PID调节控制做电机速度控制

电机控制系统中的电机速度PID控制电机控制系统中的电机速度PID控制在工业自动化领域中扮演着重要的角色。

PID控制器是指比例积分微分控制器，通过调整这三个参数来实现对电机速度的精准控制。

本文将分析电机控制系统中电机速度PID控制的原理、优势以及应用。

1. 原理PID控制器是通过测量电机转速与期望转速之间的误差，根据比例、积分、微分这三个参数计算出控制电机所需的输出信号。

比例项（P）是误差的比例增益，积分项（I）是误差的积分增益，而微分项（D）是误差的微分增益。

通过这三个参数的调节，电机的运行速度可以得到准确控制，实现闭环反馈。

2. 优势使用PID控制器进行电机速度控制具有以下优势：- 精准度高：PID控制系统具有快速响应速度和稳定性，能够精确控制电机速度。

- 调节方便：PID控制器的三个参数可以根据实际情况进行调节，适用于不同的电机控制需求。

- 适用性广：PID控制器在工业自动化控制中广泛应用，适用于各种类型的电机控制系统。

3. 应用电机控制系统中的电机速度PID控制被广泛应用于各种场景，包括但不限于以下几个方面：- 电动汽车：在电动汽车中，PID控制器可以用于控制电动机的转速，提高电动汽车的驾驶性能和节能性。

- 工业机械：在工业机械中，PID控制器可以用于控制各种类型的电机，实现生产线自动化运行。

- 机器人：在机器人领域，PID控制器可以用于控制机器人臂的运动速度，实现精准操作和抓取。

综上所述，电机控制系统中的电机速度PID控制是一种高效、精准的控制方法，具有广泛的应用前景。

随着工业自动化技术的不断发展，PID控制器将继续发挥重要作用，推动工业生产的进步与优化。

用PID调节优化电机驱动系统的效率和精度PID调节是一种常用的控制策略，可用于优化电机驱动系统的效率和精度。

本文将介绍PID调节的原理和应用，并探讨其在电机驱动系统中的具体应用案例。

一、PID调节的原理PID调节是一种基于反馈控制的方法，通过不断调整输出信号，使系统的实际输出与期望输出之间达到最优的差距。

PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。

1. 比例（Proportional）部分：根据误差的大小决定输出信号的变化幅度。

比例控制主要用于快速响应系统变化，并减小稳态误差。

2. 积分（Integral）部分：根据误差的累积值决定输出信号的变化幅度。

积分控制主要用于消除系统的静态误差。

3. 微分（Derivative）部分：通过计算误差变化率来调整输出信号的变化速度。

微分控制主要用于抑制系统的震荡和提高系统的稳定性。

通过合理地调节PID控制器的参数，可以使系统达到期望的效果，并提高系统的响应速度、稳定性和精度。

二、PID调节在电机驱动系统中的应用电机驱动系统是一种常见的控制系统，PID调节在其中被广泛应用。

下面将以直流电机驱动系统为例，介绍PID调节在电机驱动中的应用。

1. 速度控制直流电机的转速控制是电机驱动系统的重要任务之一。

PID调节可用于实时调整电机的驱动信号，使电机达到期望的转速。

控制器根据电机实际转速与期望转速之间的差异，不断调整输出信号，实现电机转速的精确控制。

2. 位置控制除了速度控制，PID调节还可用于电机的位置控制。

通过控制电机的驱动信号，使电机在给定的位置上停止或定位到指定位置。

控制器根据电机实际位置与期望位置之间的差异，调整输出信号，实现电机位置的精确控制。

3. 力矩控制在某些应用中，需要通过控制电机的力矩来实现特定的任务。

PID 调节可用于调整电机的驱动信号，使电机输出期望的力矩。

控制器根据电机实际输出力矩与期望输出力矩之间的差异，调整输出信号，实现电机力矩的精确控制。

本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的使用，纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID 控制技术对直流电机转速的控制。

其设计思路为：以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。

同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。

在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。

因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。

软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。

本次设计系统的主要特点：（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，从而和设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；（4）128×64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；（5）利用Proteus软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，避免不必要的损失；（6）采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；（7）系统性能指标：超调量≤8％；调节时间≤4s；转速误差≤±1r/min。

