PID算法控制.docx

广州大学学生实验报告
开课学院及实验室：物理与电子工程学院2015年4月24日
班级光信121姓名学号指导老师实验课程名称数字信号处理实验Ⅰ成绩实验项目名称PID算法控制
实验目的
实验原理
使用仪器、材料
实验步骤
实验过程原始记录（数据、图案、计算等）
实验结果及分析

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。
三．实验设备
计算机，ICETEK-VC5509-EDU实验箱。

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)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。所以模拟PID
控制器的控制规律为

其中：Kp——比例系数Ti——积分常数Td——微分常数Uo——控制常量

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
KP，KP越大，控制越强，但过大的PK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。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e(t)=0，输出的u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数
IT越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数IT会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定IT。微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化得越快，微分控制器的输出越大，并能在偏差值鞭打之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。适当地选择微分常数
TD，可以使微分的作用达到最优。
⑵数字PID控制算法：
由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样使可的偏差计算控制量，而不能象模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。由于这一特点，式(1-1)中的积分和微分项不能直接使用，不许进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可作如下近似变换：
（1-2）

如果采样周期取得足够小，则以上近似计算可获得足够精确的结果，离散控制过程与连续控制过程十分接近。如果只需要计算控制量的增量ku∆，可以使用增量式PID控制算法。由式(1-3)可得控制器在第k-1个采样时刻的输出值为：

由式(1-6)可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定了A、B、C，
只要用前后3次测量值的偏差，就可以由式(1-6)求出控制增量。
⑶程序设计：
控制环节：系统维护一个全局变量pwm，计算控制电机绕组电压的PWM波形的占空比，取值越大，通过电机的电流越多，电机加速，反之，占空比越小电机越慢。
采样环节：由于电机速度反馈信号频率为几十赫兹，所以设计测量周期较长，这样保证
偶然偏差值较少发生，但系统“反应”较慢。采样脉冲设计为1赫兹的方波信号。测量的结果为电机转动圈数，比如测速结果为84，则实际转速为84转/秒。
计算环节：利用公式(1-6)，取A=0.6、B=0.2、C=0.1，直接由测速结果计算出占空比调
节增量，计算中限制了增量的最大值不能超