采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制
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（1.14）
式中： 称为比例增益；
称为积分系数；
称为微分系数[1]。
数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图1和2所示：
图1数字PID位置型控制示意图
图2数字PID增量型控制示意图
1.3数字PID参数整定方法
如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。
（1.6）
第三项起微分控制作用,称为微分（D）项 即
（1.7）
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:
P控制:（1.8）
PI控制:（1.9） PD控制: （1.10）
PID控制: （1.11）
式（1.7）的输出量 为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（1.7）又称为位置型PID算式。
= － （1.1）
当采样周期T很小时 可以用T近似代替， 可用 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似
（1.2）
（1.3）
这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程
（1.4）
上式中 是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项 ,即
(1.5）
第二项起积分控制作用,称为积分（I）项 即
PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。
Abstract:In the motion control system,the control of electromotor's rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetics and methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and it's easy to meet normal control's demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller barely has satisfied effect.With the development of computer technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID's control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability,it is widely used now.
3.2
在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行PID运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽如图7（a）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图7（b）所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。例如当电机以一定的转速运行时，P3.3将输出如图8所示的脉冲，若知道一段时间t内传感器输出的低脉冲数为n，则电机转速v=r/s。
1.2数字PID
在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。
由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。
为将模拟PID控制规律按式（1.2）离散化，我们把图1.1中 、 、 n次采样的数据分别用 表示，于是式（1.1）变为：
④引入适当的实际微分系数 和实际微分时间 ，此时可适当增大比例系数 和积分系数 。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。
图5系统方案框图
3
3.1硬件资源分配
本系统电路连接及硬件资源分配见图6所示。采用AT89S51单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过AT89S51的P3.3口将电脉冲信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块，利用128×64LCD显示器和4×4键盘作为人机接口。
图6系统电路连接及硬件资源分配图
关键词：数字PID；PWM脉冲；占空比；无静差调节
The PWM modulation technique to achieve the control of the DC motor speed
CHEN ningpo
（College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology）
其程序流程如图9所示。
4.2
在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图10所示
图10主程序流程
为了确定系统与设计要求的符合程度，需要进行系统测试与分析，但是由于试验调节的制约和时间的限制，不能完成此次制作，只能通过软件仿真进行验证，在这里使用的是英国的Proteus软件进行测试，对于电机速度采集可根据设定的电机速度计算出P3.3口输入的方波脉冲的频率和占空比，来改变等效直流电压的大小，给P3.3输入此脉冲来实现电机速度采集。并允许误差存在。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：
1
1.1 PID算法
控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。
①让调节器参数积分系数 =0，实际微分系数 =0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数 ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。
②取比例系数 为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数 ，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。
③积分系数 保持不变，改变比例系数 ，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 增大一些，再调整积分系数 ，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 和积分系数 为止。
(a) (b)
图7电机速度采集方案
图8传感器输出脉冲波形
4软件设计
4.1PID算法
本系统设计的核心算法为PID算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差 ，对偏差进行P、I、D运算最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节[10]，进而控片机就必须存在上述算法，
2
2.1系统设计方案
根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图5所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。
采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制
陈宁坡
(河北科技大学信息科学与工程学院)
摘要：在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。
式中： 称为比例增益；
称为积分系数；
称为微分系数[1]。
数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图1和2所示：
图1数字PID位置型控制示意图
图2数字PID增量型控制示意图
1.3数字PID参数整定方法
如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。
（1.6）
第三项起微分控制作用,称为微分（D）项 即
（1.7）
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:
P控制:（1.8）
PI控制:（1.9） PD控制: （1.10）
PID控制: （1.11）
式（1.7）的输出量 为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（1.7）又称为位置型PID算式。
= － （1.1）
当采样周期T很小时 可以用T近似代替， 可用 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似
（1.2）
（1.3）
这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程
（1.4）
上式中 是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项 ,即
(1.5）
第二项起积分控制作用,称为积分（I）项 即
PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。
Abstract:In the motion control system,the control of electromotor's rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetics and methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and it's easy to meet normal control's demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller barely has satisfied effect.With the development of computer technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID's control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability,it is widely used now.
3.2
在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行PID运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽如图7（a）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图7（b）所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。例如当电机以一定的转速运行时，P3.3将输出如图8所示的脉冲，若知道一段时间t内传感器输出的低脉冲数为n，则电机转速v=r/s。
1.2数字PID
在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。
由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。
为将模拟PID控制规律按式（1.2）离散化，我们把图1.1中 、 、 n次采样的数据分别用 表示，于是式（1.1）变为：
④引入适当的实际微分系数 和实际微分时间 ，此时可适当增大比例系数 和积分系数 。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。
图5系统方案框图
3
3.1硬件资源分配
本系统电路连接及硬件资源分配见图6所示。采用AT89S51单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过AT89S51的P3.3口将电脉冲信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块，利用128×64LCD显示器和4×4键盘作为人机接口。
图6系统电路连接及硬件资源分配图
关键词：数字PID；PWM脉冲；占空比；无静差调节
The PWM modulation technique to achieve the control of the DC motor speed
CHEN ningpo
（College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology）
其程序流程如图9所示。
4.2
在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图10所示
图10主程序流程
为了确定系统与设计要求的符合程度，需要进行系统测试与分析，但是由于试验调节的制约和时间的限制，不能完成此次制作，只能通过软件仿真进行验证，在这里使用的是英国的Proteus软件进行测试，对于电机速度采集可根据设定的电机速度计算出P3.3口输入的方波脉冲的频率和占空比，来改变等效直流电压的大小，给P3.3输入此脉冲来实现电机速度采集。并允许误差存在。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：
1
1.1 PID算法
控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。
①让调节器参数积分系数 =0，实际微分系数 =0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数 ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。
②取比例系数 为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数 ，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。
③积分系数 保持不变，改变比例系数 ，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 增大一些，再调整积分系数 ，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 和积分系数 为止。
(a) (b)
图7电机速度采集方案
图8传感器输出脉冲波形
4软件设计
4.1PID算法
本系统设计的核心算法为PID算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差 ，对偏差进行P、I、D运算最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节[10]，进而控片机就必须存在上述算法，
2
2.1系统设计方案
根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图5所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。
采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制
陈宁坡
(河北科技大学信息科学与工程学院)
摘要：在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。
