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广西大学实验报告纸实验题目：直流电机PID 闭环数字控制器设计 序号 学号 姓名 贡献排名成绩 1(组长)： 1302120130 钟德宝 2(组员)：1302120104伍建松学院：电气工程学院报告形成日期 指导老师： 徐辰华老师、韦忠海老师 2015.10.30【实验时间】2015年10月28日【实验地点】综合楼808 【实验目的】1、巩固闭环控制系统的基本概念2、了解闭环控制系统中反馈量的引入方法3、掌握PID 算法数字化的方法和编程及不同PID 算法的优缺点 【实验设备与软件】1. labACT 实验台与虚拟示波器2. labACT 软件3. Multisim/Simulink 仿真软件 【实验原理】1、求矩阵特征值[V J]=eig(A), cv= eig(A) 2、求运动的方法（1）利用Laplace/Z 逆变换----适合于连续/离散线性系统；（2）用连续(离散)状态转移矩阵表示系统解析解----适合于线性定常系统； （3）状态方程的数值积分方法----适合于连续的线性和非线性系统； （4）利用Cotrol ToolBox 中的离散化求解函数----适合于LTI 系统； （5）利用Simulink 环境求取响应----适于所有系统求取响应。
1、PID 调节原理比例调节作用：按比例反应系统的偏差产生调节作用。
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，甚至造成系统不稳定。
积分调节作用：消除稳态误差。
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 大则积分作用弱微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，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，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。
微分作用不能单独使用。
按偏差的PID 是过程控制中应用最广泛的一种控制规则，该调解器是一种线性调节器，。
直流电机转速PID控制系统设计学院：专业班级：姓名：学号：指导老师：目录第一章PID简介 (1)第二章直流电机工作原理 (6)2.1 工作原理 (6)2.2、直流电机PID控制原理方框图 (7)第三章控制系统方案选择 (10)3.1 系统设计要求 (10)3.2 系统模块设计 (12)第四章硬件设计与实现 (17)4.1 硬件设计 (17)4.2系统面板图 (24)第五章流程设计 (26)5.1 软件设计流程图 (26)第六章程序说明 (30)6.1 直流电机部分程序 (30)6.2 温度检测部分程序 (37)第七章说明及调试 (46)7.1 调试过程 (46)7.2 运行结果 (47)第八章课程设计体会 (49)第一章 PID简介PID （比例积分微分，英文全称为Proportion Integration Differentiation）控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
微机原理课程设计报告设计题目：小型直流电机闭环调速系统PID控制器设计学院：信息科学与工程学院专业班级：姓名：学号：指导老师：目录一、实验设计要求--------------------------------------------------------------------2二、控制系统总体设计方案------------------------------------3三、系统框图--------------------------------------------------------------------------4四、程序流程图--------------------------------------------4-5五、重要单元的介绍----------------------------------------5-9六、硬件连接图-------------------------------------------9-10七、系统连接图---------------------------------------------11八、调试及结果------------------------------------------11-12九、程序代码----------------------------------------------------------------------13-31十、心得体会--------------------------------------------------------------------------32 十一、参考文献-----------------------------------------------------------------------33一、设计要求：1、设计基于80x86微机接口控制电路；2、分别用C语言和汇编语言编程完成硬件接口功能设计；3、程序功能要求：电机速度由按键分段给定或电位器连续给定，计算机屏幕和数码管同步跟踪显示当前给定速度和电机实际运行速度，实现PID 参数在线显示和修改。
