【TB作品】51单片机 Proteus仿真 00001仿真实物PID电机调速系统

news2025/10/31 15:58:21

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实验报告：Proteus 仿真 PID 电机调速系统

一、实验背景

PID（比例-积分-微分）控制器广泛应用于工业控制系统中，用于调节各种物理变量。本实验的目的是通过 Proteus 仿真软件设计并实现一个 PID 电机调速系统，以控制直流电机的转速，使其能够按照设定的目标转速稳定运行。

二、器件与硬件介绍

微控制器：选用 51 系列单片机（如 AT89S51）作为控制核心。
直流电机：用于演示 PID 控制效果。
编码器：用于测量电机的实际转速。
LCD 显示屏：用于显示目标转速和实际转速。
按键：用于增减目标转速。
PWM（脉宽调制）模块：用于控制电机的转速。

三、系统设计原理

PID 控制器通过比较目标值和实际值的差异（误差），通过比例、积分和微分三个环节计算出控制量，用于调整系统输出，使误差趋于零。

比例（P）：与当前误差成正比。
积分（I）：与误差的累计值成正比。
微分（D）：与误差的变化率成正比。

四、电路原理

系统主要由单片机、电机、编码器、LCD 显示屏和控制按键组成。电机的转速通过编码器反馈到单片机，单片机通过 PID 算法计算出合适的 PWM 信号，控制电机的转速。

电路连接如下：

电机与 PWM 控制模块相连，PWM 信号控制电机的转速。
编码器连接到单片机的外部中断口，用于测量电机转速。
LCD 显示屏连接到单片机的 I/O 口，用于显示目标和实际转速。
增加和减少目标转速的按键连接到单片机的 I/O 口。

五、程序原理

程序主要包括初始化、主循环和中断处理三部分。

1. 初始化

void SystemInit()
{
	TMOD=0X21;    // Timer 0 和 Timer 1 初始化
	TH0=THC0;
	TL0=TLC0;
	TH1=0xC0;
	TL1=0XC0;
	ET1=1;
	ET0=1;
	TR0=1;
	TR1=1;
	EX0=1;     // 中断 0 用来测量转速
	IT0=1;
	EA=1;
	e =0;
	e1=0;
	e2=0;
}

2. 主循环

主循环不断检查按键状态，更新目标转速，并调用 LCD 显示目标和实际转速。

void main()
{
	SystemInit();
 	init();
 	LCD_Write_String(0,0,aa);
	zs=1;
	while(1)
	{
		SetSpeed();
		if(zs==1)
		{
		    zs=0;
			cc[7]=num/1000+'0';
			cc[8]=num/100%10+'0';
			cc[9]=num/10%10+'0';
			cc[10]=num%10+'0';
			LCD_Write_String(0,1,cc);
		}
	}
}

3. 中断处理

外部中断用于测量电机转速，定时器中断用于产生 PWM 信号和执行 PID 控制算法。

void int0() interrupt 0
{
	Inpluse++;
}

void t0() interrupt 1
{
	static unsigned int time=0;

	TH0=THC0;
	TL0=TLC0;
	time++;  // 转速测量周期
	if(time>500)
	{
		zs=1;
		time=0;
		num=Inpluse;
		Inpluse=0;
		PIDControl();
	}
	PWMOUT();
}

void timer_1()  interrupt 3
{
   	cnt++;
}

六、PID 算法实现

PID 算法根据当前误差计算控制输出，调整 PWM 信号的占空比。

void PIDControl()
{
	e=SpeedSet-num;
	duk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2));  
	uk=uk1+duk;
	out=(int)uk;
	if(out>1000)
	{
		out=1000;
	}
	else if(out<0)
	{
		out=0;
	}
	uk1=uk;
	e2=e1;
	e1=e;
	PWMTime=out;
}