基于51单片机的直流电机调速系统设计与实现+仿真图+流程图(3)
其实PID 的实质就是对偏差(e值)进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。PID调节的意义在于依靠P获得对细微变化较为敏锐的反应，I抵消P所带来的不稳定因素，D补偿因为I所造成的反应迟钝现象。
图2 模拟PID控制系统原理图
PID 控制原理可以描述为：
(1)
P(比例部分)控制能迅速反映误差，从而减小稳态误差。但比例控制最终并不能消除稳态误差。如果加大比例放大系数，系统的不稳定性也会加大。I(积分部分)控制所起的作用是：只要系统存在有误差，积分控制器就会不断积累，最终输出控制量，以消除误差。因此，只要时间足够长，积分控制部分将能彻底消除误差，使系统的误差降为零。但是积分作用如果太强，则会使系统的超调量增加，甚至会使系统发生振荡。D(微分部分)控制能够减少超调量，克服振荡，使系统稳定性提升，同时还能加快系统动态响应的速度，减小调整的时间，从而去改善系统工作时的动态工作性能。因此，只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
3.2 系数调节与参数整定
(1) 比例系数调节
比例系数P的调节范围一般为：0.1-100。如果增益取0.1，PID调节后输出变化就是十分之一偏差的结果。如果增益取100，PID 调节后输出变化就是一百倍偏差的结果。可见此值越大，在比例作用下产生增益的作用就越大。初调时，选小一些，然后逐渐调大，一直到系统几乎没有波动，再调节微分或积分系数。如果P值过大，系统就会不稳定，就会持续振荡；如果P值过小，则会使系统的反应不灵敏。合适的取值应该能使系统足够灵敏但又不会过于灵敏，一定的迟缓需要积分时间的选取来调节。
(2) 积分系数调节
积分时间的定义就是偏差引起的输出增长时间。如果设积分时间为1秒，那么输出100%变化所需时间就为1秒。初调时，积分时间要设置长些，之后逐渐调小直到使系统达到稳定为止。
(3) 微分系数调节
微分值就是偏差值变化率。假设输入偏差值变化规律为线性，则要在调节器的输出端叠加一恒定调节量。大多数控制系统没要求调节微分控制时间。这是因为只有在时间滞后存在的系统当中才需要这个参数。画蛇添足反而会使一个系统的自我控制受影响。如果有了比例和积分的调节依然不能收到理想的要求，再去调节微分控制时间。初调时，这个系数要设小，然后逐渐调大，直到最后系统稳定。
PID控制的参数整定是控制系统设计的核心部分。它主要由被控制过程的特性来确定PID控制部分的比例系数P、积分时间I和微分时间D的大小。PID控制有很多参数整定的方法，往往采用临界比例法。利用该方法进行PID控制的参数整定的步骤如下：
①预选定一个足够短的采样周期让系统工作；
②仅加上比例控制部分，直到系统相对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下此时的比例放大系数和临界振荡周期；
③在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改, 对于温度系统：P(%)20-60，I(分)3-10，D(分)0.5-3。
3.3 PWM的基本原理
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在温度控制、电机调速、压力控制等方面PWM都可以应用。在PWM信号驱动控制的调整系统中，通常会按固定的一个频率去接通、断开电源，根据需求改变该周期内断开和接通所用时间的比值。这样就能改变工作在直流电机的电枢上的电压占空比，进而改变Vo(平均电压)的大小，从而来实现控制电机转速的目的。因此，PWM又经常被称为“开关驱动装置”，如图3所示。
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