1PID算法及PWM控制技术简介1.1PID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。

序号（学号〉： 161240303长春大学 毕业设计（论文）直流电机速度PID 控制系统设计李一丹国际教育学院自动化1612403曹福成2016 年 5 月 30 0姓 名 学 院 专 业 班 级 指导教师直流电机速度PID控制系统设计摘要：针对现有的直流电机控速难的问题，本文设计了一种基于ATmegal6L单片机的直流电机速度控制系统。

本系统以ATinegal6L单片机为主控制器，搭载了L298n为电机驱动，通过霍尔元件进行测速，通过按键控制电机的转动方向和转动速度，并配以温度传感器DS18B20对温度进行监测，通过PID算法调节PW\1 进行对速度控制。

该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块、电机的驱动模块、对电机速度进行监测的模块、由LCD1602构成的显示ky r模块、电源模块和按键控制模块等。

本系统可以通过PID算法实现可编程脉宽波形对直流电机的速度进行控制，并且可以显示出当前电机的转速。

关键词：单片机；PID算法；直流电机The design of DC motor speed control system with PID Abstract: According to the existing DC motor speed control problem, this paper describes the design of a DC motor speed control system based on ATmegal6L MCU. To ATMEGA16L microcontroller as the main controller for the system, equipped with a L298n for motor drive, through the hall element of speed, through the buttons to control the motor rotation direction and the rotation speed, and the temperature sensor DS18B20 the temperature monitoring, PID algorithm is used to adjust the PWM control of the speed. The system includes the following modules display microprocessor control module, as the main body of the motor drive module, monitoring module, the speed of motor is composed of LCD1602 module, power supply module and key control module.This system can realize through PID algorithm to control the speed of the programming pulse waveforms of DC motor, and can display the current motor speed.Keywords: single chip microcomputer, PID algorithm, DC motor ky r戈ml ml ——II —In —In | * 11—I 1111 ml 1111目录Bit (1)l.i选题背景及意义 (1)1.2国内外研宄现状 (2)1.3木文主要研究的内容 (3)第2章总体方案论述 (4)ky r2.1系统主要传感器介绍 (4)2.1.1温度传感器 (4)2.1.2转速检测模块 (5)2.2系统总体功能及方案选择 (6)2.2.1系统所需模块及功能 (6)2.2.2主控制器选择 (8)第3章系统总体硬件设计 (10)3.1单片机最小系统 (10)3.1.1ATmegal6L单片机的引脚分布 (10)3.1.2最小系统的硬件电路 (13)3.2电机驱动电路 (14)3.3温度检测电路 (15)3.4光电管提示电路和按键控制电路 (15)3.5LCD1602 显示电路 (16)3.6电源电路 (17)3.7本章小节 (18)第4章系统软件设计 (19)4.1系统总体流程图 (19)4.2 PID算法简介 (19)4.2.1PID算法介绍 (20)4.2.2HD算法结果 (21)4.3系统调试步骤 (21)4.4误差分析即改进方法 (22)给论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)隱 (26)附录I系统总体硬件电路图 (26)附录II系统中部分程序 (27)ky r In—ml ml ml ml | , I af—.第1章绪论1.1选题背景及意义电动机简称电机，俗称马达，在现实生活中，我们处处都可以见到电机的身影，小到小学生玩的电动四驱车，大到炼钢厂用的滚动罐，这些都是电机家族的成员。

智能车速度控制pid（电机闭环控制算法）对于智能车的电机闭环控制算法，我之所以标题没有写上智能车电机PID闭环控制算法是因为PID 算法根本就不是特别好的适用于智能车这种变化很快的系统，对于智能车，电机的调速可以说是时时刻刻再进行调速控制的，我上面说描述的经典PID 算法，都是针对一些惰性系统，也就是说是变化比较慢的系统的，所以对于智能车的电机调速采用完完整整的PID 算法，是根本不可取的，及时采用了，你必须要经过一些变换和改进才能使用。

