基于PID的直流电机速度控制系统设计实验报告班级：姓名：学号：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： u (t )=K P {e (t )+1T I∫e(t)dt t 0+T Dde(t)dt}数字PID 控制算法表达式（位置式）：u(k)=u(k−1)+K P(1+TT I+T DT)e(k)−K P(1+2T DT)e(k−1)+K PT DTe(k−2)=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；K P为比例系数；T I为积分时间常数；T D为微分时间常数。
三、实验内容1.系统结构（1）系统方框图（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。
CS_0809RDA I N 0-7（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。
DBUF0EQU30H ;显示第一位的缓冲地址TEMP EQU40HMAX 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A0A1 EQU 63H ;积分系数A1A2 EQU 66H ;微分系数A2TH11 EQU 5EH ;TH1的值TL11 EQU 5FH ;TL1的值ORG 0000HLJMP STARTORG 000BHLJMP INT0_PORG001BHLJMP INT1_PORG 0100HSTART: MOV A0, #22H ;给A0赋值MOV 61H,#10H ;4MOV 62H,#7FHMOV A1,#00H ;给A1赋值MOV 64H,#10H ;0MOV 65H,#7FHMOV A2, #00H ;给A2赋值MOV 66H,#00H ;0MOV 67H,#00HMOV UA,#10H ;给定期望值`MOV 6FH,#20 ;扫描周期为20msMOV 50H,#05H ;给U(K-1)赋值MOV 51H,#00H ;5MOV 52H,#00HMOV R1,#6LOOP1: MOV @R0,#01HINC R0DJNZ 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,#11HMOV TH0,#0FCHMOV TL0,#18HMOV TH1,#0MOV TL1,#0MOV TH11,#0FFH ;控制高电平时间ton，即占空比MOV TL11,#29HSETB TR0SETB TR1SETB EASETB ET0SETB ET1LOOP2: MOV A,6FHJNZ DSQMOV 35H,#11H;灭不需要的显示位MOV 36H,#11HMOV 37H,#11HMOV R0,#DBUF0MOV@R0,#0AHINC R0MOV@R0,#0DHINC R0MOV @R0,#11HINC R0MOV DPTR,#0FEF0H;A/DMOV A,#0MOVX@DPTR,AWAIT: JB P3.3,WAITMOVX A,@DPTR ;读入结果MOV P1,AMOV B,AMOV UB,A ;将实际频率存入UB中SWAP AANL A,#0FHXCH A,@R0INC R0MOV A,BXCH A,@R0LCALL D ISP1; ACALL DELAYLCALL PID ;调用PID程序LCALL PWM ;调用PWM程序MOV 6FH,#20DSQ: AJMP L OOP2 ;20ms进行一次调速DISP1:MOV R0,#DBUF0MOV R1,#TEMPMOV R2,#8DP10:MOV DPTR,#SEGTABMOV A,@R0MOVC A,@A+DPTRMOV@R1,AINC R0INC R1DJNZ R2,DP10MOV R0,#TEMPMOV R1,#8DP12:MOV R2,#8MOV A,@R0DP13:RLC AMOV0B0H,CCLR0B1HSETB0B1HDJNZ R2,DP13INC R0DJNZ R1,DP12RETSEGTAB: DB3FH,6,5BH,4FH,66H,6DH ;0,1,2,3,4,5 DB7DH,7,7FH,6FH,77H,7CH ;6,7,8,9,A,BDB58H,5EH,79H,71H,0,00H ;C,D,E,F,-DELAY: MOV R4,#0FFH ;延时程序AA1: MOV R5,#0FFHAA: NOPNOPDJNZ R5,AADJNZ R4,AA1RET;PWM T0中断INT0_P: MOV TH0,#0FCHMOV TL0,#18HMOV TH1,TH11MOV TL1,TL11SETB P1.0SETB P1.2SETB TR1MOV A,6FHJZ LOOP11DEC 