基于PID的直流电机速度控制系统设计实验报告

基于PID的直流电机速度控制系统设计实验 班级：                姓名：                    学号：              指导老师：    张友旺        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89C51、ADC0809等芯片的原理、硬件以及接线； 2. 熟练89C51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。 3．测速方式 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： 数字PID控制算法表达式（位置式）： 其中：u(t)， ， 为控制器的输出信号； ， ， 为偏差信号； 为比例系数； 为积分时间常数； 为微分时间常数。 三、实验内容 1.系统结构 （1）系统方框图 e(t) u(t) — （2）流程图 2.硬件部分及接线 （1）ADC0809接线 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。 （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    EQU    30H ;显示第一位的缓冲地址 TEMP     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 64H,#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  MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0FCH MOV TL0,#18H MOV TH1,#0 MOV TL1,#0 MOV TH11,#0FFH        ;控制高电平时间ton，即占空比 MOV TL11,#29H SETB TR0 SETB TR1 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 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 INC    R0 MOV    @R0,#11H INC    R0 MOV    DPTR,#0FEF0H;A/D MOV    A,#0 MOVX    @DPTR,A WAIT:    JB    P3.3,WAIT MOVX    A,@DPTR      ;读入结果 MOV      P1,A MOV      B,A MOV    UB,A        ;将实际频率存入UB中 SWAP      A 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:    MOV    R0,#DBUF0 MOV    R1,#TEMP MOV    R2,#8 DP10:    MOV    DPTR,#SEGTAB MOV    A,@R0 MOVC    A,@A+DPTR MOV    @R1,A INC    R0 INC    R1 DJNZ    R2,DP10 MOV    R0,#TEMP MOV    R1,#8 DP12:    MOV    R2,#8 MOV    A,@R0 DP13:    RLC    A MOV    0B0H,C CLR    0B1H SETB    0B1H DJNZ    R2,DP13 INC    R0 DJNZ    R1,DP12 RET SEGTAB:  DB    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,- DELAY:  MOV  R4,#0FFH        ;延时程序 AA1:      MOV  R5,#0FFH AA:      NOP NOP DJNZ  R5,AA 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                ;20ms计时 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        ;计算e（k） MOV R2,A          ;将e（k）转换成浮点数 MOV R3,#00H ACALL SFF2 MOV 53H,R2 MOV 54H,R3 MOV 55H,R6 MOV @R1,73H MOV R4,63H        ;求u（k）并覆盖u（k-1） MOV R5,64H    MOV R7,65H  MOV R2,56H MOV R3,57H MOV R6,58H ACALL SFDUM MOV R4,75H 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      ;用e（k-1）覆盖e(k-2) MOV 5AH,57H 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 RRC A MOV R4,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 LP0:    JB 06H,LP1 LCALL LST MOV 20H,R3 AJMP LP0 SEG:    JNB 06H,LP1;负 LCALL LST 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 SON:    ACALL SLST2;参见2.5.3 RET ;P49 4.1.1 双字节无符号数加法-子程序 AD5432: MOV A,R4;尾数相加 ADD A,R2 MOV R4,A MOV A,R5 ADDC A,R3 MOV R5,A RET ;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 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 SJJ:    MOV A,R6 XRL A,R7 JZ RET1 CLR C MOV A,R7 SUBB A,R6 JB 0E7H,SRSH7 LCALL SRST6 AJMP SJJ 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 SRST7:  MOV A,R5 JB 0E7H,LPS00 CLR C AJMP LPS11 LPS00:  SETB C LPS11:  RRC A MOV R5,A MOV A,R4 RRC A MOV R4,A INC R7 RET ;P53 4.2.1 双字节无符号数减法-子程序 SU5432: CLR C MOV A,R4 SUBB A,R2 MOV R4,A MOV A,R5 SUBB A,R3 MOV R5,A RET ;P23 2.5.3双字节有符号数左规 SLST2:  MOV 20H,R5 JB 07H,SEGA LPSS0:  JB 06H,LPSS1;正 LCALL LSTB MOV 20H,R5 AJMP LPSS0 SEGA:  JNB 06H,LPSS1 LCALL LSTB MOV 20H,R5 AJMP SEGA LPSS1:  RET LSTB:  CLR C XCH A,R4 RLC A XCH A,R4 XCH A,R5 RLC A XCH A,R5 DEC R7 RET ;P49 4.1.1 二进制浮点数加法-子程序-右规 RST77:  MOV A,R5 RRC A MOV R5,A MOV A,R4 RRC A MOV R4,A INC 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 MOV R2,#04H ACALL SMLST;参见2.5.4（左规） PUSH 0E0H MOV A,@R0 MOV R7,A MOV A,7AH RET SLST32:        MOV 20H,R3;左规 JB 07H,SAEG LCP0:          JB 06H,LCP1 ACALL LST MOV 20H,R3 SJMP LCP0 SAEG:  JNB 06H,LCP1 ACALL LAST MOV 20H,R3 SJMP SAEG 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 SDUMUL: MOV A,R5;求被乘数符号 ANL A,#80H MOV R6,A JZ NEG32 NEG54:  MOV A,R4 CPL A ADD A,#01H MOV R4,A MOV A,R5 CPL A ADDC A,#00H MOV R5,A NEG32:  MOV A,R3;求乘数符号 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 DDUMUL: MOV A,R6;求积的符号 XRL A,R7 MOV 20H,A ACALL DUMUL;参见程序一 JNB 07H,RETURN NEG4:  MOV R7,#04H;积求补 SETB C LDP:    MOV A,@R1 CPL A ADDC A,#00H MOV @R1,A INC R1 DJNZ R7,LDP MOV A,R6 MOV R1,A RETURN: RET ;P33 3.3.1 二进制定点数双字节无符号数乘法 DUMUL:  MOV A,R1 MOV R6,A MOV R7,#04H CLEAR:  MOV @R1,#00H INC R1 DJNZ R7,CLEAR MOV A,R6 MOV R1,A 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 ADDM:  ADD A,@R1 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 SMLST:  MOV A,R0 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 LEP0:  JB 06H,LEP2;正 ACALL LAD ACALL LEST DJNZ R3,LEP0 AJMP LEP2 SEEG:  JNB 06H,LEP2;负 ACALL LAD ACALL LEST DJNZ R3,SEEG LEP2:  RET LAD:    INC R1;求尾数低位字节地址指针 MOV A,R1 CLR C SUBB A,R2 MOV R1,A RET LEST:  MOV A,R2;左规 MOV R4,A CLR C LEP1:  MOV A,@R1 RLC A MOV @R1,A INC R1 DJNZ R4,LEP1 DEC @R0 DEC R1 MOV 20H,@R1 RET END