以上的简述只是鄙人自己的看法，如有错误，请各位高手指正。

现在估计您会疑问，PID 不适用于智能车的电机控制，那什么才适用呢？鄙人原来做过智能车，从鄙人本身的理解，P 算法控制电机，也就是比例控制是最好的，反应速度快，控制精度高，不存在积分和微分效应，非常适用于适用于控制周期短的系统，当然，对于一些特殊的逻辑控制算法，可能要采用PD算法，用微分来做补偿，防止震荡和超调。

下面来说下电机控制算法从开始的加入到最终的确定的方法：当然这一切的前提就是安装了编码器，车速有反馈，只有加上编码器，有了反馈，才能组成一个闭环系统。

当然您也可以加上码盘，或者霍尔开关等一切可以返回车速的东西都可以。

（1）首先建议在车速比较慢的时候，采用PID 算法来控制电机，为什么开始要建议您采用PID 呢？主要是为了让您更加深刻理解PID 算法的精髓和调试步骤方法等，有助于以后对控制算法更加深入的研究和书写。

调试PID 三个参数的方法，很多地方都提供了，我在这里简单的说下：首先将ID 参数都变为0，先调整P 比例参数，调整到速度基本上跟您给定的速度差不多，也就是说基本稳定在您给定的脉冲数，当然这个时候会非常的震荡，不要担心，接下来调整I，调整I 的结果就是震荡会消除很多，但是车速会变化缓慢，也就是说会有一些延迟，然后再调整D，调整D 的结果就是增强调节的灵活性和预见性，在给定速度变化的过程中，能够以一个平稳过渡来变换，而且速度可以长时间稳定在给定速度附近，然后PID 三个参数的基本范围就确定了，然后再根据实际的跑车来微调这些参数，当然在您调试PID之前，请仔细阅读PID 理论知识，这样有助于您的调试和理解，。

电机控制进阶2——PID位置控制描述上篇文章讲解了电机的速度环控制，可以控制电机快速准确地到达指定速度。

本篇来介绍电机的位置环控制，实现电机快速准确地转动到指定位置。

1 位置控制与速度控制的区别回顾上篇，电机速度PID控制的结构图如下，目标值是设定的速度，通过编码器获取电机的转速作为反馈，实现电机转速的控制。

再来看电机位置PID控制，其结构图如下，目标值是设定的位置，通过编码器获取电机累计转动的脉冲数作为反馈，实现电机位置的控制。

所以：对比两张图，速度控制与位置控制的主要区别，就是控制量的不同。

2 核心程序了解了速度控制与位置控制的区别后，下面就可以修改程序。

2.1 编码器相关2.1.1 电机与编码器参数编码器部分，需要根据自己电机的实际参数进行设定，比如我用到的电机：编码器一圈的物理脉冲数为11定时器编码器模式通过设置倍频来实现4倍频电机的减速齿轮的减速比为1：34所以，电机转一圈总的脉冲数，即定时器能读到的脉冲数为11*4*34= 1496。

#define ENCODER_RESOLUTION 11 /*编码器一圈的物理脉冲数*/ #define ENCODER_MULTIPLE 4 /*编码器倍频，通过定时器的编码器模式设置*/ #define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 /*电机的减速比*/ /*电机转一圈总的脉冲数(定时器能读到的脉冲数) = 编码器物理脉冲数*编码器倍频*电机减速比*/ /* 11*4*34= 1496*/ #define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUC TION_RATIO )想要了解更多关于编码器的使用，可参照之前的文章: ( /d/1639052.html )2.1.2 定时器编码器模式配置用于编码器捕获的定时器的一些宏定义。

#define ENCODER_TIM_PSC 0/*计数器分频*/#define ENCODER_TIM_PERIOD 65535/*计数器最大值*/#define CNT_INIT 0/*计数器初值*/配置主要关注重装载值，倍频，溢出中断设置。

基于单片机pid算法的直流电机速度控制方法基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法是一种常用的技术，其基本原理是通过调节PWM（脉宽调制）信号的占空比来控制电机的输入电压，从而实现电机的速度控制。

以下是基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法的基本步骤：1.设定目标速度：首先，需要设定电机的目标速度。

