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1、学士学位论文基于MCU的通用控制器设计院 系:机械工程学院学 号:专业名称:学生姓名:指导老师:起讫日期:设计地点: 基于MCU的通用控制器设计摘要:电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化，研究电机的通用控制器很有必要。本次设计先用MATLAB对PID控制器进行仿真，计算，包括参数整定，加深对控制器和离散算法的认识，再进一步探索双闭环反馈的控制器算法。然后在基于STM
2、32的电机控制电路中进行检验，以便进一步优化算法。这次设计的通用控制器其通用性主要体现在两个方面：一是PID控制器结构的通用性即可以选择单闭环，双环，甚至三环控制，对不需要的控制只需要将该参数设置为0；二是PID参数的通用性，即可以很方便的对PID参数进行调整，以适应实际的需求。就目前的研究结果来看，理论研究基本完成，亦根据实际情况拟合出了电机转速与占空比之间的函数关系，将这种关系应用在简单的单闭环控制中取得了很好的效果，在不使用这种关系，亦对PID参数进行了整定，还需要进一步检验PID算法对实际电机控制的效果，提高其通用性。关键词：STM32；通用控制器；PID；MATLAB仿真 Desig
3、n of MCU Based Universal Controller Abstract: The motor controller develops towards the integrated and universal . At present, the technology of motor control ASIC chip is relatively mature, the type is also very complete, but it lacks universality partly. Moreover, there is varieties specifications
4、, product information and application data but very scattered, it takes much time to collect and analyze them.So the study of the universal motor controller is necessary. In the design ,it firstly use MATLAB to emulate the PID controller, calculate, including parameter tuning, achieve a better under
5、standing on the controller and the discrete algorithm, and then explore the algorithm of double closed-loop control system . And then the circuit of motor control based on the STM32 to be tested,in order to further optimize the algorithm. The universality of the universal controller is mainly embodi
6、ed in the algorithm: First, the PID controller structure that you can choose not only a single closed loop control system , bu also double loop control system , and even three loop control system ; Second is the versatility of the PID parameters, which can be very convenient to be adjusted for the a
7、ctual demand. According to the current results, the study in theoretical is completed, determining a functional relationship between motor speed and duty cycle based on the actual situation.The relationship is applied in a single closed-loop control system and achieve a good effect.But it also need
8、to further examine the effect of the PID algorithm,in the actual motor control . Key words: STM32;Universal Controller;PID;MATLAB Simulation目录摘要.IAbstract.II目录.III第一章 绪论71.1 引言71.2研究现状与发展趋势71.3 本课题的研究目的和主要研究内容8第二章 直流电机调速控制系统分析及MATLAB仿真92.1 原理分析92.1.1 直流电机基本调速方法与PWM92.1.2 直流电机调速系统102.2 MATLAB仿真122.2.