小型直流电机闭环调速系统PID控制器设计学院: 信息科学与工程专业: 自动化班级: 0904学号:___**********____**:___ ***_ ____前言此次课程设计主要是实现速度的闭环控制，如何稳定快速地实现反馈环节是最重要的任务。
我参考了上学期学到的自动控制理论这门课程的知识，我把这次的电机控制等效为了系统的PID调节问题。
由于我这学期一直在做飞思卡尔的光电组智能小车，并参加了这学期的校内赛（最终取得光电组第二名的成绩）。
而智能车的速度控制也是PID控制的，可以说就是把微机实验室的实验箱搬到了智能小车上，因此在做这次课程设计的过程中我充分借鉴了之前做小车时候的很多经验，这也使得我能够最终成功得实现了各项功能。
下面，我将从软硬件结合的角度来充分分析一下我这次课程设计的整体过程和思路以及一些纰漏不足之处。
目录一、实验设计方案 (1)实验目的 (1)实验仪器 (1)题目要求 (1)功能简介 (2)二、系统总设计 (3)功能分析 (3)备注 (4)分模块分析 (6)电机控制等模块接线图 (8)三、设计中遇到的问题及解决方法 (10)四、收获与体会 (11)七、参考文献 (12)附：源程序清单一、实验设计方案1.实验目的（1）．了解反馈控制的基本思想及方法，熟练掌握PID控制策略及其参数的整定方法。
（2）．掌握直流电机调速控制系统组成及各部分的工作原理。
（3）掌握的8255芯片的使用方法。
（4）学习PC系统中扩展简单I/O接口的方法。
（5）．通过实际对象加深学生对各种控制规律何控制单元的理解。
2.实验仪器（1）硬件要求： PC微机一台、唐都试验箱一台（直流电机、驱动单元、8255单元、数字键盘输入模块、数码管显示模块）；（2）软件要求：DOS环境,唐都编程软件，tdpit编程软件，“轻松编程”软件3.设计要求：（1）、设计基于80x86微机接口控制电路；（2）、分别用C语言和汇编语言编程完成硬件接口功能设计；（3）、程序功能要求：电机速度由按键分段给定或电位器连续给定，计算机屏幕和数码管同步跟踪显示当前给定速度和电机实际运行速度，实现PID参数在线显示和修改。
PID控制电机实验报告实验目的本次实验的目的是掌握PID控制器的工作原理和应用，了解PID控制的基本概念和设计方法，并通过实验实现对电机的控制。
实验步骤材料准备本次实验所需要的材料如下：•电脑•Arduino开发板•直流电机•按钮•电位器•面包板•杜邦线•电源线硬件连接首先将直流电机连接到Arduino开发板的PWM引脚上，同时将按钮和电位器连接到开发板的数字引脚上，如下图所示：image1image1软件实现打开Arduino IDE，新建一个工程，然后编写如下代码：// 定义控制引脚和输入引脚const int CONTROL_PIN = 9;const int INPUT_PIN = A0;const int BUTTON_PIN = 2;// 设置时间间隔const int INTERVAL = 100;// 设置p、i、d系数和初始误差const float Kp = 0.8;const float Ki = 0.1;const float Kd = 0.1;const float TARGET = 500;float error = 0;float lastError = 0;float integral = 0;// 定义按钮状态和电位器值int buttonState = HIGH;int potValue = 0;// 初始化控制引脚和按钮引脚void setup() {pinMode(CONTROL_PIN, OUTPUT);pinMode(BUTTON_PIN, INPUT);digitalWrite(BUTTON_PIN, HIGH);}// 主循环void loop() {// 获取按钮状态和电位器值buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);potValue = analogRead(INPUT_PIN);// 判断按钮状态if (buttonState == LOW) {// 按下按钮时，执行pid控制error = TARGET - potValue;integral += error;float derivative = error - lastError;lastError = error;float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;if (output > 255) {output = 255;}if (output < -255) {output = -255;}analogWrite(CONTROL_PIN, abs(output));} else {// 未按下按钮时，关闭电机analogWrite(CONTROL_PIN, 0);}// 等待一段时间delay(INTERVAL);}以上代码实现了一个PID控制器，当按下按钮时，控制器根据电位器的值计算出控制信号，并控制电机的转速，使电位器的值逐渐趋近于目标值，当释放按钮时，电机停止转动。