这可以通过按键或其他输入设备来实现。

2.采集实际速度：为了实现精确的控制，需要实时获取电机的实际速度。

这可以通过在电机转轴上安装光电编码器或霍尔传感器来实现，这些传感器可以实时检测电机的转速并将其转换为电信号。

3.计算偏差：单片机通过比较目标速度和实际速度，计算出速度偏差。

如果实际速度小于目标速度，偏差为负；反之，偏差为正。

4.应用PID算法：单片机使用PID算法来处理速度偏差。

PID控制器通过比例、积分和微分三个环节来计算控制量，以尽可能消除偏差。

具体的PID参数（如Kp、Ki、Kd）可以根据实际情况进行调整，以获得最佳的控制效果。

5.生成PWM信号：基于PID控制器的输出，单片机生成PWM信号来调节电机的输入电压。

占空比决定了电机输入电压的大小，进而影响电机的转速。

6.实时调整：在整个控制过程中，单片机不断采集电机的实际速度，计算偏差，并调整PWM信号的占空比，以使电机尽可能接近目标速度。

7.显示和保存数据：为了方便调试和观察，可以通过单片机的显示屏实时显示电机的实际速度和偏差。

此外，也可以将重要的数据保存在单片机的内部或外部存储器中。

8.安全保护：为了防止电机过载或意外事故，单片机应具备安全保护功能。

例如，当电机实际速度超过设定速度一定时间时，单片机应自动切断电源或发出报警信号。

基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法具有精度高、稳定性好、适应性强等优点，广泛应用于各种需要精确控制电机速度的场合。

·172·文章编号：2095－6835（2022）01－0172－04基于增量式PID 的步进电机速度控制系统设计＊许洋，周奎，杨亚会，杨倩，向婧燕（湖北汽车工业学院，湖北十堰442002）摘要：步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的机电执行机构，其输入为脉冲序列，输出为相应的转角或直线增量。

针对步进电机的速度控制，推导了步进电机转速传递函数公式，提出了基于MCS51和增量式PID 算法的步进电机闭环控制系统。

通过MATLAB 仿真和相关实验对控制系统可行性和精度进行了测试验证。

实验结果表明设计的控制系统具有无极调速的特点以及响应速度快和平滑性好等优点。

关键词：步进电机；闭环控制系统；MCS51；增量式PID 中图分类号：TM383文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2022.01.053闭环控制系统设计是研究步进电机的关键技术之一，控制算法更是控制系统的重要组成部分。

基于步进电机的控制系统设计，邱靖超等[1]提出了基于FPGA 技术通过梯形加、减速算法实现了对步进电机的闭环控制；李娟等[2]使用单片机最小系统和驱动芯片实现了步进电机角度与转动方向的设计；谢海明[3]利用电脉冲信号控制相绕组电流，实现了步进电机的开环控制；王鹏宇等[4]提出了基于单片机和霍尔传感器来测量步进电机转速；朱嵘涛等[5]基于增量式PID 算法实现了对直流电机的调速控制；控制系统设计中，一般会增设相关测速传感器来捕捉步进电机实时运动状态，但额外成本将随之增加，同时可能引入影响精度的其他不确定因素；考虑到设计的难易程度，相关学者通常采用开环或者应用常规PID 算法，但电机运转精度将会受限；若应用模糊PID 等算法，则需要实时权值优化，会加大核心硬件设备的运算负荷。

李亚文等[6]设计了一种位置式PID 算法来控制四旋翼飞行器的飞行姿态，但此算法可能存在积分饱和现象，且运算量大及占用存储单元多，会影响采样精度，造成采样信号失损；同时大幅升速或突加负载也会造成电机丢步甚至堵转。

电机速度控制PID算法简介电机速度控制是自动化领域中的一项重要技术，广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天等领域。

PID（Proportional-Integral-Derivative）算法是一种常见的控制算法，可以实现对电机速度的精确控制。

本文将详细介绍电机速度控制PID算法的原理、实现方法和优化技巧。

原理PID算法基于对系统误差进行反馈调整，通过不断调节输出信号来使得系统达到期望状态。

其中，Proportional（比例）部分根据误差大小进行比例放大；Integral （积分）部分根据误差累积值进行积分调整；Derivative（微分）部分根据误差变化率进行微分调整。

