基于单片机89C51的起重机调速系统

摘　要：本文介绍了一种单片机控制的起重机调速系统。由此给出了一个简易可靠的设计方案，和相关理论介绍。该系统采用PID控制算法编制，注意到工业现场的干扰问题并提出解决措施，使系统的测控精度提高，抗干扰能力增强。

关键词：单片机；起重机；PID
1 引 言
　　自从人类进入文明社会后，总在想方设法利用机械来代替人的生产劳动。起初，人们直接操纵机器，利用各种机械去完成各种预定的工作状态，这就是自动机。目前，单片机在工业测控领域中得到最广泛的应用，各种机电设备都竞相引入单片机构成各种控制器、控制系统以及相应的多机系统和网络系统。单片机系统配置好为完成各种测控功能的通道接口时，就构成了一个完整的、实现一定测控要求的单片机应用系统。可以预计，随着单片机技术的发展，应用技术的难点逐渐向前、后延伸，因而成为今后单片机应用的热点。
2系统整体概述
　　本系统采用单片机89C51产生电压信号来实现控制起重机转速的目的。由键盘输入相应转速档位，单片机接受到以后经过查询输出该档位的电压值，由DAC0832把数字信号转换成模拟信号输出。该电压信号经过一个积分环节，由ADC0809反馈回单片机，与原输出值进行比较，当电压值达到稳定状态以后，电压反馈开环。将交流电机的转速经过同步测速电机反馈回单片机，在单片机内部使用PID算法，对电动机的转速进行位置增量式计算，位置式输出，从而实现执行电机稳速运行。该系统是通过调节交流电机定子电压实现调速的，为此，在晶闸管放大控制环节需要加过零同相触发环节，本系统是通过采用同相触发芯片KC04组合实现的。

图1 系统原理框图
3软件设计
　　本系统是一个多通道的数据转换和输出系统，对模拟信号的采集和数字转换以及比较于原值的数字信号输出是它的两个主要功能，另外还有键盘输入管理功能，它用来进行起重机转速的设定。显然系统还有例行的自检和复位功能。
　　首先系统上电进行自检，然后等待键盘输入设定转速，将当前转速与上次转速进行比较，根据其大小确定输出的电压值，然后根据各种情况进行相应的处理。对于电压反馈采用算术平均滤波求输出电压大小，然后比较于原输出电压，通过加减合适数值的办法使输出电压值稳定在一个小的范围内。当反馈电压稳定后，使其开环，再对转速反馈采样，通过防脉冲干扰平均值滤波求反馈值，调用PID算法进行增量式PID运算，最终使得转速达到稳定。若原档位为0，则开机时输出为5V，调用延时子程序，待延时过，再输出相应档位电压，缩短电机启动时间。
4．PID控制设计
　　本系统采用时间最优（B－B控制）与积分分离PID控制的双模控制算法。时间最优控制可加快调节的作用，而PID控制则保证跟踪精确度与稳态误差满足要求。时间最优控制模式为：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　式中：E1--时间最优控制偏差门限；Rk,Yk,ek,Uk--第k次采样时的设定值、检测值、偏差值、计算机输出值；Umax--计算机输出的最大值。　　
　　积分分离式PID控制可以增强抗积分饱和功能，防止超调和振荡。起重机是一个具有纯滞后的大惯性系统，若采用常规PID控制，在系统启动、大幅度改变给定值或遇到大的扰动时，由于短时间内产生很大偏差，控制器严重饱和，系统会出现较大的超调和长时间的振荡。采用积分可分离的PID控制可较好地解决这一问题．其基本思想是：当转速偏差较大时，取消积分作用，只进行PD调节。只有当偏差在某范围内时，才加入积分作用，进行PID调节。其控制方程可导出为：
　　
　　式中，；；KP,K1,KD分别为控制器的比例、积分、微分系数。
5结束语
　　实验证明，本系统调节时间缩短了43%，取得了比传统算法更高的快速性和稳定性，由于它是微偏线性化模型，只能用于机械特性线段上工作点附近稳定性的判别和动态校正，不适应于大范围起制动时动态响应指标的计算。但是无论是在加速还是在减速时，其稳定性都很好，可以做到抑制超调的效果。
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