PID控制电机实验报告【摘要】本实验通过PID控制电机，对系统进行控制，实现系统的速度调节和位置调节。
首先通过对系统的建模和参数辨识，得到了系统的数学模型和参数，并根据模型设计了合适的PID控制器。
然后通过实验验证了设计的控制器的有效性，实现了对电机速度和位置的调节。
实验结果表明，PID控制器对于系统的速度调节和位置调节具有良好的性能，能够实现较好的控制效果。
【关键词】PID控制；电机；速度调节；位置调节一、实验目的1.通过PID控制器实现对电机的速度调节和位置调节；2.验证PID控制器的有效性和性能。
二、实验原理PID控制器是一种经典的控制策略，由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
PID控制器的数学表达式为输出信号u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt + Kd*de(t)/dt，其中e(t)为控制偏差，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分系数。
在电机控制中，可以将电机看作一个被控对象，输入电机的电压u(t)通过电机的转矩转化为输出角速度ω(t)。
通过对电机的数学建模，可以得到电机的传递函数为G(s)=k/(Ts+1)，其中k为系统增益，T为系统时间常数。
根据系统传递函数的性质，可以得到电机系统的速度和位置闭环模型为Kv(s)=1/(Ts+1)和Kp(s)=Ks/(Ts+1)，分别对应于速度和位置的调节。
三、实验装置1.PC机；2.PID控制器板卡；3.直流电机；4.电压放大电路；5.角度传感器。
四、实验步骤1.建立电机的数学模型，并利用实验数据辨识系统的参数；2.根据模型设计PID控制器的参数；3.连接实验装置，将PC机与PID控制器板卡连接，通过板卡控制电机的电压，实现速度和位置调节；4.设置不同的目标速度和目标位置，进行实验并记录实验数据；5.分析实验数据，评价控制器的性能和有效性。
五、实验结果与分析通过实验得到了电机系统的数学模型为G(s)=2/(s+1)和Ks=10/(s+1)，并根据模型参数设计了PID控制器的参数为Kp=1,Ki=0.01和Kd=0.5、实验中设置了不同的目标速度和目标位置，通过对比实际速度和位置与目标值的差异，评价了控制器的性能。
实验六数字PID 直流电机闭环调速控制系统设计一、实验原理及内容直流电机调速实验的系统方框图如下：电机的PID控制原理：单片机给出脉冲调制信号，脉冲调制信号的脉宽决定电机的转速，即可通过调节脉冲的占空比来调节电机的转速，脉冲信号驱动电路放大后控制直流电机的转动，然后测速电路几乎同步测出电机转速并输出，该输出信号与给定值（给定的转速）比较，如果两者不相同，经单片机里面的算法比对后，单片机调节脉冲宽度，继续输出给驱动电路控制电机，如此循环，直到电机转速与给定值相同。
根据上述系统方框图，硬件线路图设计如下：图中“DOUT0”表示51 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7 ”表示51 的外部中断1，用作测速中断。
实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生PMW 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。
霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。
在参数给定情况下，经PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。
系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。
直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序如下：实验结果的推导：在模拟系统中，PID 算法的表达式为：])()(1)([)(dtt de T dt t e T t e K t P D i P ++=⎰（1） 由于计算机系统是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制。
因此，在计算机系统中，必须对式（1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：∑∑⎰===∆=nj n j nj E T t j E dt t e 0)()()( （2）T k E K E t k E k E dt t de )1()()1()()(--=∆--≈ （3） 将式（2）和（3）带入式（1），则得到离散的PID 表达式：⎪⎩⎪⎨⎧⎭⎬⎫--++=∑=)]1()([)()()(0k E k E T T j E T T k E K k P Dnj i P 式中，T t =∆----采样周期，必须使T 足够小，才能使系统有一定的精度；E(k)---第k 次采样时的偏差值；E(k-1)---第（k-1）次采样时的偏差值； K---采样序号，k=0,1,2.P(k)---第k 次采样时调节器的输出。
