基于PID的直流电机速度控制系统设计实验报告

设计实验报告

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指导老师： ***

中南大学机电工程学院

基于PID的直流电机速度控制系统设计实验报告

一、实验目的

1. 熟练并掌握C51、ADC0809等芯片的原理、硬件以及接线；

2. 熟练C51单片机的指令系统，完全掌握中断，子程序，查表程序等特殊语句的应用；

3. 学习并掌握浮点数的原理及应用；

4. 回顾《机械工程控制基础》的学习内容并掌握PID控制器的原理及用法； 5. 锻炼自己发现并解决问题的能力，同时将课本知识应用于实践以得到更好的理解。

二、实验原理

1. 闭环控制/开环控制

对直流电机转速的控制有一般有两种方式，一种是开环控制，一种是闭环控制。开环控制的优点是简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点是精度通常较低，无自动纠偏能力；闭环控制的优点是控制的精度可以达到很高，而且对外界的干扰和系统的参数变化有很好的抑制作用，且可以通过输出反馈控制系统的控制过程。缺点是存在稳定性，振荡，超调等一系列问题，对系统的性能分析和设计远比开环控制麻烦。

经过利弊的取舍，本次试验选择的是闭环控制，因为准备应用PID算法控制电机的转速，故而需要有实际转速进行反馈与给定的转速形成对比，进而通过算法输出PWM波形来控制直流电机。

2. 调速方式

本实验采用脉冲宽度（PWM）调速，PWM调速具有以下几种优点： （1） 系统的响应速度以及稳定精度好； （2） 电流的脉动量小，容易连续，运行平稳； （3） 调速范围宽，抗噪性好；

（4） 元件使用数少，线路简单。

PWM的实现方式：将电机电压的通断转换为周期控制，用两个定时器T0,T1分别控制周期的时间和电压通的时间，从而调节电机的平均电压，以达到对电机电压大小的控制。

PWM波的高电平，由T1确定占空比 PWM波的周

3．测速方式

期，由定时器T0定时确定 测速的传感器用的是光电编码器，它的原理是电动机的转动带动码盘的转动，码盘上有很多缝隙，缝隙每经过红外管一次就会产生一个脉冲，进而通过专门的芯片得到转动的频率。

4. PID控制方法

模拟PID控制算法表达式： u(t)=𝐾𝑃{𝑒(𝑡)+𝑇∫0𝑒(𝑡)𝑑𝑡+𝑇𝐷

𝐼

1𝑡𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡

}

数字PID控制算法表达式（位置式）：

u(k)=u(k−1)+𝐾𝑃(1+

𝑇𝑇𝐷2𝑇𝐷𝑇𝐷+)𝑒(𝑘)−𝐾𝑃(1+)𝑒(𝑘−1)+𝐾𝑃𝑒(𝑘−2) 𝑇𝐼𝑇𝑇𝑇 =u(k−1)+𝑎0𝑒(𝑘)−𝑎1𝑒(𝑘−1)+𝑎2𝑒(𝑘−2)

其中：u(t)，u(k)，u(k−1)为控制器的输出信号；𝑒(𝑘)，𝑒(𝑘−1)，e(𝑘−2) 为偏差信号；𝐾𝑃为比例系数；𝑇𝐼为积分时间常数；𝑇𝐷为微分时间常数。

三、实验内容

1.系统结构 （1）系统方框图

u(t) e(t) 测速装置 PID PWM输出 直流电机 —

（2）流程图

直流电机 传感器测速 F/V转换 A/D转换 PID运算 PWM输出

2.硬件部分及接线 （1）ADC0809接线

JD10H12345678874LS1474LS14569ENABLEEOCADD-AADD-BADD-CADC0809ref(-)GND171415818192021U10Hlsb2-82-72-62-52-42-32-2msb2-1VCCref(+)1112AIN-0+VrefVCCVCCWRD0-7CLOCKIN-0IN-1IN-2IN-3IN-4IN-5IN-6IN-7102627281234571613IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN73CLKJP12H123456784EOC4.7K46574LS329622STARTALECS_08091274LS323RDJD11H12345678A0-2ADD_AADD_BADD_CADD_A25ADD_B24ADD_C2374LS14