9、1电机控制系统数学模型的推导122.2.2 Simulink仿真122.3系统离散化212.4状态空间法与串行算法模拟并行的探索222.4.1状态空间法的启示222.4.2算法的探索23第三章：实践设计篇263.1整体方案设计263.2硬件部分273.2.1STM32开发板273.2.2电机驱动电路283.2.3正交编码器测转速293.2.4稳压电源电路303.3软件模块303.3.1PWM生成子程序313.3.2串口模块速度给定与速度显示323.3.3速度测定与方向判断子程序333.3.4 PID算法模块33第四章 ：实践检验篇354.1 实物连接图354.2用MATLAB曲线拟合方法确定占
10、空比与空载电机转速的关系354.3简单闭环控制试验384.4第一次PID算法试验394.5第二次PID算法试验40第五章：总结与改进435.1总结435.2改进的一些思路43致谢45参考文献46附录.47第一章 绪论1.1 引言运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统，这类系统控制电机的转矩，转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的控制。纵观运动控制系统的发展历程，交，直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使他们所处的地位，所起的作用不同，但他们始终是随着工
11、业的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展，在相互竞争，相互促进中，不断完善并发生着变化。由于历史上最早出现的是直流电动机，所以19世纪80年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到19世纪末，出现了交流电动机，这才使得交流电气传动在工业中逐步得到广泛应用。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动，正反转以及调速精度，调速范围，静态特性，动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的，由最早的旋转交流机组控制发展为放大机，磁放大机控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模
12、拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性，可靠性，经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛，然而由于直流电动机具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速，高电压，大容量发展，逐渐显示出直流调速的弱点。普遍应用于恒速运行场合的交流电动机，可以弥补直流电动机的不足。于是人们又开始了新一轮交流调速的研究。仅对占传动总量三分之一强的风机，水泵设备而言，如果改恒速为调速的话，就可以节电30%左右。近三四十年来，随着电力电子技术，微电子技术，现代控制理论的发展，为交
13、流调速产品的开发创造了有利条件，并实现了产品的系列化。从调速性能看，完全可与直流调速系统媲美 周深渊. 交直流调速系统与MATLAB仿真M. 中国电力出版社. 2007:120。一言以蔽之，现代电动机自动控制的真正的发展是以电力电子器件的发展和应用为基础的。而微处理器的应用使电气传动控制技术再次发生了巨大地变革，使用微处理器实现数字化控制不仅可以简化控制硬件，而且可以加入人工智能对系统运行状态进行诊断，这对电气传动控制系统的发展产生了深远影响 李宁，刘启新. 电机自动控制系统M. 北京：机械工业出版社. 2003:1222。1.2研究现状与发展趋势微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大
14、规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和
15、各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，
16、为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。当前基于单片机设计的控制器门类繁多，且多为实用性和针对性很强的控制器，有基于改进模糊控制等算法的中央空调的控制器 Yingj
17、un Guo, Yingbao Zhao, Zengli Lu, Jianguang Liu. The Design of Improved Fuzzy Controller Based on MCU for Central AirConditionerJ. 08 Proceedings of the 2008 International Symposium on Intelligent Information Technology Application Workshops. 2008:197200，有复杂的基于AVR单片机针对机床自动变速箱的通用控制器 罗玉涛, 罗良然, 李晓波, 黄志勇
18、, 孟亚辉. 基于AVR单片机的自动变速箱通用控制器设计J. 计算机测量与控制,2011,(03):606608，也有简单的仅仅依靠按键与数码管显示的51单片机控制器 林开生. 基于51系列单片机的通用控制器的设计及其应用J. 漳州职业技术学院学报, 2008(04):3437。1.3 本课题的研究目的和主要研究内容 电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化。 本课题着