三个部分的输出信号相加后作为最终的控制量。

具体地，假设电机当前转速为?，期望转速为，并定义误差为? = - ?，则PID输出信号为：u = Kp * e + Ki * ∫e dt + Kd * de/dt其中，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分参数。

通过调节这三个参数的大小，可以实现对电机速度的精确控制。

实现方法电机速度控制PID算法的实现一般分为离散和连续两种方法。

离散PID算法离散PID算法是指将连续时间下的PID算法转化为离散时间下的计算方法。

常用的离散化方法有采样周期T、增量式和位置式三种。

•采样周期T：将连续时间下的微分项转化为差分项，使用近似微分公式计算微分部分。

•增量式：将比例、积分和微分部分都看作增量，通过差值计算得到输出信号。

•位置式：将比例、积分和微分部分都看作位置，通过累加计算得到输出信号。

在具体实现时，需要注意选择合适的采样周期、调节比例、积分和微分参数，并进行输出限幅处理，以避免过大或过小的输出信号。

连续PID算法连续PID算法是指直接在连续时间下计算PID输出信号。

一般使用数学模型进行求解，可以通过微积分公式得到精确解析解。

具体实现时，需要根据电机系统的特性建立数学模型，确定比例、积分和微分参数，并进行输出限幅处理。

摘要由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。

对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。

稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化自适应能力差。

模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直流调速装置的缺点，本文将模糊控制与PID调节器结合，着手fuzzy-PID复合控制方案理论研究和硬件的实现，设计出相关控制方案的直流调速系统，该方案以AT89C51单片机为主控单元，合适的驱动电路和一些外围电路构成硬件系统；以参数模糊自整定PID为控制策略。