单片机最小应用系统的 P0口JD4F接A/D转换的D0～D7口JD10H，单片机最小应用系统的Q0～Q7口JD7F接0809的A0～A7口JD11H，单片机最小应用系统的WR、RD、P2.0、ALE、INT1分别接A/D转换的WR、RD、CS-0809、CLK、EOC。A/D转换的+Vref接+5V电源，AIN0接可调电源模块A2区的输出端（AIN0也可在程序运行之后接），单片机最小应用系统的RXD、TXD分别接串行静态显示的DIN、CLK。

（2）电机接线

单片机的P1.0接电机的control口。

3.软件部分

(1)A/D转换值显示部分

见后面附录程序中的A/D转换及显示子程序（XS）。

注意：该程序采用的是用RLC A等语句实现的串行通信，若使用MOV SBUF ,A等语句实现串行通信，则需要改动表格中数据。这是因为RLC A等语句实现的串行通信是数据的高位在前，低位在后；而MOV SBUF ,A等语句实现的串行通信正好与之相反，低位在前，高位在后。

AIN0-7（2）PID运算程序

见后面附录程序中的PID调节子程序（PID）。

注意：此处采用位置式方程，并且使用双字节浮点数计算，以提高精度。

（3）PWM输出程序

见后面附录程序中的PWM的参数求解子程序（PWM）以及主程序中T0，T1中断语句。

注意：此处采用双字节浮点数计算，以提高精度。

（4）加减乘除子程序

见后面附录程序中的浮点数运算子程序部分。 注意：此处都是有符号双字节浮点数。

四、实验结果及感想

经过两星期的编程和调试后，虽然中途出现了很多障碍，但是最终还是实现了直流电机的速度控制，使其可以调到速度范围内任意想要的速度，完成了实验任务。

这次试验，不仅加深了我对单片机的硬件结构和指令系统的认识，巩固了过去所学的《机械工程控制基础》方面的知识，更重要的是让我学到了从课本上学不到的东西。我大学里的知识大部分都来源于课堂和书本，基本上都是一知半解，根本没有学会灵活的应用知识。而通过这次试验，在将知识应用于实践的过程中，我发现问题并解决问题，不断的加深对知识的认识，从而真正的掌握了解决问题的能力。

附录：程序源代码 ;主程序

;单片机最小应用系统1的 P0口接0809的JD15口, ;单片机最小应用系统1的Q0口接0809的JD16,

;单片机最小应用系统1的ALE、P2.0、P3.3、P3.6、P3.7分别 ;接0809的clk0809、cs-0809、EOC、WR、RD,

;0809的模拟信号输入口AIN0接入0~5V可调电压,+VREF接+5V ;P3.0,P3.1连接到串行静态显示实验模块的DIN、CLK。

DBUF0 TEMP

EQU 30H ;显示第一位的缓冲地址 EQU 40H

MAX EQU 6CH ;电动机最大的工作频率 UA EQU 6DH ;给定的A/D转换值 UB EQU 6EH ;实际的A/D转换值 A0 EQU 60H ;比例系数A0 A1 EQU 63H ;积分系数A1 A2 EQU 66H ;微分系数A2

TH11 EQU 5EH ;TH1的值 TL11 EQU 5FH ;TL1的值

ORG 0000H LJMP START

ORG 000BH LJMP INT0_P ORG 001BH LJMP INT1_P

ORG 0100H

START: MOV A0, #22H ;给A0赋值 MOV 61H,#10H ;4 MOV 62H,#7FH

MOV A1,#00H ;给A1赋值 MOV H,#10H ;0 MOV 65H,#7FH

MOV A2, #00H ;给A2赋值 MOV 66H,#00H ;0 MOV 67H,#00H

MOV UA,#10H ;给定期望值` MOV 6FH,#20 ;扫描周期为20ms MOV 50H,#05H ;给U(K-1)赋值 MOV 51H,#00H ;5 MOV 52H,#00H