广西大学实验报告纸实验题目：直流电机PID闭环数字控制设计序号学号姓名贡献排名成绩1(组长)： 12(组员)： 23(组员)：学院：电气工程学院报告形成日期指导老师：胡立坤2015.10．20 【实验任务安排以及各组员贡献说明】一起对实验原理和目的进行探讨和分析，并在matlab的simulink中搭建模拟进行仿真；董永昌编写PID程序和实验预习的撰写；一起对实验现象进行分析探讨得出实验结论，由苏建福完成最终实验报告的撰写。
【实验时间】2015年10月17日【实验地点】综合楼实验室。
【实验目的】1、巩固闭环控制系统的概念；2、了解闭环控制系统中反馈量的引入方法；3、掌握PID算法数字化的方法和编程及不同PID算法的优缺点。
【实验设备与软件】1、labACT实验台2、labACT软件3、MA TLAB/Simulink仿真软件【实验原理】1、PID控制原理按偏差的比例积分微分控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规则。
由PID控制规则构成PID调节器是一种线性调节器式中u（t）——调节器的输出信号；e (t)——调节器的偏差信号； Kp——调节×器的比例系数； Ti——调节器的积分时间常数； Td——调节器的微分时间常数。
图一 PID控制原理框图比例调节作用：按比例反应系统的偏差产生调节作用。
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，甚至造成系统不稳定。
积分调节作用：消除稳态误差。
积分作用的强弱取决与积分时间常数iT，iT越小，积分作用就越强。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，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，改善系统的动态性能。
2、PID算法的数字实现与经验整定在输出不振荡时，增大比例增益，减小积分时间常数，增大微分时间常数标准PID算法：由于本次试验采用的计算机控制系统是一种时间离散控制系统。
因此，为了用计算机实现PID控制必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程令积分系数，微分系数，则PID位置控制算式表达容易将上式转化成增量算式3．直流电机的闭环调速原理图2 直流电机闭环调速系统原理图4、被模拟对象模型描述该闭环调速实验中直流电机对象可通过实验测得其空载是的标准传递函数如下【实验内容、方法、过程与分析】1、通过给定的电机模型公式，在simulink中搭建直流电机闭环调速仿真模型。
PID算法控制___实验报告开课实验室：2012 年 4 月日学院物电学院年级、专业、班09光信2班姓名成绩课程名称Dsp实验实验项目名称PID算法控制指导老师签名一、实验目的1．掌握利用ICETEK-VC5509-A板与ICETEK-CTR板上带速度反馈的直流电机 B 的连接和控制原理。
2．熟悉VC5509DSP 的通用IO端口和定时器的编程使用。
3．学习利用数字PID控制算法控制电机转速。
二、实验原理1．直流电机测速原理：直流电机B：在ICETEK-CTR 板上有一个带速度反馈的直流电机B，它的额定工作电压为+12V，额定转速为6500转，带有速度反馈线路，反馈信号为方波脉冲，其频率与转速成正比(电机转动一圈产生两个脉冲)。
电机闭环控制系统：如图在DSP系统板的控制下形成闭环速度控制系统，DSP发送的PWM波控制直流电机的转速，通过速度反馈，DSP 可实时读取当前速度值，利用DSP中运行的控制程序根据速度读数控制PWM 的脉宽，从而实现闭环调速控制。
2．数字PID控制器：将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。
⑴模拟PID控制原理：模拟PID控制系统原理图如图所示。
该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图中，r(t)瑞泰创新——ICETEK-VC5509-A评估板软件实验指导III-122是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)e(t)=r(t)-y(t)e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。
偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数P K ，P K 越大，控制越强，但过大的P K 会导致系统震荡，破坏系统的稳定性。
积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。
直流电机PID 闭环数字控制器设计姓名： 学院：实验内容：直流电机pid 闭环数字控制器设计 2015年 4月12日 实验地点： 实验目的：1．巩固闭环控制系统的基本概念。
2．了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。
3．掌握PID 算法数字化的方法和编程及不同PID 算法的优缺点。
