电气工程综合实验.docx
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电气工程综合实验
成绩：
xxda学
自动化学院综合实验报告
题目：
直流电机闭环调速系统
学生姓名：
xx
学号：
xx
同组人员：
xx
指导教师：
xx
完成时间：
2012.12.
直流电机闭环调速系统实验报告
1、实验名称：
直流电机闭环调速
基本情况：
1.学生姓名：
xx
2.学号：
x
3.班级：
0830902班
4.实验项目组长：
xx
5.同组其他成员：
序号
姓名
班级
学号
分工系数
1
x
0830x
oo4
0.34
2
xx
0x
oo1
0.22
3
xxx
083x
oo8
0.22
4
xxxx
083x
oo89
0.22
6.具体分工：
任务负责人
尹辉
王玉棣
伍沁楠
颜鸿运
分析设计给出设计方案
√
硬件电路设计
√
√
软件程序设计
√
√
综合实验报告
√
√
√
√
7.本人在项目组的作用描述：
本次综合实验的目的是在于实现直流电机的闭环调速，我在本次实验的主要负责的是软件程序设计，也就是应用C语言进行编程，PID控制主要是要通过比例项、积分项、微分项三项的控制来实现调速功能。
编写了计时器T0产生PWM波、通过改变占空比实现；用T1记录脉冲来确定转速；在键盘输入上改变转速的额定值，观察实际转速，显示最终的实际数值。
最终确定了调解中的各项系数：
Kp=0.4,Ki=0.02,Kd=0.02。
二、实验内容（实验原理介绍）：
2.1实验内容
1）基于51单片机PWM输出控制直流电机转速；
2）可以实时显示电机转速，同时显示设定值以及给定值
3）可以通过按键设定直流电机转速，即实现加减速（转/秒，r/s）；
4）可以调节P、I、D参数，通过PID调速使电机转速逐渐稳定；
2.2实验原理
2.2.1系统框图
2.2.2实验原理
该系统是基于51单片机最小系统的控制系统，由51单片机产生PWM，由驱动芯片L298N驱动电机转动，再由红外对射传感器产生脉冲输入单片机，单片机经过PID算法调节占空比实现对电机速度的控制和调节。
PWM控制的基本原理:
在采样控制理论中有一个重要的结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。
同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
数字PID算法
1、PID控制系统组成
2、PID调节器的微分方程和传递函数
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
PID调节器的微分方程：
式中
PID调节器的传输函数：
3模拟PID控制规律的离散化
模拟形式
离散化形式
4、数字PID控制器的差分方程
式中
比例项
积分项
微分项
5、PID调节器各校正环节的作用
（1）比例环节：
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。
（2）积分环节：
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节：
能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
三、实验结果分析（含程序、数据记录、控制算法及分析和实验总结等）：
3.1程序流程图
3.2源程序
/*计时器T0用于产生PWM脉冲，同时T1用于计数器模式，记录脉冲的个数，确定转速*/
#include
#include//标准输入输出
#include//移位头函数
#include//
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineDataP0//数据端口
#defineTHCon0xfc
#defineTLCon0x66//初值1ms
sbitP1_0=P1^0;
sbitP1_1=P1^1;
sbitRS=P2^4;//Pin4改P2^5
sbitRW=P2^5;//Pin5P2^6
sbitE=P2^6;//Pin6P2^7
sbitkey1=P3^0;//键盘改
sbitkey2=P3^1;
chardataTimeNum[]="";
chardataTest1[]="";
charge,shi,bai,ge1,shi1,bai1;//
sbittest=P1^3;
sbitPWM_C=P1^2;//pwm控制端P3^3
inte=0,e1=0,e2=0;//pid偏差
floatuk=0,uk1=0.0,duk=0.0;//pid输出值
floatKp=0.4,Ki=0.02,Kd=0.02;//pid控制系数
intout;
uintSpeedSet=16;
uintcnt=0;
uintnum=0;//脉冲计数Impluse=0,
uintPWM_Time=50;//脉冲宽度
/******************************************************************/
/*函数声明*/
/******************************************************************/
voidPWMOut（）;
/******************************************************************/
/*微秒延时函数*/
/******************************************************************/
voidDelayUs（unsignedcharus）//delayus
{
unsignedcharuscnt;
uscnt=us>>1;/*12MHz频率*/
while（--uscnt）;
}
/******************************************************************/
/*毫秒函数声明*/
/******************************************************************/
voidDelayMs（unsignedcharms）
{
while（--ms）
{
DelayUs（250）;
DelayUs（250）;
DelayUs（250）;
DelayUs（250）;
}
}
/******************************************************************/
/*写入命令函数*/
/******************************************************************/
voidWriteCommand（unsignedcharc）
{
DelayMs（5）;//操作前短暂延时，保证信号稳定
E=0;
RS=0;
RW=0;
_nop_（）;
E=1;
Data=c;
E=0;
}
/******************************************************************/
/*写入数据函数*/
/******************************************************************/
voidWriteData（unsignedcharc）
{
DelayMs（5）;//操作前短暂延时，保证信号稳定
E=0;
RS=1;
RW=0;
_nop_（）;
E=1;
Data=c;
E=0;
RS=0;
