数字PID控制器的设计——毕业设计

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1、NINGXIAUNIVERSITY举业设计（2013届）题目数字PID控制器的设计学院物理电气信息学院专业电子信息工程年级学生学号学生姓名指导教师2013年5月3日直流电机具有良好的启动和调速性能，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。本设计介绍了基于FPGA用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于FPGA用硬件产生PWM信号的途径，输出的PWM波形具有频率高、占空比调节步进细的优点。然后结合PID算法对整个系统进行闭环控制设计，对比运用MATLAB软件对闭环控制系统参数选择并对整个系统稳定性作出判断，整合到

2、硬件电路中对直流电机调速的实现提供了一种有效的途径。关键词:直流电机;FPGA；PID控制ABSTRACTThispaperintroducesakindofmethodofDC一motorspeedmodificationbasedonPWMtheorybytheFPGA・ShowingsomerelativeknowledgeupontheDC一motortiming,thebasictheoryandthewaytoimplement・AnditemphasizesonthewayforcarryingoutPWMsignalsbasedonFPGA・ThesePWMsignal

3、s9advantagesarebasedonitshighfrequencyanddutycyclesteppingfineadjustment.ItoffersasortofefficientmethodsfortheDCmotorspeed一controllingsystem.ThenitcontributesPIDarithmeticintothedesignofclosed-loopcontrol.Itcomparesthepreferencesofclosed-loopcontrolinMATLABwiththehardwirecircuits,whichprovidesan

4、efficientwayforDCmotorspeedcontrol.KeyWords:DC一motorFPGAPID_control目录第一章绪论11.1课题背景和意义11.2国内外研究现状11.3本课题研究内容31.4本章小结3第二章直流电机42.1直流电机控制系统42,2直流电机的数学模型建立42.3本章小结6第三章PID算法73.1PID算法73.1.1模拟PID73.1.2数字PID83.2数字PID参数整定方法93・3本章小结9第四章系统软件设计104.1MATLAB设计思想104.2设计步骤及结果104.3本章小结12第五章基于FPGA的直流电机闭环控制数字硬件系统设计1

5、35.1系统的工作原理135.2系统硬件设计及分析145.2.1频率计的设计145.2.2PWM驱动控制电路的设计及分析175.2.3PWM波形发生器195.2.4抗干扰滤波器模块205.2.5PID算法设计205.2.6综合模块设计215.3本章小结22第六章总结和展望236.1总结236.2展望23参考文献25附录程序26致谢33第一章绪论1.1课题背景和意义在现代工业屮，各种生产机械根据其工艺特点，对拖动的电动机提出了各种不同的要求，有的要求能迅速启动、制动和反转；有的要求多台电动机Z间的转速按一定的比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机起、制动平稳，并能

6、准确的停在给定的位置。可见各种拖动系统都是通过控制转速从而控制转矩來实现的叭与交流电动机相比，直流电动机由于调速性能好、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能、运行效率高等优点，因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统⑷。FPGA作为新型的大规模可编程数字集成电路器件，它充分利用计算机辅助设计技术进行器件的开发与应用。用户借助于计算机不仅能自行设计专用集成电路芯片，还可在计算机上进行功能仿真和实时仿真，及时发现问题，调整电路,改进设计方案。这样，设计者不必动手搭接电路、调试验证，只须在计算机上操作很短的时间，即可设计出与实际系统相差无几的理想电路。而且，FPGA

7、器件釆用标准化结构，体积小、集成度高、功耗低、速度快，可无限次反复编程，因此，成为科研产品开发及其小型化的首选器件，其应用极为广泛⑶。1.2国内外研究现状PID控制是工业工程中应用最为广泛，最有效率的控制理论，从它的出现到现在已经经历了很长的时间，今天它依然在工业控制中占有不可替代的地位，相信在以后的很长一段时间PID控制还会有很强的生命力。下面我将粗略列写一下国内外对于PID控制器的发展的主要进程：(1)在国外，1973年美国和日本以学习控制