实验设备与软件： 1. labACT 实验台 2. MATLAB 软件 3. labACT 软件 实验原理： 1、PID 控制原理按偏差的比例、积分、微分控制(简称PID 控制)是过程控制中应用最广的一种控制规则。
由PID 控制规则构成的PID 调节器是一种线性调节器。
这种调节器将设定值U 与实际输出值Y 构成控制偏差(e=U —Y)的比例(P)、微分(D)、积分(I)的线性组合作为输出的控制量进行控制⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=⎰dt t de T dt t e T t e K t u t)()(1)()(di p (1) 式中，()u t ——调节器的输出信号；()e t ——调节器的偏差信号；p K ——调节器的比例系数；T ——调节器的积分时间常数；T ——调节器的微分时间常数。
下面介绍比例、积分、微分各自的作用。
比例调节作用：按比例反应系统的偏差，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，甚至造成系统不稳定。
积分调节作用：消除稳态误差。
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，即积分作用使响应滞后。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，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。
目录一、课题简介 (1)二、方案设计 (1)1. 系统整体设计 (1)2. 电机的传递函数 (2)3．集成H桥驱动器 (3)4. 发电机传递函数 (5)5. 信号整形电路 (5)6. 显示电路 (6)7. D/A转换电路 (7)8．51单片机最小系统 (8)三、电机实验模型的建立 (8)四、控制系统仿真分析 (11)1. 电机的开环特性仿真分析 (11)2. 闭环控制器的设计 (12)3. 离散域对控制系统的仿真分析 (14)3.1 PI调节器的离散化 (15)3.2零阶保持器与电机传函的离散化 (15)3.3离散域仿真分析 (15)五、系统实际效果与理论分析的比较 (16)1. 电机的开环特性 (16)2. 电机系统的闭环特性 (17)2.1 闭环系统消除稳态误差 (17)2.2 正阶跃响应特性 (18)2.3 正、负阶跃响应特性 (19)2.4 闭环系统抗扰动能力 (19)六、控制算法的实现 (20)七、总结 (21)1.实验过程中存在的问题 (21)1.1电机模型的测量不够精确 (21)1.2电机模型的降阶处理 (21)1.3电机转速的测量 (21)1.4微处理器的选择 (22)2.实验收获与体会 (22)附录一 (23)附录二 (23)附录三(离散域仿真补充) (33)直流电动机速度闭环控制系统设计报告（华中科技大学电气学院武汉430074）一、课题简介现代化生产和生活中，电动机的作用十分重要，无论是交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用各种各样的电动机。
据有关资料介绍，现有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%消耗于电动机。
因此，研究电动机的控制系统是有较大的现实意义的。
目前电动机的主流控制都是由微机完成的。
电机微机控制系统主要用于一下两个方面：（1）发电机励磁系统的控制用于保证正常工作时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定运行，达到最优化控制的目的。
直流电机PID 控制实验一、 实验目的1、 学习数字控制器的模拟化设计方法；2、 学习数字PID 控制器的设计方法；3、 学习PWM 控制理论；4、 学习数字PID 控制器在DSP 上的实现方法。
二、 实验设备计算机，实验箱、DSP 仿真器、导线。
三、 基础理论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。
实现PID 控制的计算机控制系统如图1所示，其中数字PID 控制器是由软件编程在计算机内部实现的。
图1 模拟PID 控制 1、PID 控制规律的离散化PID 控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r 与实际输出值y 构成的控制偏差y r c -=的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ），通过线性组合构成控制量，所以简称PID 控制器。
连续控制系统中的模拟PID 控制规律为： ])()(1)([)(0dtt de T dt t e T t e K t u DtIp ++=⎰ （式1） 式中)(t u 是控制器的输出，)(t e 是系统给定量与输出量的偏差，P K 是比例系数，I T 是积分时间常数，D T 是微分时间常数。
