综合测控实验报告

综合测控实验（二）实验报告

一、实验任务分析

本次实验主要完成以下任务：利用Matlab搭建框架，采集电机数据，通过过零算法计算出电机转子的实际转速，然后通过串口通信实现开环控制和闭环PID控制电机转速。

本人设计程序包括以下四个：

untitled.m GUI界面函数

getdata.m 获取数据，计算转速，显示波形及转速图control.m 开环控制转速

pidcontrol.m 增量式PID控制转速

流程图如下：

二、主要代码及解析

1.untitled.m GUI界面函数

界面如下：

左侧显示实时波形图(axes1)和实时转速图(axes2)，右侧分为采集模块和控制模块，采集模块负责开始采集(pushbutton1)和停止采集(pushbutton2),同时显示测量转速(edit1);控制模块负责开环控制(pushbutton3)，闭环控制(pushbutton4)，停止控制(pushbutton4),输入目标转速(edit2),同时显示PID控制中的三个参数：kp(edit3),ki(edit4),kd(edit5)。

主要代码如下：

%全局变量申明

global axes1handles axes2handles;

global edit1handles edit2handles edit3handles edit4handles edit5handles;

global data t1 t2 speed state closedloop_speed;

global Hiswave HisIndex;

global hDAQ sCom;

axes1handles=handles.axes1;%轴系1用于绘制采集到的波形图

axes2handles=handles.axes2;%轴系2用于绘制转速图

edit1handles=handles.edit1;%编辑框1用于显示测量转速

edit2handles=handles.edit2;%编辑框2用于输入目标转速

edit3handles=handles.edit3;%编辑框3用于显示PID算法中的kp

edit4handles=handles.edit4;%编辑框4用于显示PID算法中的ki

edit5handles=handles.edit5;%编辑框5用于显示PID算法中的kd

state=0;%state用于防止采集卡的崩溃

Hiswave=[];%Hiswave用于存放测量转速，绘制转速图

HisIndex=0;

sCom=serial('COM10','BaudRate',115200);%实验台A14串口COM10

%按钮1用于开始采集数据

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

global t1 state;

global hDAQ;

if state~=1

state=1;%防止采集卡崩溃

hDAQ=USBDAQ8_INIT;

USBDAQ8_DAQ(hDAQ,5,5000,1000);%采样频率5000Hz，采样数1000个

%执行采集函数getdata.m

t1=timer('TimerFcn','getdata','Period',0.2,'ExecutionMode','fixedSpacing','TasksToExecute',inf); start(t1);

end

%按钮2用于停止采集数据

function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

global hDAQ;

if length(t1)>0

stop(t1);

USBDAQ8_QUIT(hDAQ);%关闭采集卡

delete(t1);%停止定时器t1并删除

state=0;

end

%按钮3用于开环控制

function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)

global sCom;

global t2;

fopen(sCom);%打开串口

%执行开环函数control.m

t2=timer('TimerFcn','control','Period',0.2,'ExecutionMode','fixedSpacing','TasksToExecute',inf); start(t2);

%按钮4用于闭环控制

function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)

global sCom closedloop_speed;

global t2;

global e1 e2 e3;

e1=0;e2=0;e3=0;

fopen(sCom);%打开串口

closedloop_speed=0;%闭环转速目标值初始化

%执行闭环函数pidcontrol.m

t2=timer('TimerFcn','pidcontrol','Period',0.2,'ExecutionMode','fixedSpacing','TasksToExecute',inf); start(t2);

%按钮5用于停止开环与闭环控制

function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles) global sCom;

global t2;

tx=[85 6 252];

if length(t2)>0;

stop(t2);

delete(t2);%关闭定时器t2并删除

fwrite(sCom,tx,'uchar');%控制电机停转

fclose(sCom);%关闭串口

end

%防止采集卡崩溃

function figure1_DeleteFcn(hObject, eventdata, handles) global t1 state;

global hDAQ;

if length(t1)>0

stop(t1);

