直流调速系统的pid控制与仿真

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1、《电力传动与控制》直流调速系统的PID控制与仿真学院：电子与控制工程学院专业：控制理论与控制工程姓名：魏文学号：指导教师：王飚完成时间：2012年6月20日0前言随着电子技术的高度发展，直流电机控制逐步从模拟化向数字化转变。完全由硬件电路实现的直流电机调速系统，电路复杂，调整困难且可靠性不高，缺乏控制的灵活性。在工业控制中，按偏差的比例P、积分I，和微分D进行控制的PID调节器现在得到广泛的应用。在小型微型计算机用于生产过程以前，连续过程系统中采用的气动、液动和电动的PID调节器几乎占垄断地位。由最优控制理论可以证明，它能适应不少工业对象的控制要求。单片机控制技术不断发展

2、，特别是软件PID算法控制器的使用，代替了原来很多的硬件PID调节器，在工业控制系统和嵌入式系统中得到了更加广泛的应用。基于软件PID算法控制器和硬件PWM技术的直流电机调速控制技术正向数字化、智能化、高可靠性发展。文中讲述了采用LabVIEW和Proteus设计直流电机仿真调速系统的设计方法。电机的驱动和速度的采集由单片机完成，并将单片机的硬件电路在Proteus中仿真实现，再通过虚拟串口实现单片机与上位机的通信。LabVIEW对接收单片机的信息进行PID控制，并最终通过调节AT89C52单片机输出的PWM波占空比调整直流电机转速，达到对直流电机进行调速的目的。1直流电

3、机数字控制思想微机控制的调速系统是一个数字采样系统。其系统结构图1如图所示，其中S1是给定值的采样开关，S2是反馈值的采样开关，S3是输出的采样开关。若所有的采样开关是等周期地一起开和闭，则称为同步采样。微型计算机是无法连续输入给定信号和反馈信号，微型计算机只有在采样开关闭合时才能输入和输出信号。当控制系统的控制量和反馈量是连续信号时，为了把他们输入计算机，只能在采样时刻对模拟的连续信号进行采样，把连续信号变成脉冲信号，即离散的模拟信号。信号的离散化是微机数字控制系统的第一个特点。图1微机控制系统框图采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，还须经过

4、数字量化。用一组数码（如二进制数）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号。信号的数字化是微机数字控制系统的第二个特点。为了使离散的数字信号可以不失真的复现连续的模拟信号，对系统的采样频率有一定的要求。根据香农（Shannon）采样定理：如果模拟信号的最高频率为fmax，只要按照f>2fmax采样频率进行采样，取出的样品序列就可以代表（或恢复）模拟信号。在电动机调速系统中，控制对象是电动机的转速和电流，是快速变化的物理量，必须具有较高的采样频率。微型计算机控制的直流调速系统是一种快速数字采样系统，要求微型计6算机在较短的采样周期之内，完成信号的转换、采集，完成按某种控

5、制规律实施的控制运算，完成控制信号的输出。光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器常用于检测转角。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。2数字PI调节器PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器。当采样频率足够高时，可以按模拟系统的设计方法设计调节器，然后离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。PI调节器的传递函数：输出函数和输入误差函数关系的

6、时域表达式为式中Kp为比例系数，KI为积分系数。数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，比例部分只与当前的偏差有关，积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用明显，参数调整简单明了。增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算出输出值，增量式PI调节器算法：在控制系统中，常需对调节器的输出实施限幅。在数字控制算法中，要对u限幅，只需在程序内设置限幅值±Um。当Uk的绝对值大于Um时，便以限幅Um作为输出。位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅时两者略有差异。增量式PID调节器算法只需考虑输出限幅，而位置式算法必须同时考虑积分限幅和输

7、出限幅。3直流调速仿真系统的设计为了直观地了解直流电机实时运行状况，并对其进行实时监控，设计出一个直流电机调速仿真系统。系统总体由上位机和下位机两部分组成。上位机采用LabVIEW编程，设计系统的控界面，下位机采用AT89C52单片机，整体结构框图如图2所示。单片机通过编码器采集转速信息，经过虚拟串口传送到上位机。在上位机中，将实时速度值与给定速度值进行比较和PID控制，调节AT89C52输出的PWM波占空比，达到直流电机调速的目的。6图2直流调速仿真系统3.1直流电机控制电路设计下位机AT89C52单片机系统由Proteus