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首页基于PID控制直流电机PWM调压调速器系统
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。
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目录
第 1 章 绪论...............................................................................................1
1.1 PID 简介.........................................................................................1
1.2 反馈回路基础................................................................................2
1.3 理论................................................................................................3
第 2 章 设计原理.......................................................................................3
第 3 章 设计方案.......................................................................................4
3.1 PWM 的介绍..................................................................................4
3.2 PWM 的控制方法..........................................................................5
3.3 PWM 的控制................................................................................10
3.4 基于单片机的数字 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统
............................................................................................................11
心得体会..................................................................................................17
参考文献..................................................................................................18
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第 1 章 绪论
1.1 PID 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、
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/TI∫e(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 为积分时间
常数; TD 为微分时间常数。
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图 1.0 PID 控制器的方块图
PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把
收集到的数据和一个参考值进行比较,然后把这个差别用于计算新的输入值,
这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简
单的控制运算不同,PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入
值,这样可以使系统更加准确,更加稳定。可以通过数学的方法证明,在其他
控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下,一个 PID 反馈回路却可以
保持系统的稳定。
1.2 反馈回路基础
PID 回路是要自动实现一个有量具和控制旋钮的操作人员的工作。这个操
作人员会用量具测系统输出的结果,然后用控制旋钮来调整这个系统的输入,
直到系统的输出在量具上显示稳定的需求的结果。在旧的控制文档里,这个过
程叫做“复位”行为。量具被成为“测量”。需要的结果被成为“定值”。定值和测量
之间的差别被成为“误差”。 一个控制回路包括三个部分:(1)系统的传感器得到
的测量结果;(2)控制器作出决定;(3)通过一个输出设备作出反应。控制器从传
感器得到测量结果,然后用需求结果减去测量结果来得到误差。然后用误差来
计算出一个对系统的纠正值来作为输入结果,这样系统就可以从它的输出结果
中消除误差。在一个 PID 回路中,这个纠正值有三种算法,消除目前的误差,
平均过去的误差,和透过误差的改变来预测将来的误差。比如说,假如一个水
箱在为一个植物提供水,这个水箱的水需要保持在一定的高度。一个传感器就
会用来检查水箱里水的高度,这样就得到了测量结果。控制器会有一个固定的
用户输入值来表示水箱需要的水面高度,假设这个值是保持 65%的水量。控制
器的输出设备会连在一个马达控制的水阀门上。打开阀门就会给水箱注水,关
上阀门就会让水箱里的水量下降。这个阀门的控制信号就是我们控制的变量,
它也是这个系统的输入来保持这个水箱水量的固定。PID 控制器可以用来控制
任何可以被测量的并且可以被控制变量。比如,它可以用来控制温度,压强,
流量,化学成分,速度等等。汽车上的巡航定速功能就是一个例子。一些控制
系统把数个 PID 控制器串联起来,或是链成网络。这样的话,一个主控制器可
能会为其他控制输出结果。一个常见的例子是马达的控制。我们会常常需要马
达有一个控制的速度并且停在一个确定的位置。这样呢,一个子控制器来管理
速度,但是这个子控制器的速度是由控制马达位置的主控制器来管理的。连合
和串联控制在化学过程控制系统中是很常见的。
2

1.3 理论
PID 是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制
的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。
这三种算法是:
(1)比例- 来控制当前,误差值和一个负常数 P(表示比例)相乘,然后和预
定的值相加。P 只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。比如说,
一个电热器的控制器的比例尺范围是 10°C,它的预定值是 20°C。那么它在
10°C 的时候会输出 100%,在 15°C 的时候会输出 50%,在 19°C 的时候输
出 10%,注意在误差是 0 的时候,控制器的输出也是 0。
(2)积分- 来控制过去,误差值是过去一段时间的误差和,然后乘以一个负常
数 I,然后和预定值相加。I 从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定
值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡,会在预定值的附近来回变化,因
为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值,平均的系统
误差值就会总是减少。所以,最终这个 PID 回路系统会在预定值定下来。
(3)导数- 来控制将来,计算误差的一阶导,并和一个负常数 D 相乘,最后和
预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大,那
么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个 D 参数也是 PID 被成为可预
测的控制器的原因。D 参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的
速度缓慢的系统可以不需要 D 参数。
用更专业的话来讲,一个 PID 控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这
一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当,控制系
统的输入值会反复振荡,这导致系统可能永远无法达到预设值。
第 2 章 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
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