6FH ;20ms计时LOOP11:NOPRETI;PWM T1中断INT1_P: CLR P1.0CLR P1.2CLR TR1NOPRETI;PID调节PID:MOV UA,#66HMOV UB,#44HCLR CMOV A,UASUBB A,UB ;计算e（k）MOV R2,A ;将e（k）转换成浮点数MOV R3,#00HACALL SFF2MOV 53H,R2MOV 54H,R3MOV 55H,R6MOV @R1,73HMOV R4,63H ;求u（k）并覆盖u（k-1）MOV R5,64HMOV R7,65HMOV R2,56HMOV R3,57HMOV R6,58HACALL SFDUMMOV R4,75HMOV 2DH,R4MOV 2EH,R5MOV 2FH,R7MOV @R1,73HMOV R4,60HMOV R5,61HMOV R7,62HMOV R2,53HMOV R3,54HMOV R6,55HACALL SFDUMMOV R4,75HMOV R5,76HMOV R2,2DHMOV R3,2EHMOV R6,2FHACALL SFDUSMOV 2DH,R4MOV 2EH,R5MOV 2FH,R7MOV @R1,73HMOV R4,66HMOV R5,67HMOV R7,68HMOV R2,59HMOV R3,5AHMOV R6,5BHACALL SFDUMMOV R4,75HMOV R5,76HMOV R2,2DHMOV R3,2EHMOV R6,2FHACALL SFDUAMOV R2,50HMOV R3,51HMOV R6,52HACALL SFDUAMOV 50H,R4MOV 51H,R5MOV 52H,R7MOV 59H,56H ;用e（k-1）覆盖e(k-2) MOV 5AH,57HMOV 56H,53H ;用e（k）覆盖e(k-1)MOV 57H,54HMOV 58H,55HRET;PWM的参数求解PWM: MOV A,51H ;判断U(K)的正负JB ACC.7,LOOP9MOV A,52HJB ACC.7,LOOP9MOV A,#16SUBB A,R7MOV R7,ALOOP7: CLR CMOV A,R5RRC AMOV R5,AMOV A,R4RRC AMOV R4,ADJNZ R7,LOOP7CLR CMOV A,#0FFH ;计算T1初值SUBB A,R5MOV TH11,AMOV A,#0FFHSUBB A,R4MOV TL11,AAJMP LOOP10LOOP9: MOV TH11,#0FCHMOV TL11,#29HLOOP10: RET;P14 1.9.2 双字节二进制定点数到浮点数的转换;入口R3R2SFF2: MOV R6,#10HMOV 20H,R3JB 07H,SEGLP0: JB 06H,LP1LCALL LSTMOV 20H,R3AJMP LP0SEG: JNB 06H,LP1;负LCALL LSTAJMP SEGLP1: RETLST: CLR CXCH A,R2RLC AXCH A,R2XCH A,R3RLC AXCH A,R3DEC R6RET;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,SONACALL RST77;参见程序一（右规）RETSON: ACALL SLST2;参见2.5.3RET;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,R2MOV R4,AMOV A,R5ADDC A,R3MOV R5,ARET;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,LPSLCALL SLST2;参见2.5.3（左规）RETLPS: MOV A,R5JNB 0E7H,LEKCLR CAJMP LPELEK: SETB CLPE: 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,R6XRL A,R7JZ RET1CLR CMOV A,R7SUBB A,R6JB 0E7H,SRSH7LCALL SRST6AJMP SJJSRSH7: LCALL SRST7AJMP SJJRET1: RETSRST6: MOV A,R3JB 0E7H,LPS0;右规CLR CAJMP LPS1LPS0: SETB CLPS1: RRC AMOV R3,AMOV A,R2RRC AMOV R2,AINC R6RETSRST7: MOV A,R5JB 0E7H,LPS00CLR CAJMP LPS11LPS00: SETB CLPS11: RRC AMOV R5,AMOV A,R4RRC AMOV R4,AINC R7RET;P53 4.2.1 