guān)電路組成。 3 設(shè)計(jì)方案及原理 3.1系統(tǒng)功能介紹 整個(gè)控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送組成，在本次控制系統(tǒng)中控制器為單片機(jī)，采用算法為PID增量算法控制規(guī)律，執(zhí)行器為H橋驅(qū)動(dòng)電路，測量變送器為光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，被控對象為直流電機(jī)。然后通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制轉(zhuǎn)速的大小和正反轉(zhuǎn)。 3.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和生產(chǎn)過程兩大部分組成?？刂朴?jì)算機(jī)是指按生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和要求選擇或設(shè)計(jì)不同種類的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 圖2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 3.3直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的值由一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來表示。給單片機(jī)輸入一個(gè)給定脈沖數(shù)值，可由按鍵增減給定值，單片機(jī)輸出PWM后經(jīng)過三極管放大電路和H橋驅(qū)動(dòng)，然后傳給直流電機(jī)，從電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入到光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將檢測到的實(shí)際脈沖數(shù)輸入到單片機(jī)中，最后，在單片機(jī)中根據(jù)脈沖的的前三個(gè)時(shí)刻的偏差值，利用PID增量型控制程序程序算法得到控制增量，將控制增量給單片機(jī)，產(chǎn)生對應(yīng)的脈寬PWM波形控制電機(jī)兩端的電壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。最后在LCD顯示電路中顯示出來。 4硬件設(shè)計(jì) 硬件電路由開關(guān)控制模塊、單片機(jī)、晶振電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路電路、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器組成。硬件總體框圖如圖3所示。 圖3 硬件總體框圖 4.1主控芯片AT89C52 89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了CMOS的高速和高密度技術(shù)及CMOS的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于89C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場合。89C52內(nèi)置8位中央處理單元、512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內(nèi)程序存儲器（ROM）32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。 4.2 H橋驅(qū)動(dòng)的選擇 H橋（H-Bridge), ，即全橋（因外形與H相似故得名），通過開關(guān)的開合，將直流電（來自電池等）逆變?yōu)槟硞€(gè)頻率或可變頻率的交流電或直流開關(guān)電源的斬波，從而用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本系統(tǒng)采用四個(gè)三極管放大功率以控制NMOSFET管H橋。三極管選用FAIRCHILD公司的2N5210。它是NPN型低噪聲、高增益的通用放大器，當(dāng)集電極電流從1A到5mA時(shí)，它是一個(gè)通用放大電路。NMOSFET管選用ON半導(dǎo)體公司的NTD18N06L，它是低電壓，高速度開關(guān)應(yīng)用電力用品，可用于轉(zhuǎn)換器和功率電機(jī)控制和橋電路，開啟電壓最低為1V，最大為2V。 4.3 直流電機(jī)的選擇 直流電機(jī)選用KINGLYMOTOR公司的直流碳刷微型電機(jī)JRS-385 RA/SA，使用范圍為DC 4~20V，額定電壓為DC 12V，額定轉(zhuǎn)速為14000r/min，額定電流為0.15A，起動(dòng)電流為1A。 4.4 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出（REP）。本例中我選擇了東莞市林積為公司的內(nèi)密控157線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器每圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)為157。 4.5 轉(zhuǎn)速顯示電路的選擇 為方便對轉(zhuǎn)速大小的直觀印象，決定使用顯示一定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)捕捉的脈沖數(shù)來表示轉(zhuǎn)速。為此該系統(tǒng)選擇了LCD1602液晶顯示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 5 PID算法及軟件設(shè)計(jì) 5.1 PID算法分析 數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。 圖4 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖 根據(jù)給定轉(zhuǎn)速r(t)與實(shí)際轉(zhuǎn)速c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后將偏差按比例、積分、微分，通過線性組合構(gòu)成控制量，控制被控對象，控制規(guī)律為： 其中，Kp是比例系數(shù)，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度變慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但Ti過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若Ti過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Td過大，會使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 該直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制，其PID控制規(guī)律采用增量式，差分方程如下： 其中，K為采樣信號，u(k)是第K次時(shí)計(jì)算機(jī)輸出值，e(k)是第K次采用輸入差值，e(k-1)為第K-1次采用輸出偏差值。 把捕獲的脈沖數(shù)與設(shè)定值相比，便可得到兩者的偏差，然后經(jīng)過PID的運(yùn)算，得到控制器的輸出量，調(diào)整PWM的脈寬，來改變轉(zhuǎn)速。 6系統(tǒng)仿真及實(shí)際調(diào)試 6.1 MATLAB程序與仿真 見附錄1。 6.2 PROTEUS程序與仿真 見附錄2。 7總結(jié) 根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制（簡稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明。這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時(shí)，都能達(dá)到滿意的效果。不過，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制不是簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更加靈活。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后相差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭? 在控制系統(tǒng)中，每個(gè)采樣周期，控制器輸出的控制量，是相對于上次控制量的增加，此時(shí)控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量式控制算法。通過此次設(shè)計(jì)，我掌握了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成，知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象和測量變送組成。并且學(xué)會了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計(jì)步驟，認(rèn)知被控對象、設(shè)計(jì)控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、參數(shù)整定、設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖，掌握MATLAB仿真和PROTEUS的硬件仿真和設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)令我受益匪淺。 參考文獻(xiàn) [1]李華.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [2]阮毅.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003. [3]姜香菊.傳感器原理及應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015. [4]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2012. [5]王思明.單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].北京：科學(xué)出版社，2012. [6]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京：高等教育出版社，1980. 附錄1 MATLAB程序與仿真 圖5 電機(jī)調(diào)速的PID增量仿真模型 圖6 電機(jī)調(diào)速的PID增量仿真結(jié)果 附錄2 PROTUES程序與仿真 圖7 電機(jī)調(diào)速的硬件示意圖 PID增量算法程序如下： int PID() //增量式PID { int change; err_now = set - now; err_bef = set - bef; err_bbef = set - bbef; change = kp*(err_now - err_bef) + ki*err_now + kd*(err_now - 2*err_bef + err_bbef); if(change > 0) { printchar(1,10,+); printuint(1,11,4,change); } else if(change < 0) { printchar(1,10,-); printuint(1,11,4,-change); } else if(change == 0) { printchar(1,10, ); printword(1,11," 0 "); } return(change); } 附錄3 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)流程圖