19、力于研究电机控制器的通用化开发。利用MCU，编写在一定领域具有通用功能的控制器程序，借鉴MATLAB的信号流图，研究通过下载设定的参数,在MCU程序的解释下,实现其控制功能的通用性.本次设计的通用性主要展现在两个方面：一是PID控制器结构的通用性即可以根据反馈的情况选择单闭环，双环，甚至三环控制；二是参数的通用性，即可以很方便的对PID参数进行调整，以适应实际的需求；三是占空比与转速关系可进行设置，使针对具体情况的PID整定快速进行。由于采用近几年最最主流的STM32微处理器，应用新控制理论和方法，使实现实时控制成为可能，并且增加了系统功能和柔性。具有控制灵活，智能化水平高，参数易修改等优点，
20、从而达到很高的控制精度和良好的稳定性。第二章 直流电机调速控制系统分析及MATLAB仿真2.1 原理分析2.1.1 直流电机基本调速方法与PWM直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉；但缺点是效率低，机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的范围，较小的转速变化率和调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大，占地多
21、，效率低及维修困难。近年来，随着电力电子的迅速发展，有晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统以取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度，动态性能，可靠性有了更大的提高。电力电子技术中的IGBT等大功率器件的发展取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （2.1）由（2.1）式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。1.电枢串电阻调速：由于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。2.弱磁调速：弱磁调速虽然能
22、实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。3.调压调速：调压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用 周顺荣. 电机学M. 北京:科学出版社. 2007:4244 陈世元. 电机学M 北京:中国电力出版社. 2004:3537。对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。绝大多数情况下采用开关驱动方式。这种方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机的电枢电压，实现调速。图2-1 PWM 调
23、速控制和电压波形图图2-1 是利用开关管对直流电动机进行PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形图。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为 （2.2）由公式（2.2）可知，当电源电压 不变的情况下，电枢电压的平均值取决于平均值 取决于占空比 的大小，改变 值就可以改变端电压的平均值，达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM 调速时，占空比是一个重要参数。以下3 种方法都可以改变占空比的值。（1）定宽调频法：保持不变，只改变，使周期与频率也随之改变。（2）调宽调频法：保持 不变，只改变，使周期与频率也随之改变。（3）定频调宽法：使周期保持不变，同时改变、。前两种方法在调速时，改变了控制脉冲的
24、周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会产生震荡，因此很少用。目前主要用定频调宽法 王晓明. 电动机的单片机控制M. 北京:北京航空航天大学出版社. 2007:5256。2.1.2 直流电机调速系统本次试验选用的是小功率的直流电机，根据本次设计的要求，仅对与本实验相关部分的理论进行阐述。1.开环系统直接发出指令，产生信号，改变直流电机电枢端电压，达到调节电机速度的目的。优点是结构简单，缺点是不能同时满足调速范围和静差率的要求，机械特性软，调速范围窄。应用于静差率要求不高的无级调速场合。2.转速负反馈的单闭环调速系统转速反馈电压与转速指令电压相比较形成偏差电压，偏差电压作为输入信号，后
25、与开环电路相同。该方法的优点是：与开环系统相比，机械特性较硬、静差率较小、一定静差率的调速范围提高了；缺点是起动和堵转电流过大，对电机换向不利。改进提高措施：加偏差调节器或限流措施。目前，有三种改进措施：增加电流截止负反馈环节电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统、以电压负反馈加电流补偿控制代替转速负反馈。3.转速、电流双闭环调速系统直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭
26、环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相
27、平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在*电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈
28、分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。4.三环调速系统 在双闭环调速系统的基础上，在电流环内再加电流变化率内环或电压内环构成两种三环调速系统。增加了电流变化率内环，提高了电流环的响应速度，使起动过程的转速和电流更接近理想波形，进一步改善了电机的起动性能 张粤. 电机与控制系统M. 南京:东南大学出版社. 1999:56100。 其他调速系统诸如：有环流可逆调速系统、无环