双字节无符号数减法-子程序SU5432: CLR CMOV A,R4SUBB A,R2MOV R4,ASUBB A,R3MOV R5,ARET;P23 2.5.3双字节有符号数左规SLST2: MOV 20H,R5JB 07H,SEGALPSS0: JB 06H,LPSS1;正LCALL LSTBMOV 20H,R5AJMP LPSS0SEGA: JNB 06H,LPSS1LCALL LSTBMOV 20H,R5AJMP SEGALPSS1: RETLSTB: CLR CXCH A,R4RLC AXCH A,R4XCH A,R5RLC AXCH A,R5DEC R7RET;P49 4.1.1 二进制浮点数加法-子程序-右规RST77: MOV A,R5RRC AMOV R5,AMOV A,R4RRC AMOV R4,AINC R7RET;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,R7ADD A,R6MOV 21H,AACALL SDUMUL;参见3.3.4MOV A,R1;积左规ADD A,#04HMOV R0,AMOV 7AH,AMOV A,R7MOV @R0,APOP 0E0HMOV R2,#04HACALL SMLST;参见2.5.4（左规）PUSH 0E0HMOV A,@R0MOV R7,AMOV A,7AHRETSLST32: MOV 20H,R3;左规JB 07H,SAEGLCP0: JB 06H,LCP1ACALL LSTMOV 20H,R3SJMP LCP0SAEG: JNB 06H,LCP1ACALL LASTMOV 20H,R3SJMP SAEGLCP1: RETLAST: CLR CMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R3RLC AMOV R3,ADEC R6RET;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,#80HMOV R6,AJZ NEG32NEG54: MOV A,R4CPL AADD A,#01HMOV A,R5CPL AADDC A,#00HMOV R5,ANEG32: MOV A,R3;求乘数符号ANL A,#80HMOV R7,AJZ DDUMULMOV A,R2;乘数求补CPL AADD A,#01HMOV R2,AMOV A,R3CPL AADDC A,#00HMOV R3,ADDUMUL: MOV A,R6;求积的符号XRL A,R7MOV 20H,AACALL DUMUL;参见程序一JNB 07H,RETURNNEG4: MOV R7,#04H;积求补SETB CLDP: MOV A,@R1CPL AADDC A,#00HMOV @R1,AINC R1DJNZ R7,LDPMOV A,R6MOV R1,ARETURN: RET;P33 3.3.1 二进制定点数双字节无符号数乘法DUMUL: MOV A,R1MOV R6,AMOV R7,#04HCLEAR: MOV @R1,#00HINC R1DJNZ R7,CLEARMOV A,R6MOV R1,AMM: MOV A,R2MUL ABACALL ADDMMOV A,R2MOV B,R5MUL ABACALL ADDMMOV A,R3MOV B,R4MUL ABDEC R1ACALL ADDMMOV A,R3MOV B,R5MUL ABACALL ADDMMOV A,R6MOV R1,ARETADDM: ADD A,@R1MOV @R1,AMOV A,BINC R1ADDC A,@R1MOV @R1,AINC R1MOV A,@R1ADDC A,#00HMOV @R1,ADEC R1RET;P24 2.5.4 多字节有符号浮点数左规SMLST: MOV A,R0MOV R1,AMOV A,R2;求尾数位数MOV B,#08HMUL ABDEC AMOV R3,ADEC R1MOV 20H,@R1JB 07H,SEEGLEP0: JB 06H,LEP2;正ACALL LADACALL LESTDJNZ R3,LEP0AJMP LEP2SEEG: JNB 06H,LEP2;负ACALL LADACALL LESTDJNZ R3,SEEGLEP2: RETLAD: INC R1;求尾数低位字节地址指针MOV A,R1CLR CSUBB A,R2MOV R1,ARETLEST: MOV A,R2;左规MOV R4,ACLR CLEP1: MOV A,@R1RLC AMOV @R1,AINC R1DJNZ R4,LEP1DEC @R0DEC R1MOV 20H,@R1RETEND。
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