其相应传递函数为：pK sT K I p sT K D p 对象r eyu+++-+)11()(s T sT K s G D I p ++= （式2） 比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用：（1）比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。
基于PID控制的直流电机转速闭环控制系统设计一、绪论直流电机广泛应用于工业自动化控制系统中，对其转速进行精确控制是提高系统性能和稳定性的关键。
PID控制技术是一种经典且常用的控制方法，被广泛应用于直流电机转速控制系统中。
本文旨在设计一个基于PID控制的直流电机转速闭环控制系统，实现对电机转速的精准控制。
二、直流电机转速控制系统结构直流电机转速闭环控制系统主要由以下几个部分组成：1. 直流电机：负责将电能转化为机械能，并提供给待控对象。
2. 传感器：用于测量电机转速，将测得的转速信号反馈给控制系统。
3. 控制器：根据测量的转速信号与设定值之间的差异，计算控制信号，并输出给执行器。
4. 执行器：根据控制信号控制电机的转速，通过调节电机输入电流实现转速控制。
三、PID控制器原理PID控制器是一种基本的比例-积分-微分控制器，通过调节这三种控制分量的权重，实现对系统的控制。
具体原理如下：1. 比例控制分量：根据测量值与设定值之间的差异，产生与差值成正比的控制信号，用于快速响应系统误差。
2. 积分控制分量：根据时间与误差的乘积进行积分，用于消除系统误差的稳态偏差。
3. 微分控制分量：根据误差的变化率进行微分，用于增强系统的稳定性，减小超调量。
四、基于PID控制的直流电机转速闭环控制系统设计步骤1. 系统建模：根据直流电机的特性以及系统的动力学方程，建立数学模型，描述电机的转速与输入电流之间的关系。
2. 参数调整：根据实际情况，通过试验或者经验，调整PID控制器的三个控制参数：比例系数(Kp)，积分时间(Ti)，微分时间(Td)，以获得系统的最佳控制效果。
3. 信号采集与处理：利用传感器获取电机转速的测量值，然后经过滤波和放大等处理，得到合适的输入信号。
4. PID控制计算：根据测量值与设定值之间的差异，计算PID控制器的输出信号。
5. 信号放大与转换：将PID控制器输出的控制信号进行放大，并转换为合适的电压或电流信号，用于控制电机的转速。
直流电动机闭环调速实验本实验主要是利用闭环控制思想来完成直流电动机的调速实验。
直流电动机是工业生产中最常见的驱动装置之一，其广泛应用于动力和万向传动领域，因而其调速功能也显得特别重要。
本实验所采用的直流电动机主要是通过调整直流电源的电压来实现调速的，闭环调速实验主要包括系统建模、控制参数的选择、控制效果的评估等内容。
一、实验原理直流电动机是一种较为简单的电机。
在工作过程中，它的转速与电源电压有很大的关系。
电源电压越高，电机的转速越快；反之，电源电压越低，电机的转速也越慢。
因此，通过改变直流电源的电压，就可以实现直流电动机的调速。
这种方法叫做电压调速。
但是，这种方法的调速精度无法满足需要，因此采用闭环控制调速，可以更加精准地调节直流电动机的转速。
2. 直流电动机闭环控制原理闭环控制是一种基于反馈的控制方法，控制器通过传感器获得输出反馈信号，从而实现对系统控制的精准调节。
在直流电动机的闭环调速中，可以通过安装转速传感器来获得电动机输出的转速信号，控制器则根据转速信号对输出电压进行调节，从而控制电机的转速。
二、实验设备直流电动机、电源、转速传感器、PID调节器、数字万用表、示波器。
三、实验步骤1. 点动实验点动实验是为了检测电机正反转和控制信号的传输情况。
在实验开始之前，先将转速传感器安装在电机上，并将调节器与传感器相连。
将电机接通电源，观察电机是否正常运转。
然后，用调节器控制电机正反转，观察电机运动方向是否正确。
最后，观察调节器的数值是否能够正常反映电机运转的转速。
2. 建立数学模型在实验过程中，需要对电机系统进行建模。
首先，采用传递函数的方法对电机系统进行建模，建立电机系统的传递函数，然后对传递函数进行调整，从而得到合适的控制器参数。
3. 选择控制参数根据实验结果，选择合适的控制参数。
在本实验中，采用PID控制器来完成闭环控制。
将调节器设定为PID控制模式，并分别测试不同比例系数、积分系数和微分系数下的调节效果，选择合适的控制参数。
广西大学实验报告纸姓名：指导老师：成绩:学院：专业：班级实验内容：直流电机PID闭环数字控制器设计2014年其他组员：实验时间：2014年10月28号实验方式：课外在MATLAB平台上完成实验。
实验目的：1、掌握线性系统状态空间标准型、解及其模型转换。
实验设备与软件：1、MATLAB数值分析软件实验原理：1、求矩阵特征值[V J]=eig(A), cv= eig(A)2、求运动的方法（1）利用Laplace/Z逆变换----适合于连续/离散线性系统；（2）用连续(离散)状态转移矩阵表示系统解析解----适合于线性定常系统；（3）状态方程的数值积分方法----适合于连续的线性和非线性系统；（4）利用Cotrol T oolBox中的离散化求解函数----适合于LTI系统；（5）利用Simulink环境求取响应----适于所有系统求取响应。
1、PID调节原理比例调节作用：按比例反应系统的偏差产生调节作用。
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，甚至造成系统不稳定。