29、流可逆调速系统，与本次设计关联不大，故不予阐述。2.2 MATLAB仿真2.2.1电机控制系统数学模型的推导对直流电机，有电枢电压平衡方程： （2.3）转矩平衡方程为： （2.4） 对2.3，2.4式采用拉氏变换得 （2.5） （2.6）可求得精确模型的传递函数：图2-2 电机控制系统的数学模型2.2.2 Simulink仿真（1）PID控制器的理论探索1）PID控制器结构如下图2-3图2-3 PID控制器，为积分环节，为积分环节，为微分环节 2） 以一个单闭环的控制系统为例，分析PID控制器各参数在系统中的作用。图2-4 单闭环控制系统其中在MATLAB中编写M文件（见附录），观察PID各环
30、节参数变化时，系统阶跃响应的变化，根据图2-5,2-6,2-7分析得：比例调节作用：增大可增大系统的响应速度，减小稳态误差，提高控制精度。但随着增大系统稳定性下降，严重时造成系统的稳定性破坏。积分调节作用：对稳态起控制作用，改善系统的稳态特性，提高系统的稳态控制精度，但积分过强稳定性随着下降，严重时造成系统不稳定，一般和比例项配合使用。微分调节作用：对动态控制作用，可以加快动态响应，上升快，超调小，具有预调节的作用，一般与比例项组合使用。图2-5 取不同值时系统的阶跃响应图2-6 取不同值时的阶跃响应图2-7取不同值时的阶跃响应3）用PID控制器校正系统利用在相关书籍 黄忠霖, 周向明. 控制
31、系统Matlab计算及仿真实训M. 北京:国防工业出版社. 2006:300311上寻找到的电机参数和速度负反馈参数，建立了如下的电机模型：图2-8 电机开环系统传递函数为对其进行性能分析，阶跃响应见图2-10图2-10 开环系统阶跃响应及性能指标由以上数据可知，单纯的电机系统响应速度太慢，动态性能不佳，且不具有抗干扰性。针对这一系统，我们将进行PID的参数设计和优化改进，对上述系统引入速度负反馈环节和PID调节器。图2-11 单闭环电机控制系统模型PID参数整定法 戴雅馨. 浅析PID 参数整定方法J. 纯碱工业. 2009(06).1517 何国荣, 纪娜. 基于临界比例度法的PID 控制
32、器参数整定方法研究J. 杨凌职业技术学院学报Vol.7No.2 . 2 0 0 8 (6):1114有很多种，工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。现以临界比例度法为例进行参数整定。这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度和临界周期Tk ,然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下:1.被控系统稳定后,把控制器的积分时间放到最大,微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用,只使用比例作用) 。2. 给定一个阶跃信号,观察由此而引起的测量值振荡。3. 针对其开环系统作根轨迹图，根据MATLAB的图像显示，可预测临界比例度K的大致范围。图2-12 系统根轨迹图
33、图2-13 根轨迹图与虚轴交点4.根据已确定的K值，代入闭环系统，进行微调，从大到小逐步把控制器的比例度减小,看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的,如是衰减的则应把比例度继续减小;如是发散的则应把比例度放大使系统产生等幅震荡，如下图，此时的比例系数叫临界比例度=18.354271。振荡周期为 图2-14 PID参数设置界面临界比例度图2-15 系统临界震荡图图2-16临界震荡周期的测量图5.参考参数整定表2-1，得到参数，表2-1 临界比例度法参数整定表调节作用比例度积分时间（min）微分时间（min）比例/2比例积分/2.20.85比例微分/1.80.1比例积分微分/1.70.50.1256
34、.通过上述步骤得到的四个参数，还要到系统中实际运行，检验控制效果，必要时进行反复调整，直至获得满意的控制效果。临界比例度整定法又称为“闭环振荡法”,它的特点是:不需要求得控制对象的特性,而直接在闭合的控制系统中进行整定,适用于一般的控制系统，但对于临界比例度很小的系统不适用.我将上述结果代入闭环系统，其阶跃响应见图2-17，为不稳定系统，还需进行二次整定。.图2-17 第一次整定后系统的阶跃响应7.PID参数二次整定二次整定时，其原理与试凑法类似，只是有了前面的基础从而在一定程度上避免了试凑参数时的盲目性, 具有有很强的针对性。二次整定得到的PID参数数值为图2-18 二次整定得到的PID参数
35、在该参数下系统的阶跃响应为2-19 二次整定后系统的阶跃响应进行前后对比，可知，引入PID闭环控制后，系统的阶跃响应虽出现了一定量的超调，但系统的动态性能可以得到很大改善，响应速度更快，具有了抗干扰性,PID控制器对系统的校正效果是很明显的。图2-20二次整定后系统阶跃响应的性能指标2.3系统离散化控制系统设计的核心工作是控制器的设计。在连续控制系统中，控制器的设计使用模拟器件实现；在计算机控制系统中，控制器的设计用软件编程实现。无论是连续控制系统还是计算机控制系统，都需要借助于数学工具。在连续系统，时域设计用到微分方程，频域设计用到传递函数。在计算机控制系统，时域设计涉及差分方程，频域设计涉
36、及脉冲传递函数。我们习惯于用连续系统成熟的理论解决计算机控制系统的某些分析和设计问题，控制器的设计同样如此。通常先设计连续控制器，再将描述连续控制器的数学模型时域的微分方程或频域的传递函数转化为时域的差分方程或频域的脉冲传递函数，即数字控制器的数学模型。数字控制器的设计大体上分成两大类：经典法设计和状态空间法。经典法设计可分两种方法：离散化法和直接法。离散化法是设计连续控制系统的控制器，然后通过某种离散化方法转化成数字控制器，这种方法仅能逼近连续系统的性能，不会由于连续系统的性能，但对熟悉连续系统的设计者不失为一种较好的方法。本次设计中的单闭环PID控制器的离散化算法 李嗣福 计算机控制基础M