}
/******************************************************************/
/*写入字节函数*/
/******************************************************************/
voidShowChar（unsignedcharpos,unsignedcharc）
{
unsignedcharp;
if（pos>=0x10）
p=pos+0xb0;//是第二行则命令代码高4位为0xc
else
p=pos+0x80;//是第二行则命令代码高4位为0x8
WriteCommand（p）;//写命令
WriteData（c）;//写数据
}
/******************************************************************/
/*写入字符串函数*/
/******************************************************************/
voidShowString（unsignedcharline,char*ptr）
{
unsignedcharl,i;
l=line<<4;
for（i=0;i<16;i++）
ShowChar（l++,*（ptr+i））;//循环显示16个字符
}
/******************************************************************/
/*初始化函数*/
/******************************************************************/
voidinit（）
{
TMOD=0x51;
TH0=THCon;
TL0=TLCon;
TH1=0;
TL1=0;
//EA=1;
ET0=1;
TR0=1;//开始计时器0
ET1=1;
TR1=1;//开始计数器1
EA=1;
e=0;
e1=0;
e2=0;
}
voidInitLcd（）
{
DelayMs（15）;
WriteCommand（0x38）;//displaymode
WriteCommand（0x38）;//displaymode
WriteCommand（0x38）;//displaymode
WriteCommand（0x06）;//显示光标移动位置
WriteCommand（0x0c）;//显示开及光标设置
WriteCommand（0x01）;//显示清屏
DelayMs（15）;
sprintf（Test1,"setspeed:
"）;//打印输出第一行信息
ShowString（0,Test1）;
sprintf（TimeNum,"current:
"）;//打印输出第二行信息
ShowString（1,TimeNum）;
}
voidkeyscan（）
{
if（!
key1）
{//按下相应的按键，数码管显示相应的码值
DelayMs（5）;
if（!
key1）
{
SpeedSet++;
//P1_0=~P1_0;
//num++;
}
}
}
voidAnalysisData（charnuma）
{
ge=numa%10;
shi=numa/10%10;
bai=numa/100%10;
}
voidAnalysisCu（charnuma）
{
ge1=numa%10;
shi1=numa/10%10;
bai1=numa/100%10;
}
voidPIDControl（）
{
e=SpeedSet*4-num;
duk=（Kp*（e-e1）+Ki*e+Kd*（e-2*e1+e2））;//kp*（error1-error2）+ki*error1+kd*（error1-2*error2+error3）
uk=uk1+duk;
out=（int）uk;//
if（out>100）
{
out=100;
}
elseif（out<0）
{
out=0;
}
uk1=uk;
e2=e1;
e1=e;
PWM_Time=out;//out
}
voidDelay（uchark）
{
uinti=0,j=0;
for（i=k;i>0;i--）
{
for（j=50;j>0;j--）;
}
}
voidPWMOut（）
{
if（cnt{
PWM_C=1;
}
else
{
PWM_C=0;
if（cnt>=100）
{
cnt=0;
}
}
}
/******************************************************************/
/*主函数*/
/******************************************************************/
voidmain（void）
{
init（）;
InitLcd（）;//初始化LCD
DelayMs（15）;//延时保证信号稳定
P1_0=1;
//sprintf（Test1,"setspeed:
"）;//打印输出第一行信息
//ShowString（0,Test1）;
//
//sprintf（TimeNum,"current:
"）;//打印输出第二行信息
//ShowString（1,TimeNum）;
while
（1）
{
keyscan（）;
AnalysisData（SpeedSet）;
WriteCommand（0x80+0x0c）;
WriteData（0x30+bai）;
WriteData（0x30+shi）;
WriteData（0x30+ge）;
DelayMs（200）;
AnalysisCu（num/4）;
WriteCommand（0x80+0x49）;
WriteData（0x30+bai1）;
WriteData（0x30+shi1）;
WriteData（0x30+ge1）;
DelayMs（200）;
PWMOut（）;
}
}
/******************************************************************/
voidexter0（）interrupt0using1
{
//Impluse++;
//P1_0=~P1_0;
}
voidtimer0（）interrupt1
{
//staticunsignedcharBit=0;
staticunsignedinttime=0;
TH0=THCon;
TL0=TLCon;
cnt++;//pid脉冲周期
time++;//转速测量周期
PWMOut（）;
if（time>=100）
{
time=0;
num=（TH1*256+TL1）;//4个脉冲，转一圈Impluse/4
P1_1=~P1_1;
TH1=0;
TL1=0;
//Impluse=0;
PIDControl（）;
}
}
3.3硬件原理图
3.4实验心得
本次综合实验是在课外时间完成，复习了很多东西，自动控制原理，程序编写等，在PID的控制中，根据组长的分配任务，前期了解了一些程序编写中应该设计的控制量，基本上还是基于单片机上的程序，难度有点大，很多东西需要尹辉的帮助。
在实验中也遇到了一些问题，Kp、Ki、Kd的数值上的选取、计算等，以及闭环反馈的相关调节。
实际上编程难度对自己来说比较大，一是一段时间没有进行这方面的操作，二是自己编程比较薄弱。
最终通过大三时期的比例、微分、积分各个实验的程序和当时的实验资料，基本编出实现调速功能的程序，这次综合实验最大的好处就是为毕业设计做了一些好的复习。
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