基于数字PID控制的直流伺服电机控制系统设计.doc

摘要 直流伺服电动机的广泛使用，将计算机与伺服控制系统相结合实现数字化控制是现代伺服控制系统的一个发展趋势。而模拟PID控制算法是比较理想的控制算法，在工业上得到了广泛应用。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。为了实现直流伺服电动机的数字化控制，采用数字PID控制算法。目前，国内开发的计算机控制伺服系统基本上都采用计算机的串行口与伺服端进行有线连接，伺服端一般采用DSP芯片进行控制。本研究设计了一个基于数字PID控制的直流伺服电机控制系统，采用单片机80C51作为数字控制器，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流伺服电机转速的控制，进而转化成对电机位移的控制。对电动机的位移进行控制，用软件方式实现数字PID控制算法。由测量元件(位移传感器)对被控对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A\D转换器)将被控参数(位移)变成一定形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号(位移量)进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定值(给定位移量)保持一致。同时利用位移传感器将电机位移转换成脉冲反馈到单片机中，实现位移闭环控制，达到位移无静差调节的目的。 关键字：数字PID；直流伺服系统；闭环控制 序言 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。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。 受益于数十年来全球经济高速成长所获得的PID控制成果,在中国市场，一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了医疗、汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。但是由于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过程控制方面PID控制技术的应用更是越来越广泛和深入。随着科技的进步，人们对生活舒适性的追求将越来越高，PID控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新技术，正越来越受到国内外各行业的高度重视。 1总体方案设计 通过查找资料和理解题意后，决定从以下几个模块进行系统设计：单片机模块、电源模块、输入模块、A/D转换模块、D/A转换模块、显示模块、反馈模块、电压放大模块等。通过分析题意系统结构框图如图所示： 2. 控制系统的建模和数字控制器设计 2.1控制系统的建模 设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。由测量元件(位移传感器)对被控对 象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A\D转换器)将被控参数(位移)变成一定形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号(位移量)进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定值(给定位移量)保持一致。其电机位置随动系统： 式中，K=100， T1=1.8，T2=0.035，T3=0.15。 根据以上设计要求，设计的系统框图如下： 2.2 数字控制器的设计 2.2.1数字PID的推导 由于数字控制器采用单片机80C51，因此系统中数字控制的设计，实际上是计算机数字PID控制算法的设计。 PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差： =－ （1.1） 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。模拟PID调节器的控制规律为 （1.2） 式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。 由于计算机只能识别数字量，不能对连续的PID控