MOV R1,#6

MOV R0,#56H

LOOP1: MOV @R0,#01H INC R0

DJNZ R1,LOOP1 ;给e（k-1）和e(k-2）赋零 MOV UA,#022H ;给定电动机的频率

LOOP2: MOV A,6FH JNZ DSQ

MOV 35H,#11H ;灭不需要的显示位 MOV 36H,#11H MOV 37H,#11H MOV R0,#DBUF0

MOV @R0,#0AH INC R0 MOV @R0,#0DH MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0FCH MOV TL0,#18H MOV TH1,#0 MOV TL1,#0 MOV TL11,#29H SETB TR0 SETB TR1 SETB EA SETB ET0 SETB ET1

MOV TH11,#0FFH ;控制高电平时间ton，即占空比

INC R0 MOV @R0,#11H INC R0

MOV DPTR,#0FEF0H;A/D MOVX MOVX MOV

@DPTR,A

A,@DPTR ;读入结果 P1,A

MOV A,#0 WAIT: JB P3.3,WAIT

MOV B,A SWAP

A

MOV UB,A ;将实际频率存入UB中 ANL A,#0FH

XCH A,@R0 INC R0 MOV

A,B

ANL A,#0FH

XCH A,@R0 LCALL DISP1 ; ACALL DELAY

LCALL PID ;调用PID程序 LCALL PWM ;调用PWM程序 MOV 6FH,#20

DSQ: AJMP LOOP2 ;20ms进行一次调速 DISP1:

SEGTAB: DB

DELAY: MOV R4,#0FFH ;延时程序 AA1: AA:

MOV R5,#0FFH NOP NOP DJNZ R5,AA

3FH,6,5BH,4FH,66H,6DH ;0,1,2,3,4,5

DB 7DH,7,7FH,6FH,77H,7CH ;6,7,8,9,A,B DB 58H,5EH,79H,71H,0,00H ;C,D,E,F,-

MOV

R0,#DBUF0

MOV MOV MOV MOVC MOV INC R0 INC R1 DJNZ MOV MOV MOV MOV SETB DJNZ INC R0 DJNZ

R1,DP12 R2,DP10 R0,#TEMP R1,#8

R2,#8 A,@R0 0B0H,C 0B1H R2,DP13 R1,#TEMP R2,#8

DPTR,#SEGTAB A,@R0 A,@A+DPTR @R1,A

DP10: MOV

DP12: DP13:

MOV RLC A

CLR 0B1H

RET

DJNZ R4,AA1

RET

;PWM T0中断

INT0_P: MOV TH0,#0FCH MOV TL0,#18H MOV TH1,TH11 MOV TL1,TL11 SETB P1.0 SETB P1.2 SETB TR1 MOV A,6FH

JZ LOOP11

DEC 6FH LOOP11: NOP

RETI

;PWM T1中断 INT1_P: CLR P1.0

CLR P1.2 CLR TR1 NOP

RETI

;PID调节 PID:

MOV UA,#66H

MOV UB,#44H CLR C MOV A,UA

SUBB A,UB MOV R2,A MOV R3,#00H ACALL SFF2 MOV 53H,R2 MOV 54H,R3 MOV 55H,R6 MOV @R1,73H

MOV R4,63H MOV R5,H MOV R7,65H MOV R2,56H MOV R3,57H MOV R6,58H ACALL SFDUM

MOV R4,75H

;20ms计时 ;计算e（k）

;将e（k）转换成浮点数 ;求u（k）并覆盖u（k-1） MOV R5,76H

MOV 2DH,R4 MOV 2EH,R5 MOV 2FH,R7 MOV @R1,73H MOV R4,60H MOV R5,61H MOV R7,62H MOV R2,53H MOV R3,54H MOV R6,55H ACALL SFDUM MOV R4,75H MOV R5,76H

MOV R2,2DH

MOV R3,2EH MOV R6,2FH ACALL SFDUS MOV 2DH,R4 MOV 2EH,R5 MOV 2FH,R7 MOV @R1,73H MOV R4,66H MOV R5,67H MOV R7,68H MOV R2,59H MOV R3,5AH MOV R6,5BH ACALL SFDUM MOV R4,75H