积分调节作用：消除稳态误差。
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 大则积分作用弱微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，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，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。
微分作用不能单独使用。
按偏差的PID 是过程控制中应用最广泛的一种控制规则，该调解器是一种线性调节器，。
PID 的控制原理表达式为：图1 PID 控制原理图2、PID 算法的数字实现 （1）标准PID 算法：在输出不振荡时，增大比例增益，减小积分时间常数，增大微分时间常数。
因本实验采用的是一种离散时间的离散控制系统，因此为了用计算机实现PID 控制必须将其离散化，故可用数字形式的差分方程来代替p di 1()()()()tde t u t K e t e t dt T T dt ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭⎰()p i d 0()()()()(1)nj u n K e n K e j K e n e n ==++--∑（1）式中积分系数i p i T K K T =微分系数dd p T K K T=，其中T --采样周期；()u n --第n 次采样时计算机输出；()e n --第n 次采样时的偏差值；(1)e n ---第n-1次采样时的偏差值.可将上式转化成增量的形式：（2）（2）积分分离PID 控制算法与上述标准算法比，该算法引进积分分离法，既保持了积分的作用，又减小了超调量，使控制性能得到较大的改善。
直流电机PID 闭环数字控制器设计
姓名： 学院：
实验内容：直流电机pid 闭环数字控制器设计 2015年 4月12日 实验地点： 实验目的：
1．巩固闭环控制系统的基本概念。
2．了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。
3．掌握PID 算法数字化的方法和编程及不同PID 算法的优缺点。
实验设备与软件： 1. labACT 实验台 2. MATLAB 软件 3. labACT 软件 实验原理： 1、PID 控制原理
按偏差的比例、积分、微分控制(简称PID 控制)是过程控制中应用最广的一种控制规则。
由PID 控制规则构成的PID 调节器是一种线性调节器。
这种调节器将设定值U 与实际输出值Y 构成控制偏差(e=U —Y)的比例(P)、微分(D)、积分(I)的线性组合作为输出的控制量进行控制
⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛++=⎰
dt t de T dt t e T t e K t u t
)()(1
)()(d
i p (1) 式中，()u t ——调节器的输出信号；()e t ——调节器的偏差信号；p K ——调节器的比例系数；
T ——调节器的积分时间常数；T ——调节器的微分时间常数。
下面介绍比例、积
分、微分各自的作用。
比例调节作用：按比例反应系统的偏差，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，甚至造成系统不稳定。
积分调节作用：消除稳态误差。
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，即积分作用使响应滞后。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，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，而当输入没有变化或变化非常缓慢时，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。
在实际应用中，根据对象特征和控制要求，控制器可以为P 、PI 、PD 、PID 。
PID 参数经验整定原则是在输出不振荡时，增大比例增益p K ，减小积分时间常数i T ，增大微分时间常数d T 。
基此，其经验整定口决为：参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大(即比例增益要变小)，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳(即比例增益要变大)，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4:1，一看二调多分析，调节质量不会低。
2、PID 算法的数字实现与经验整定 (1)标准PID 算法
由于本次实验采用的计算机控制系统是一种时间离散控制系统。
因此，为了用计算机实现PID 控制必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程
()d
p 0i ()()()()(1)n
j T T