37、. 中国科技大学出版社. 2001.：150173 采用的是向后差分法，方法如下图2-21 PID控制器离散化图理想模拟PID控制器输出方程为 （2.7）对上式作拉氏变换，得 （2.8）由向后差分法， （2.9）将（2.9）化为差分方程得， （2.10）由于（2.10）中包含过去全部的偏差量，而且累加运算编程不方便，计算量太大，需要将其改为递推算法，对（2.10）式两边同时取一阶向后差分得 （2.11）即 （2.12）（2.11）式叫做数字PID增量式算法，（2.12）式叫做数字PID位置式算法，两者形式不同，本质相同，但是，采用增量式算法，系统工作会更安全。一旦计算机出现故障，使控制信号为零
38、时，执行机构的位置仍能保持前一步的位置，因而对系统安全不会有大的影响。对某个控制系统而，无外乎是由一个或多个比例，积分，微分环节构成，通过对上述单个PID离散化的认识，我们可以很轻易的对更复杂的控制系统进行离散化，在此不作一一推导。2.4状态空间法与串行算法模拟并行的探索2.4.1状态空间法的启示经典控制理论，适用于单输入单输出（SISO）系统，而现代控制理论建立了状态的概念，以状态方程为基础，以线性矩阵理论为数学工具，以计算机技术为依托，不仅适用于线性定常系统，而且适用于线性时变和非线性系统的分析，综合。经典控制理论研究系统输入-输出之间的关系停留在系统的外部特征，因而从综合的角度看，它属于
39、试凑形式，即根据相关理论确定相关参量，再验证是否符合指标要求，若不符合再重新修改参数并验证，直至得到满意结果。而现代控制理论用状态揭示了系统的内部状况，研究输入-状态-输出的因果关系，这就从内部，从本质上掌握了系统的关系，从而可以根据设计要求和目标函数（性能指标）求得最有控制规律。 图2-22 状态空间法简图对一个离散化的系统而言，其状态空间表示式 王春民, 刘兴明, 嵇艳鞠. 连续与离散控制系统M. 北京:科学出版社. 2008:256300一般形式为 （2.13）对状态空间法认识的不断深入，我越发了解到这种系统表示方式的好处，它能确定某一时刻下，系统任一位置的值，而不是像以往只能知道整个系
40、统的输入与输出，这种方法，让整个系统变得更加的公开和透明，虽说系统的状态空间模型可由MATLAB直接运算得到，但那是建立在控制对象各参数已知的前提下，如果控制对象为一未知系统，PID控制器的各参数亦不能确定，我们又该如何建立这种状态空间模型呢？黑箱系统是我们在实践中往往会遇到的类型！为此，不得不进一步加以思考。2.4.2算法的探索 以一个双闭环PID控制，对象未知的控制系统为例，进行模拟算法的探索。图2-23 双闭环系统简图对这一系统进行简单分析，首先它是一个三个输入，一个输出的控制对象未知的系统，在三个输入中，u0为输入的期望值，u1,u2分别为反馈值，e1表示在节点1处的偏差，e2表示在节
41、点2的偏差，x为PID1的输出值，y为PID2的输出值。这样一来，整个系统的输入输出量，中间量都被表示出来，下一步，是如何求这些量。如图所示，将其视为离散系统，PID采用位置式算法，可知如下关系 （2.14）根据上述关系式，在给定了输入和PID参数的情况下，我们可以得到每一时刻系统的输入输出甚至是中间量。但是，在实际环境中，系统不可能是同步运行，每一个环节输入与输出都是有时差的，这就需要我们用串行的算法来模拟系统的并行运行。我们对方程组作修改，结果如下，k时刻有 （2.15）用C语言编程，程序见附录，PID参数，增益值均用宏定义，方便修改，u0,u1,u2均设置按时序赋1至8的整数值。 #de
42、fine Kp1 1 #define Ki1 1 #define Kd1 1 /PID1的参数设定 #define Kp2 1 #define Ki2 1 #define Kd2 1 /PID2的参数设定 #define ZY1 2 /速度环反馈系数 #define ZY2 1.5 /电流环反馈系数 #define N 8 /输入向量元素个数 float u0N=1,2,3,4,5,6,7,8; /u0输入值float u1N=1,2,3,4,5,6,7,8; /u1输入值float u2N=1,2,3,4,5,6,7,8; /u2输入值程序运行的结果见图2-24.图2-24 程序运行结果对模
43、拟算法的探索至此结束，以上仅能说明其可行性，至于这种模拟的准确度等等方面还有待进一步深入探讨。第三章：实践设计篇3.1整体方案设计本次设计实践的系统为具有转速反馈的单闭环调速系统，用固定在电机上的正交编码器产生脉冲信号，信号线将脉冲信号送入STM32单片机中，单片机以编码器模式计数，并通过单片机一系列的计算，获得电机的转速。这个速度与设定的速度进行比较，得出差值，对这个差值进行PID运算，改变单片机输出PWM的占空比值，通过H桥驱动电路，调节电机转速。 图3-1 方案设计简图图3-2 电路连接示意图3.2硬件部分硬件设计部分主要包括了STM32开发板，L298N驱动电路，正交编码器测速，稳压电源电路3.2.1STM32开发板 图3-3 MCU引脚功能图本次设计选用的是ALIENTEK MiniSTM32开发板，它的MCU是STM32F103RBT6，STM32作为基于ARM Cortex-M3的单片机，无疑具有高性能，低功耗等优点。该芯片还拥有20K SRAM、128K FLASH、3个普通的16位定时器、一个16位的高级定时器、2个SPI、2个IIC、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、51个通用IO口。当然与本次设计相关的主要是那四个定时器，USB转串口部分，以及I/O口 王永虹,徐炜,郝立平. STM32系列ARM C0r