MOV R5,76H MOV R2,2DH MOV R3,2EH MOV R6,2FH ACALL SFDUA MOV R2,50H MOV R3,51H MOV R6,52H ACALL SFDUA MOV 50H,R4 MOV 51H,R5 MOV 52H,R7

MOV 59H,56H MOV 5AH,57H

;用e（k-1）覆盖e(k-2) MOV 5BH,58H

MOV 56H,53H ;用e（k）覆盖e(k-1) MOV 57H,54H MOV 58H,55H RET

;PWM的参数求解

PWM: MOV A,51H ;判断U(K)的正负

JB ACC.7,LOOP9 MOV A,52H JB ACC.7,LOOP9 MOV A,#16 SUBB A,R7 MOV R7,A LOOP7: CLR C MOV A,R5 RRC A

MOV R5,A MOV A,R4 MOV R4,A

RRC A DJNZ R7,LOOP7 CLR C

MOV A,#0FFH ;计算T1初值

SUBB A,R5 MOV TH11,A

MOV A,#0FFH SUBB A,R4 MOV TL11,A

AJMP LOOP10 LOOP9: MOV TH11,#0FCH MOV TL11,#29H LOOP10: RET

;P14 1.9.2 双字节二进制定点数到浮点数的转换 ;入口R3R2

SFF2: MOV R6,#10H

MOV 20H,R3 JB 07H,SEG LCALL LST MOV 20H,R3 AJMP LP0 LCALL LST

LP0: JB 06H,LP1

SEG: JNB 06H,LP1;负

MOV 20H,R3 AJMP SEG

LP1: RET LST: CLR C

XCH A,R2 RLC A XCH A,R2 XCH A,R3 RLC A XCH A,R3 DEC R6 RET

;出口R6 R3R2

;P51 4.1.3 双字节二进制浮点数加法,R7R5R4+R6R3R2=R7R5R4 SFDUA: ACALL SJJ;参见2.6.3（对阶）

ACALL AD5432;参见程序一（尾数相加） JNB OV,SON

ACALL RST77;参见程序一（右规） RET RET

;P49 4.1.1 双字节无符号数加法-子程序

SON: ACALL SLST2;参见2.5.3

AD5432: MOV A,R4;尾数相加 ADD A,R2

;P55 4.2.3 双字节有符号数减法，R7R5R4-R6R3R2=R7R5R4 SFDUS: LCALL SJJ;参见2.6.3（对阶）

LCALL SU5432;参见程序一（尾数相减） JB OV,LPS

LCALL SLST2;参见2.5.3（左规） RET

MOV R4,A MOV A,R5 ADDC A,R3 MOV R5,A RET

LPS: MOV A,R5 JNB 0E7H,LEK

CLR C AJMP LPE

LEK: SETB C

LPE: LCALL RST77;参见4.1.1（右规）

RET

;P27 2.6.3 二进制浮点数对阶 XRL A,R7 JZ RET1 CLR C MOV A,R7 SUBB A,R6 JB 0E7H,SRSH7 LCALL SRST6 AJMP SJJ

SJJ: MOV A,R6

SRSH7: LCALL SRST7 AJMP SJJ RET1: RET SRST6: MOV A,R3

JB 0E7H,LPS0;右规 CLR C AJMP LPS1

LPS0: SETB C LPS1: RRC A

MOV R3,A MOV A,R2 RRC A MOV R2,A INC R6 RET

JB 0E7H,LPS00 CLR C AJMP LPS11

SRST7: MOV A,R5

LPS00: SETB C LPS11: RRC A

;P53 4.2.1 双字节无符号数减法-子程序 MOV A,R4 SUBB A,R2 MOV R4,A

SU5432: CLR C

MOV R5,A MOV A,R4 RRC A MOV R4,A INC R7 RET

MOV A,R5 SUBB A,R3 MOV R5,A RET

;P23 2.5.3双字节有符号数左规 JB 07H,SEGA LCALL LSTB MOV 20H,R5 AJMP LPSS0 LCALL LSTB MOV 20H,R5 AJMP SEGA

SLST2: MOV 20H,R5 LPSS0: JB 06H,LPSS1;正

SEGA: JNB 06H,LPSS1

LPSS1: RET LSTB: CLR C

;P49 4.1.1 二进制浮点数加法-子程序-右规 RRC A MOV R5,A MOV A,R4 RRC A MOV R4,A INC R7 RET

RST77: MOV A,R5

XCH A,R4 RLC A XCH A,R4 XCH A,R5 RLC A XCH A,R5 DEC R7 RET

;P59 4.3.3 双字节浮点数有符号数乘法,R7R5R4 X R6R3R2 =R7 @R1四位 SFDUM: ACALL SLST2;参见2.5.3（左规） ACALL SLST32;左规

