数字PID控制系统器地设计——毕业设计.doc

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1、毕业设计（2013届）题目数字PID控制器的设计学院物理电气信息学院专业电子信息工程年级2009级学生学号学生指导教师2013年5月3日摘要直流电机具有良好的启动和调速性能，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。本设计介绍了基于FPGA用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于FPGA用硬件产生PWM信号的途径，输出的PWM波形具有频率高、占空比调节步进细的优点。然后结合PID算法对整个系统进行闭环控制设计，对比运用MATLAB软件对闭环控制

2、系统参数选择并对整个系统稳定性作出判断，整合到硬件电路中对直流电机调速的实现提供了一种有效的途径。关键词:直流电机;FPGA；PID控制ABSTRACTThispaperintroducesakindofmethodofDC—motorspeedmodificationbasedonPWMtheorybytheFPGA．ShowingsomerelativeknowledgeupontheDC—motortiming，thebasictheoryandthewaytoimplement．Anditemphasizes

3、onthewayforcarryingoutPWMsignalsbasedonFPGA．ThesePWMsignals’advantagesarebasedonitshighfrequencyanddutycyclesteppingfineadjustment.ItoffersasortofefficientmethodsfortheDCmotorspeed—controllingsystem．ThenitcontributesPIDarithmeticintothedesignofclosed-loopcontro

4、l.Itcomparesthepreferencesofclosed-loopcontrolinMATLABwiththehardwirecircuits,whichprovidesanefficientwayforDCmotorspeedcontrol.KeyWords:DC—motorFPGAPID_control目录第一章绪论11.1课题背景和意义11.2国外研究现状11.3本课题研究容31.4本章小结3第二章直流电机42.1直流电机控制系统42.2直流电机的数学模型建立42.3本章小结6第三章PID算法73.

5、1PID算法73.1.1模拟PID73.1.2数字PID83.2数字PID参数整定方法93.3本章小结9第四章系统软件设计104.1MATLAB设计思想104.2设计步骤及结果104.3本章小结12第五章基于FPGA的直流电机闭环控制数字硬件系统设计135.1系统的工作原理135.2系统硬件设计及分析145.2.1频率计的设计145.2.2PWM驱动控制电路的设计及分析175.2.3PWM波形发生器195.2.4抗干扰滤波器模块205.2.5PID算法设计205.2.6综合模块设计215.3本章小结22第六章总结和展

6、望236.1总结236.2展望23参考文献25附录程序26致33第一章绪论1.1课题背景和意义在现代工业中，各种生产机械根据其工艺特点，对拖动的电动机提出了各种不同的要求，有的要求能迅速启动、制动和反转；有的要求多台电动机之间的转速按一定的比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机起、制动平稳，并能准确的停在给定的位置。可见各种拖动系统都是通过控制转速从而控制转矩来实现的。与交流电动机相比，直流电动机由于调速性能好、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能、运行效率高等优点，因此在相当长的时期，高

7、性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。FPGA作为新型的大规模可编程数字集成电路器件，它充分利用计算机辅助设计技术进行器件的开发与应用。用户借助于计算机不仅能自行设计专用集成电路芯片，还可在计算机上进行功能仿真和实时仿真，及时发现问题，调整电路，改进设计方案。这样，设计者不必动手搭接电路、调试验证，只须在计算机上操作很短的时间，即可设计出与实际系统相差无几的理想电路。而且，FPGA器件采用标准化结构，体积小、集成度高、功耗低、速度快，可无限次反复编程，因此，成为科研产品开发及其小型化的首选器件，其应用极为广泛。1.

8、2国外研究现状PID控制是工业工程中应用最为广泛，最有效率的控制理论，从它的出现到现在已经经历了很长的时间，今天它依然在工业控制中占有不可替代的地位，相信在以后的很长一段时间PID控制还会有很强的生命力。下面我将粗略列写一下国外对于PID控制器的发展的主要进程：（1）在国外，1973年美国和日本以学习控制和智能控制为题召开了专题研讨会，在20世