实验六 数字PID 直流电机闭环调速控制系统设计.doc

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1、实验六数字PID直流电机闭环调速控制系统设计一、实验原理及内容直流电机调速实验的系统方框图如下：电机的PID控制原理：单片机给出脉冲调制信号，脉冲调制信号的脉宽决定电机的转速，即可通过调节脉冲的占空比来调节电机的转速，脉冲信号驱动电路放大后控制直流电机的转动，然后测速电路几乎同步测出电机转速并输出，该输出信号与给定值（给定的转速）比较，如果两者不相同，经单片机里面的算法比对后，单片机调节脉冲宽度，继续输出给驱动电路控制电机，如此循环，直到电机转速与给定值相同。根据上述系统方框图，硬件线路图设计如下：图中“DOUT0”表示5

2、1的I/O管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作测速中断。实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生PMW脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定情况下，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序如下：实验结果的推导：在模拟系统中，PID算法的表达式为：（1）由

3、于计算机系统是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制。因此，在计算机系统中，必须对式（1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：（2）（3）将式（2）和（3）带入式（1），则得到离散的PID表达式：式中，----采样周期，必须使T足够小，才能使系统有一定的精度；E(k)---第k次采样时的偏差值；E(k-1)---第（k-1）次采样时的偏差值；K---采样序号，k=0,1,2.P(k)---第k次采样时调节器的输出。增量型PID控制算式为：实验结果记录

4、及分析(1)比例控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例调节的作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节调节产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。图1参数：P=3I=5D=125图2参数：P=20I=5D=125图3参数：P=50I=5D=125有上三图比较可看出，随则P的增大，系统的调节时间变短。稳定性变差。则合适的比例控制系数可以减小稳态误差，但当该值过大时，系统的稳定性变差。(1)积分

5、控制：积分的作用是只要系统存在误差在积分控制器就不断的积累，输出控制量，以消除误差。只要有足够的时间，积分控制就能完全消除误差。但是积分作用太强使系统超调加大，甚至使系统出现震荡。图4参数：P=7.6I=350D=0.4图5参数：P=7.6I=380D=0.4图5的积分I大于图4的，而图5出现了少量的震荡两图的稳态误差均趋于零。与理论相符。(1)微分控制：微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调节时间，从而改善系统的动态性能。图7参数P=7.6I=380D=0.3图7参数P=

6、7.6I=380D=0.5由图6和图7比较可知：微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调节时间，从而改善系统的动态性能。与理论相符。自动控制原理实验报告物理与电子学院测控技术与仪器邱磊第五组2012.12.21