MOV A,R7 ADD A,R6 MOV 21H,A

ACALL SDUMUL;参见3.3.4

MOV R7,21H MOV A,R1;积左规 ADD A,#04H MOV R0,A MOV 7AH,A MOV A,R7 MOV @R0,A POP 0E0H

ACALL SMLST;参见2.5.4（左规） PUSH 0E0H MOV A,@R0 MOV R7,A MOV A,7AH RET

MOV R2,#04H

SLST32: MOV 20H,R3;左规 JB 07H,SAEG LCP0: JB 06H,LCP1

ACALL LST MOV 20H,R3 SJMP LCP0 ACALL LAST MOV 20H,R3 SJMP SAEG

SAEG: JNB 06H,LCP1

LCP1: RET LAST: CLR C

MOV A,R2 RLC A MOV R2,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A DEC R6 RET

;P37 3.3.4 双字节有符号二进制定点数乘法 ANL A,#80H MOV R6,A JZ NEG32 CPL A ADD A,#01H

SDUMUL: MOV A,R5;求被乘数符号

NEG54: MOV A,R4

MOV R4,A MOV A,R5 CPL A ADDC A,#00H MOV R5,A ANL A,#80H MOV R7,A JZ DDUMUL MOV A,R2;乘数求补 CPL A ADD A,#01H MOV R2,A MOV A,R3 CPL A ADDC A,#00H MOV R3,A XRL A,R7 MOV 20H,A

ACALL DUMUL;参见程序一 JNB 07H,RETURN SETB C CPL A ADDC A,#00H MOV @R1,A INC R1 DJNZ R7,LDP MOV A,R6 MOV R1,A

NEG32: MOV A,R3;求乘数符号

DDUMUL: MOV A,R6;求积的符号

NEG4: MOV R7,#04H;积求补 LDP: MOV A,@R1

RETURN: RET

;P33 3.3.1 二进制定点数双字节无符号数乘法 MOV R6,A MOV R7,#04H INC R1 DJNZ R7,CLEAR MOV A,R6 MOV R1,A

DUMUL: MOV A,R1

CLEAR: MOV @R1,#00H

MM: MOV A,R2

MOV B,R4 MUL AB ACALL ADDM MOV A,R2 MOV B,R5 MUL AB ACALL ADDM MOV A,R3 MOV B,R4 MUL AB DEC R1 ACALL ADDM MOV A,R3 MOV B,R5 MUL AB ACALL ADDM MOV A,R6 MOV R1,A RET MOV @R1,A MOV A,B INC R1 ADDC A,@R1 MOV @R1,A INC R1 MOV A,@R1 ADDC A,#00H MOV @R1,A DEC R1 RET

;P24 2.5.4 多字节有符号浮点数左规 MOV R1,A

MOV A,R2;求尾数位数 MOV B,#08H MUL AB DEC A MOV R3,A DEC R1 MOV 20H,@R1 JB 07H,SEEG

ADDM: ADD A,@R1

SMLST: MOV A,R0

LEP0: JB 06H,LEP2;正

ACALL LAD ACALL LEST DJNZ R3,LEP0 AJMP LEP2 ACALL LAD ACALL LEST DJNZ R3,SEEG

SEEG: JNB 06H,LEP2;负

LEP2: RET

LAD: INC R1;求尾数低位字节地址指针

END

MOV A,R1 CLR C SUBB A,R2 MOV R1,A RET MOV R4,A CLR C RLC A MOV @R1,A INC R1 DJNZ R4,LEP1 DEC @R0 DEC R1 MOV 20H,@R1 RET

LEST: MOV A,R2;左规

LEP1: MOV A,@R1