USBDAQ8_QUIT(hDAQ);

delete(t1);

state=0;

end

2.getdata.m 获取数据，计算转速，显示波形及转速图

该函数中最重要就是过零算法，接下来对过零算法进行主要分析：采集数据1000个点，设定一个目标值100，如果相邻两值跨过此值，记录第一个序号和最后一个序号，同时记录总数量，最后根据平均值和采样频率计算出信号周期，转速。

其中A14号实验台经过实际运行发现，电机停转时其噪声峰峰值不超过100，因此将max(data)-min(data)≤100作为电机是否旋转的判断依据。

原理图：

程序设计框图如下：

代码及解析如下：

function getdata() %采集数据，计算转速，绘制波形图和转速图

global axes1handles axes2handles edit1handles;

global data speed Hiswave HisIndex;

global hDAQ;

data=USBDAQ8_ReadData_Continue(hDAQ,1000,5);%获取数据

data1=data(1:1000,5)';%取第5列数据并转置

data1=data1-mean(data1);%减去直流分量

plot(axes1handles,data1(1:500));%在轴系1上绘制采集到的波形图

%过零算法

amount=0;%过目标线的点的总数量

first_num=0;%过目标线的第一个点

last_num=0; %过目标线的最后一个点

if max(data1)-min(data1)<100 %判断是否是杂波，如果是，速度speed=0

speed=0;

else%电机旋转，测量转速

for i=1:999

if data1(i)>=100&&data1(i+1)<100 %判断相邻两点是否穿过目标线100 if amount==0 %判断是否是第一个点

first_num=i; %如果是第一个点，记录于first_num

else

last_num=i; %如果不是第一个点，则记录于last_num

end

amount=amount+1; %总数量加1

end

end

speed_T=(last_num-first_num)/(5000*(amount-1)); %计算转速周期

speed=60/speed_T/16; %计算转速（齿数16）

end

set(edit1handles,'string',num2str(speed)); %编辑框1显示转速

HisIndex=HisIndex+1;

Hiswave(HisIndex)=speed; %记录转速

plot(axes2handles,Hiswave); %在轴系2上绘制转速图

title(axes1handles,'实时波形图');

title(axes2handles,'实时转速图'); %轴系1，2说明

3.control.m 开环控制转速（open loop）

手动标定高电平时间与转速的关系，读取目标转速，根据手动标定关系，利用matlab控制串口通信输入相应高电平时间，从而控制电机转速。但开环控制不存在检测环节，因此误差较大。

手动标定高电平时间与转速的关系：

实验台号：A14

首先经过逐渐检测，A14号实验台电机在1100（04 4C）转速仍高于3000r/min，当高电平时间为1150（04 7E）时，转速降至2500r/min 左右。经过测量，得到如下数据：

高电平转速/(r/min)

第一次第二次第三次第四次平均值

1150 2544.2 2559.4 2564.9 2544.6 2553.275

1200 2163.4 2156.9 2165.6 2159.9 2161.45

1300 1253.7 1237.3 1239.8 1249.7 1245.125

1350 791.7 789.7 802.3 804.2 796.975

经过拟合，得到高电平时间与转速关系：

speed=12762-8.8579*time 或 time=(12762-speed)/8.8579 程序设计框图如下：

代码及解析如下：

function control() %开环控制

global edit2handles;

global sCom;

openloop_speed=get(edit2handles,'string'); %获取要控制的目标转速

openloop_speed=str2num(openloop_speed);

openloop_time=(12762-openloop_speed)/8.8579; %A14号实验台转速与高电平时间的关系（手动标定）

a1=mod(openloop_time,256); %将高电平时间转换成16进制表示，高8位和低8位分别用10进制表示

b1=floor(openloop_time/256);

tx=[85 6 251 b1 a1 170];

fwrite(sCom,tx,'uchar'); %写入串口中，控制电机

4.pidcontrol.m 增量式PID闭环控制转速(closed loop)