本文对于系统的硬件及软件设计进行了详细的设计，包括电机控制模块、检测模块、电机驱动模块的设计等，以及软件的控制思想和编程方法。

本系统的设计顺应了目前国外直流调速朝着数字化，发展的趋势，充分利用了单片机的优点，使得通用性得到了提高。

经过理论分析和设计此控制器的各项性能指标优于模糊控制器和常规PID 控制器，具有很强的鲁棒性。

关键词：模糊控制；直流调速；稳态性能；单片机AbstractAfter Frequency Conversion Technology appeared，AC speed regulation method had always impacted DC Speed Regulation，but Generally speaking，especially the status in our country，in addition to digital DC Speed Regulation emerged，it improving the precision and the reliability in DC Speed Regulation System．DC Speed Regulation was also in the important status．Speed stability、speed ratio、acceleration、deceleration are the four factors in DC Speed Regulation System，the last two factors already reached well in industry application．But the Stability index does not match the desired purpose．Stability index is that the DC motor running in the precision range on desired speed，even if the system has uncertain disturbance．It is hard to realize because of adaptiveability digital DC Speed Regulation device is not enough when in the condition of the load parameters change unpredictably．Fuzzy control does not need precision mathematic model to conquer the shortcoming in routine digital DC Speed Regulation．We can combine with the PID adjuster and fuzzy control，focusing on theory research and realization of fuzzy-PID compound control scheme，design relevant DC Speed Regulation System was designed in the dissertation．This scheme is based on the core of AT89C51 single chip，appropriate driver circuit and some peripheral circuits，Fuzzy Self-tuning PID is the control strategy,This dissertation also introduce the plan of hardware and software，including DC motor control module、driver module、examine circuit and so on in detail，if explained the method of control and the thought of software，this system got used to the trend of digital power in the international，used the single micro—computer fully，and improveed the general use of the power．Theoretical analysis and design showed that all performance indexes of Parameter Self-Adjusting Fuzzy Logic PID Controller was in advance of those of the simple fuzzy controller and the conventional PID controller．Especially，the adaptive fuzzy controller is robust．Keywords：fuzzy logic control(FLC)；DC Speed Regulation；stability performance；Single micro-computer目 录摘 要 .................................................................................................................................................I Abstract ......................................................................................................................................... II 目 录 ............................................................................................................................................ I II第一章 绪论 (1)1.1 序言 (1)1.2 PID 控制中存在的问题 (1)1.3 模糊控制的发展状况 (2)模糊控制的发展过程 (2)模糊控制技术要解决的问题 (3)1.4 直流调速系统的发展概况 (4)1.5 本课题的研究内容及目的 (5)第二章 直流调速系统的理论分析 (6)2.1 控制理论在调速系统中的应用分析 (6)调速系统性能指标 (6)直流调速常用的方法 (7)2.2 传统直流调速系统中调节器参数的计算 (9)设计指标及要求 (9)固有、预置参数计算 (9)电流调节器参数计算 (10)转速调节器参数 (10)2.3 数字PID 调节器的原理及应用 (12)2.4 数字PID 控制器的算法实现 (14)第三章 模糊PID 控制算法设计 (16)3.1 模糊控制的原理 (16)模糊控制的理论基础 (16)模糊控制系统的组成 (16)模糊控制在实际中的适用性 (17)3.1.4 模糊控制器的设计方法 (17)3.2直流调速系统模糊PID 控制结构设计 .......................................................................... 18 被控过程对参数P K 、I K 、D K 的自整定要求 (19)3.3模糊自整定PID 参数控器设计 (20)确定控制器的输入、输出语言变量 (20)3.3.2确定各语言变量论域，在其论域上定义模糊量 .............................................. 21 确定P K 、I K 、D K 的调节规则 .. (21)模糊推理和模糊运算 (22)第四章 调速系统硬件设计 (24)4.1硬件总体方案设计 (24)4.2 主电路设计 (24)4.3 整流电力二极管参数的确定 (25)4.4 IGBT 的选择 (26)4.5 IGBT 驱动电路的设计 (26)IGBT 驱动电路的一般要求 (26)IGBT 的专用驱动集成电路 (26)4.6 泵升电压的抑制 (28)4.7 电流反馈信号检测装置设计 (29)概述 (29)4.7.2 电流检测装置的设计 (30)4.8转速检测环节及其与单片机接口电路的设计 (30)4.9 模拟量给定电流、转速反馈量与单片机的接口设计 (32)4.10 键盘与显示接口电路 (32)第五章系统软件设计 (34)5.1主程序 (34)5.2 A/D转换设计 (35)5.3键盘与显示子程序设计 (36)5.4模糊PID控制流程设计 (37)结论 (38)参考文献 (39)致谢 (42)第一章绪论1.1 序言在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

基于PID控制算法的电机速度控制系统设计与优化电机速度控制系统是一种常见的自动控制系统，它通过控制电机的输入信号，使电机的转速达到预定的目标值。

PID控制算法是一种经典的控制算法，通过比较实际输出和期望输出的差异，计算出控制信号来实现目标控制。

在设计和优化基于PID控制算法的电机速度控制系统时，首先需要明确系统的基本要求和性能指标。

常见的要求包括稳态误差、响应时间、控制精度等。

根据这些要求，可以选择合适的PID控制器参数。

首先，需要了解电机的数学模型。

电机的数学模型可以通过系统辨识方法获取，也可以根据电机的物理特性进行建模。

数学模型通常使用微分方程、差分方程或传递函数表示。

然后，可以开始设计PID控制器。

PID控制器由比例项、积分项和微分项组成。

比例项对实际输出和期望输出的差异进行直接比例调整；积分项积累误差并补偿稳态误差；微分项根据误差变化率进行调整。

PID控制器的参数调整对于系统的性能至关重要。

常见的PID调参方法包括经验法、试错法和自整定法。

经验法是一种基于经验的调参方法，通过调整参数的大小，观察系统响应和性能来优化参数。

试错法是一种通过不断尝试不同的参数组合，通过试验和调整的方法来找到合适的参数。

自整定法是一种自动调参方法，可以根据系统的响应自动调整参数。

在调参过程中，需要对系统进行测试和实验。

可以通过给系统输入阶跃信号、方波信号或其他合适的输入信号，观察系统的响应和性能，以确定参数的最优值。

除了参数调整外，还可以通过使用先进的控制算法来优化电机速度控制系统。

例如，模糊控制、自适应控制、模型预测控制等。

这些算法可以根据系统的动态特性和非线性特性，采用不同的控制策略来提高系统的性能。

在进行优化时，还可以考虑引入反馈补偿、前馈补偿等技术。

反馈补偿可以通过测量系统输出和期望输出之间的误差，并将其作为控制信号的一部分，来改善系统的性能。

前馈补偿可以通过预测输出值，提前校正控制信号，减小系统响应的延迟。

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。

本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。

同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。

在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后可以通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。