u n K e n e j e n e n T T =⎛⎫=+
+-- ⎪ ⎪⎝⎭
∑ (2) 式中：T —采样周期(本实验默认为5ms)；)(n u —第n 次采样时计算机输出；()e n —第n 次采样时的偏差值；(1)e n -—第n -1次采样时的偏差值。
令积分系数i p i T K K T =，微分系数d d p T
K K T
=，则PID 位置控制算式表达式可写成
()p i d 0()()()()(1)n
j u n K e n K e j K e n e n ==++--∑ (3)
容易将上式转化成增量算式
()()p i d ()()(1)()(1)()()2(1)(2)u n u n u n K e n e n K e n K e n e n e n ∆=--=--++--+- (4) (2)积分分离PID 控制算法
在控制过程中，只要系统存在偏差，积分的作用就会继续，当偏差较大或累加积分项太快时，就会出现积分饱和现象，使系统产生超调，甚至引起振荡，这对某些生产过程是绝对不允许的。
引进积分分离法，既保持了积分的作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。
令积分分离法中的积分分离阀值为0E 。
当超过设定参考值偏差0()e n E >时（偏差值()e n 比较大时），采用PD 控制；当超过设定参考值偏差0()e n E ≤时（偏差值()e n 比较小
时），采用PID 控制。
积分分离法PID 算法可表示为
()p i d 0()()()()(1)n
j u n K e n K e j K e n e n ='=++--∑ (5)
式中， 0
i p 0i
0,()()e n E K T K e n E T ⎧>⎪
'=⎨≤⎪⎩，。
(3)不完全微分PID 算法
微分作用容易引起高频干扰，因此通常在典型PID 后串接一个低通滤波器(一阶惯性环节f 1(1)T s +)来抑制高频干扰，微分作用能在各个周期按照偏差变化趋势，均匀地输出，真正起到微分作用，改善系统性能。
由此得到的PID 算法称为不完全微分PID 算法，其表达式为
()(1)(1)()u n au n a u n '=-+- (6)
式中，f f ()a T T T =+，()d
p 0
i ()()()()(1)n
j T T
u n K e n e j e n e n T T =⎛⎫'=+
+
-- ⎪ ⎪⎝⎭
∑ 。
3．直流电机的闭环调速原理
直流电机的闭环调速原理框图如下图。
本实验采用labACT 平台上数/模转换器(B2)(DA0832)、直流电机模块(C2)(直流电机BY25及光电断续器测速)、定时器/中断单元(B9)(8253定时器、中断控制器8259中的输入IRQ6，IRQ7)、驱动电路、CPU8088及其接口。
当给定直流电机转速(即在速度示波器的界面上设置‘目标值’)，与当前转速值(光电测速机构的脉冲数测出)相比较，其差值e (n )在计算机中进行PID 计算，解算成y (n )，经数/模转换器(B2)转换驱动直流电机，改变电机转速，实现直流电机闭环调速控制。
下面分别详细介
基本实验与分析：
(1)通过给定的电机模型公式(7)，在Simulink 中搭建直流电机闭环调速的仿真模型，分析PID 参数对响应的影响并选择其中一组较好的PID 参数(参数范围要满足实验操作中的要求，比如K p =0.8,T i =80ms ，
T d =100ms)，为在LabACT 上实验提供大致的依据。
在仿真实验当中，如果直流电机转速不稳定，时快时慢，应该如何调节参数使转速尽快稳定？如果转速没达到设定值，应该怎样调节参数？如果要转速快速地跟随设定值变化，又该如何调整参数？
下图为搭建仿真模型时需添加的一些标度变换环节(1K 、2K 、3K 及对象已给出，仅需按下图搭建仿真模型，PID 部分需同学们自行编写)，2011=K ,250
1282=K (21K K 将实际转速误差转换为数字量),128
10
3=K (将数字量转化为0~10V 电压)，饱和非线性环节(上限为127，下限为8)。
(2) PID函数实验程序：
int pid(int P,int I,int D,int E)
{ int KI,KD,KP,U;
KP=P;
KI=5*KP/I;
KD=D*P/5;
II=II+E;
U=KP*E+KD*(E-E0)+KI*II;
E0=E;
return U;}
(3)观察波形并记录相同PID参数下(根据PID参数经验整定方法选择一组较好的PID参数，想想需要达到的一般指标)，设定值从250转/min跃变到不同转速下的暂态和稳态性能指标，并对结果进行解释。
(一些LABACT实验箱电机特性很差，电机调节转速不一定能达
设定值从250转/min跃变到1500转/min时间测得波形如图
设定值从250转/min跃变到2000转/min时间测得波形如图
设定值从250转/min跃变到2500转/min时间测得波形如图
实验结论：
通过本次实验可知：当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。
只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
