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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;
}
七、实验结果
通过调整目标转速，观察电机实际转速的变化。PID 控制器能够快速响应并稳定在设定的目标转速上，验证了 PID 控制算法的有效性。
八、总结
本实验通过 Proteus 仿真平台，设计并实现了一个基于 PID 控制的电机调速系统。实验结果表明，PID 控制算法能够有效调节电机转速，使其快速稳定在目标值上，为实际应用提供了参考依据。
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