该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。

关键词：数字PID；PWM脉冲；占空比；无静差调节前言21世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。

我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。

控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

其控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。

控制器的输出经过输出接口﹑执行机构、加到被控系统上；控制系统的被控量、经过传感器、变送器、通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统、传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器。

电加热控制系统的传感器是温度传感器。

一、PID控制系统PID是比例,积分,微分的缩写。

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti ,Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

因此,可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。

此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

图1-1 PID控制系统二、二阶系统数学模型二阶系统方框图如下图所示二阶系统闭环传递函数的标准形式2222)()()(n n n s s s R s C s ωζωω++==Φ （2-1）得出自然频率（或无阻尼振荡频率）Mn T K=ω （2-2） 阻尼比KT M 21=ζ （2-3）令式（2-1）的分母多项式为零，得二阶系统的特征方程0222=++n n s ωζω （2-4）其两个根（闭环极点）为1221-±-=ζωζωn n 、s （2-5）显然，二阶系统的时间响应取决于ζ和n ω这两个参数。

应当指出对于结构和功用不同的二阶系统，ζ和n ω的物理含意是不同的。

图2-2 标准形式二阶系统结构图三、PID 调速系统数学模型PID 控制系统是一种线性控制系统。

PID调节控制做电机速度控制摘要：随着新型控制元件的出现，及现代控制理论的不断发展，传统的驱动系统逐渐向高速数字化的方向发展，具有直接驱动性能的直线电机，具有行程长，响应快的特征，可以提高伺服系统的效率，在超高运行中得到了广泛应用。

本文将永磁直线同步电机为控制对象，深入研究其工作原理及控制方法，对系统进行软硬件设计，通过实验验证控制效果。

关键词：PID控制；电机速度中图分类号：G623.5 文献标识码：A 文章编号：ISSN0257-2826 （2019）07-112-01随着电力电子元件的更新，伺服驱动技术不断改善，高速度精密系统成为新的发展趋势，为速度的加快提高了工业生产率，使得加工零件的热变形程度减小，在行程较小的高速精密系统中，其优点是可以缩短运动与停止间的过渡时间，研制新型高速精密驱动系统具有重要的实用价值。

永磁直线同步电机是直线电机的一种，具备了永磁电机的优点，能提供较高的加速度及定位精度，在数控机床，集成芯片等领域应用较为广泛。

其在位置控制检测方面存在不少难点，外界扰动因素易对系统参数造成影响，影响系统的性能。

本文旨在建立噪声低，精度高的永磁直线同步电机伺服控制系统，利用线性霍尔元件为位置反馈传感器，可准确定位直线电机的启动，停止位置角度。

检测系统的快速反应能力。

一、直线电机研究与发展概况1.直线电机的原理直线电机可以不借助中间传动环节，将电能转化为机械能，直线电机与旋转电机本质相同，直线电机可作为旋转电沿径向剖开，通常情况初级由定子转变而成，直线电机铁芯不闭合，会带来端部效应的影响[1]。

实际应用中，为防止直线电机初级与次级耦合部分避免出现无法正常运行的情况，电机初级与次级长度不同，综合考虑生产与运行费用，短初级长次级结构应用广泛。

直线电机结构可分为圆筒形，圆弧形及扁平型，按功能用途分类可分为力电机，功电机与能电机。

从原理角度出发，直线电机包括直线电动机与驱动器两类。

2.直线电机的传统控制策略直线电机伺服应用领域日益广泛，对控制策略的选择提出了更高的要求，选择控制策略需评估伺服系统的抗干扰能力，从电磁推力等多方面因素判断直线电机控制策略。

基于PID控制的直流电机调速系统1绪论1.1本课程的选题背景PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。

它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。

特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。

在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。

由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。

随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。

计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。

整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Proteus就是一个典型的实时仿真软件。