文档介绍：西安郵電學院
控制系统课程设计报告书
系部名称
:
自动化学院
学生姓名
:
23号:帖东杰 19:赵立龙
31:王泉 27号:张翻
35号:赛力汗
专业名称
:
自动化
班级
:
自动0804
时间
:
2010年 12月5日至
2010 年12月 17日

直流电机的闭环调速系统设计
一、设计要求
利用PID控制器、光电传感器及F/V转换器设计直流电机的闭环调速系统。
设计方案分析
器材:电路板、PID控制器、小型直流电机、
LM331、ST151各一片
电阻、电容若干、导线、LM324若干
原理框图:
输入输出
减
PID控制器
直流电机
F/V转换器Lm331
光电传感器ST151
注:
,作为共同输入,通过PID控制器调节,驱动电机工作。
,叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V转换器;F/V转换器将频率信号转换为电压信号,将此作为反馈信号然后通过PID控制器对输出电压进行校正。
四、硬、软件设计及背景知识介绍
PID比例积分微分控制器
PID控制器的简单介绍
PID是比例P (Proportional)、积分(Integral)、微分D (Differential or Derivative)控制的简称。在PID调节器作用下,我们可以对误差信号分别进行比例、积分、微分控制,调节器的输出作为被控对象的输入控制量。
PID调节器的传递函数和电路连接如下图所示,在式中, Kp为比例增益, Ti为积分时间,Td为微分时间。
PID传递函数:
PID电路连接:
PID控制器参数的确定
PID控制是比例、积分、微分控制的总体,而各部分的参数KP、TI、
TD 大小不同则比例、微分、积分所起作用强弱不同。在工业过程控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深入了解PID控制中三参量对系统动态性能的影响。以单闭环调速系统为例,讨论各参量单独变化对系统控制作用的影响。在讨论一个参量变化产生的影响时,设另外两个参量为常数。
PID参数对系统的影响:
通过仿真PID控制器参数确定如下
KP=20 TI= TD =
PID参数的确定的详细步骤:
见附件《基于MATLAB仿真下PID参数整订》
LM324放大器
LM324为四运放集成电路,它采用了14脚双列直插塑料进行封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324引脚排列见图。
Lm324管脚图
在电路设计时,将F/V转换器LM331输出的电压反馈信号经Lm324放大反馈到电路中;4和11管脚分别接+12V,-12V电源。
光电转换器ST151
光电转换器ST151是单光束直射取样式光电传感器,采用高发射功率红外光电二极管和复合晶体管组成,性能可靠;体积小,结构简单. 多应用于多费率电能表,IC卡电度表等各种需测量计数的场合。

ST151实物图 ST151内部结果图
在本实验中,当电机驱动转动叶轮时,通过光电传感器将光信号转换为具有一定频率的脉冲信号,再将该脉冲信号传送给F/V转换器LM313。
频率-电压变换器LM331
LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331双列直插式8引脚芯片,其引脚框图如图1所示。
Lm331逻辑框图
Lm331各引脚功能说明如下:
脚1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;
脚2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;
脚3 为脉冲电压输出端,OC 门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4 为地;
脚5 为单稳态外接定时时间常数RC ;
脚6 为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7 电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ;
脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;
脚8 , 正常工作电压范围为4~40V。线性度好, 最大非线性失真小于0. 01 % , 工作频率低到0. 1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高数字分辨率可达12 位