根据高电平时间与转速的关系控制电机转动，并通过数据采集反馈电机的实际转速，计算偏差，根据偏差值进行调整，最终使电机的实际转速稳定在目的转速左右。

程序设计框图如下：

代码及解析如下：

function pidcontrol() %增量式PID闭环控制

global edit1handles edit2handles edit3handles edit4handles edit5handles;

global sCom closedloop_speed;

global e1 e2 e3;

v1=get(edit1handles,'string');v1=str2num(v1); %从编辑框1，2中获取当前转速与目标转速

v2=get(edit2handles,'string');v2=str2num(v2);

kp=get(edit3handles,'string');kp=str2num(kp); %从编辑框3，4，5中获取kp,ki,kd参数值

ki=get(edit4handles,'string');ki=str2num(ki);

kd=get(edit5handles,'string');kd=str2num(kd);

e3=v2-v1; %计算当前误差

de=kp*(e3-e2)+ki*(e3)+kd*(e3-2*e2+e1); %进行增量计算

closedloop_speed=closedloop_speed+de; %计算控制速度

e1=e2; %更新误差值，用于下次计算

e2=e3;

closedloop_time=(12762-closedloop_speed)/8.8579; %A14号实验台转速与高电平时间的关系（手动标定）a2=mod(closedloop_time,256); %将高电平时间转换成16进制表示，高8位和低8位分别用10进制表示b2=floor(closedloop_time/256);

tx=[85 6 251 b2 a2 170];

fwrite(sCom,tx,'uchar'); %写入串口中，控制电机

三、实验运行效果

1.过零算法检测

电机不转时，测量转速为0：

仿真检测（正弦波）：

2.开环控制

开环控制中，低转速时误差较小，高转速时误差较大，且偶有波动。

3.增量式PID闭环控制

闭环控制误差可以控制在±15r/min之内，但偶尔会产生波动，误差超出30r/min左右。相邻目标转速相差越大，刚开始的超调量越大。

目标转速2000r/min：

目标转速2500r/min：

目标转速1000r/min：

目标转速500r/min：

4.PID参数调试过程

PID参数kp,ki,kd分别为比例，积分，微分调节。

调节过程中，依次调节kp,ki,kd。本人初始参数设定值为0.1，0.1，0.1，此时测量转速和目标转速差距较大。先逐渐增加kp,超调量增大，但逐渐增大至目标转速，增大至0.3后基本不在变化；之后调试ki，增大ki,稳态误差减小，当ki=0.5时，逼近目标转速；最后调节

kd，增大kd，超调量减小，稳定性变好，kd=0.4。

四、实验感想与收获

1.万事开头难，坚持才会胜利。

在还没开始网上实验时，只能通过黄老师所发的视频和资料进行网上学习，仅仅对实验过程有所了解。等到真正开始上机时，看着老师的例题，也会发现其中很多东西一开始并不能理解。开始自己的编程时，也是开头难。尤其是第一次实验，说实话，第一次实验连getdata函数都没有编完，不过对测控实验有了进一步的理解，知道整个控制实验需要哪些函数，每个函数需要哪些功能。在下机后，看QQ群里其他正在上机的学生遇到的问题以及黄老师的解答。第二次上机还是卡在了过零检测这一关，去掉过零检测算法波形可以正常显示，但加上过零检测却运行失败，不过在第三次上机解决了，同时完成开环控制，闭环控制函数大致编辑完毕，第四次和第五次上机修改闭环函数，并完成PID参数的调试。

从最开始的迷茫到后面的按部就班完成实验，最难的不是实验，而是克服自己内心的懒惰，没有老师面对面的监督，遇到难题时太容易打退堂鼓。

虽然最后做出来的成果不算完美，但是对整个控制系统的构建、控制算法的实现等等有了直观的认识，是一次很有价值的锻炼，相当程度上提升了我们解决实际问题的能力。

2.认真与仔细

认真，仔细，这可以说是老生常谈的了，但经过这次实验，对这两个词有了更深的感触。共有四个函数，每一个函数都有其特定功能，任何一个函数，哪怕是少申明一个变量，打错一个字符，忘改一个数据，都会导致失败。编程时要仔细，检查时要仔细，运行时也要严格按步骤来防止采集卡崩溃等。

3.认识到自己的不足

当自己还在挣扎过零检测算法时，QQ群里有的学生已经开始询问有关闭环控制的问题，要认识到自己的不足，勉励自己，以后要更加努力。