磁悬浮小球控制系统软件设计.doc

磁 悬 浮 小 球 控 制 系 统 软 件 设 计摘 要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。本设计以pid控制为原理，设计出pid控制器对磁悬浮系统进行控制。在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立磁悬浮控制系统的数学模型，并以此为研究对象，设计了pid控制器，确定控制方案，运用matlab软件进行仿真，得出较好的控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。pid控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。目前大多数工业控制器都是pid控制器或其改进型。尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但pid控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。关键字：磁悬浮系统，pid控制器，matlab仿真 abstractmagnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life sciencewith the extensive application of maglev technology, the control of the maglev system has become a priority. in this paper, for the principle of pid control, pid controller designed to control magnetic suspension system.on the basis of analyzing of magnetic suspension systems structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe pid controller designed and get control scheme. it gets the better control parameters by matlab software simulation studies, and real-time control of magnetic suspension control system to verify the control parameters. the key research works for further study are proposed at lastsince pid controllers have been the process of industrial production has been most widely and most sophisticated controller. most industrial controllers are pid controllers or modified. while in the control area, a variety of new controllers continue to emerge, but the pid controller is its simple structure, easy to implement, robust, etc., in a dominant position.key words: magnetic suspension system; pid controller; matlab simulation 目 录前 言1第1章 磁悬浮系统的结构91.1 系统组成91.2 磁悬浮实验本体9第2章 磁悬浮小球软件设计112.1 整个程序组成112.2 显示模块122.3 ad/da转换模块10 2.3.1 ad转换15 2.3.2 da转换15 2.3.3 延时模块16第3章 pid控制模块的设计17 3.1 pid控制原理 17 3.2 pid控制的程序流程 18第4章 matlab仿真184.1 matlab作用 194.2 参数最优化设计方法 19 结 论20参考文献22致谢24附录2538前 言课题的来源及研究意义磁悬浮由于其无接触的特点避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。高速磁悬浮列车以其在技术、经济和环保方面的独特优势被认为是21世纪的交通工具的发展方向，德国和同本等国家在这方面己经取得了重要进展，磁悬浮列车技术开始走向实用阶段。由于我国至今尚无客运专线，高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努力，恰恰成为我们在交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的重要机遇；高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。磁悬浮系统是一个典型的非线性系统，其非线性的特性是不可忽略的。然而当前绝大多数磁悬浮控制器都是基于非线性磁悬浮系统在某个平衡点的线性化模型而设计的线性控制律。当系统的平衡点改变时，系统的动态特性会显著改变，此时，线性控制律往往不能满足系统稳定性的要求。因此有必要基于磁悬浮系统的非线性模型设计控制律。无源性是基于耗散性的特例，是一种先进的非线性控制方法，它从能量的角度来描述系统的输入输出，可以把一些数学工具与物理现象联系起来，适用于很多控制问题，在机电系统，机器人等控制应用方面和自适应控制，非线性巩控制等控制方法方面，已经证实了无源性是一种有效的方法。本论文主要研究单自由度磁悬浮系统，该系统具有结构简单、性能评判相对容易、可以缩短研究周期等特点。由于磁悬浮领域的相近性，多自由度磁悬浮系统可以吸收单自由度磁悬浮系统取得的很多有意义的研究成果，因此具有重要的意义。论文主要从以下几个方面进行论述：l、介绍磁悬浮技术国内外发展状况及其应用前景，本论文选题的背景及研究的目的和意义。2、磁悬浮控制系统的物理分析及其数学模型的建立首先介绍单自由度磁悬浮系统的构成及工作原理，从力学、运动学和电磁学详细分析了系统的线性和非线性模型，提出一种基于奇异摄动法建立系统非线性模型的描述方法，从而为后文研究设计磁悬浮系统各种控制器的算法仿真打下了基础。3、磁悬浮系统的pid控制和模糊控制研究首先分析传统的pid控制器，针对pid控制器对非线性磁悬浮系统控制的局限性，运用模糊控制方法，设计一个二维模糊控制器，同时构造一个积分环节以消除稳态误差；并通过实验进行比较。4、磁悬浮系统的模糊自适应pid控制器设计根据磁悬浮系统的非线性动态模型分析在matlab环境下建立磁悬浮的非线性系统模型。针对磁悬浮系统的非线性，在基本模糊控制和常规pid控制的基础上提出模糊自适应pid控制策略。文中分析两种模糊pid控制方法，一是磁悬浮系统的模糊自适应pid控制，二是微分环节改进的模糊自适应pid控制；在matlabsimulink下分别对其建立了仿真模型，并和传统pid控制。三种控制方法相互进行比较以验证出最佳控制方法。磁悬浮技术的研究现状 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久，但实现起来并不容易。早在1842年，恩休(eamshow)就证明：单靠永久磁铁是不能将一个电磁铁在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。要使得铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能实现，也就是说应当采用可控电磁铁。1937年德国科学家肯佩尔(kenper)提出这一思想，并申请了第一磁悬浮技术专利，这构成了之后开展的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。1939年，布鲁贝克(braunbeck)对磁悬浮进行了严格的理论证明。以后的研究又证明，如果最小有一阶自由度受外部机械约束的话，强磁性物体可以用磁力悬浮于稳定平衡状态。至此，磁悬浮理论已经发展得较为完善。磁悬浮由于其无接触的特点避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等以下各个方面有着广阔的应用：l、磁悬浮列车目前国外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面进展最快，已从实验研究阶段转向试验运行阶段。目前德国和同本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。在同本，已建成多条常导和超导型试验线路其中大江试验线长153km，hsst-100低速磁悬浮列车于1991年1月开始在该线上进行了为期2年的系统测试和评估，取得了令人满意的结果。1997年4月3日建成的山梨试验线长184km，从1997年4月开始进行高速磁悬浮列车的试验运行，试验速度己超过550kmh。德国的埃姆斯兰特试验线长31.5 km，研制成功tr07型时速450 kmh的磁悬浮列车。在取得一系列研究和实验结果后，1990年日本开始建造速度为550kmh、长482km的超导磁悬浮列车线路。德国则在2005年建成柏林与汉堡之问284km的常导型磁悬浮列车币式运营线路，其速度为420kmh。英国早在80年代中期就己建成从伯明翰机场到市区的低速常导型磁悬浮列车实用线路。同本研制的高速磁悬浮列车，在实验阶段己创出磁悬浮列车的最高速度517kmh。此外法国、美国、加拿大等国也在这方面进行了众多项目的研制和开发。 高速磁悬浮列车因其在技术、经济、环保方面的独特优势被认为是21世纪最理想的交通工具。在我国，浦东机场至上海市区33公里的磁悬浮试验段已经建成2002年12月21日，上海磁悬浮列车开始通车；2003年元旦，上海磁浮列车正式投入商业运行，被称为“商业运营中最快的列车”和“世界上第一列商用磁悬浮列车”，并被收录到吉尼斯世界大全。上海磁浮列车示范线的顺利运行，对我国乃至世界的磁浮列车事业都产生了极大的促进作用，这对于加快我国现代化工业进程，促进我国轨道交通及相关产业跨越式发展具有非常重要的意义。2、磁悬浮轴承磁悬浮轴承的研究是国外非常活跃的研究方向，典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(amb)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等场合。目前磁力轴承的速度已达80000转分，转子直径可达12米，最大承载力为10吨。我国在这方面研究起步较晚113-151。1980年清华大学开始定性研究，1986年哈尔滨工业大学开始研制五维主动式磁力轴承，并获国家自然科学基金资助，1990年成功地实现了静、动态稳定悬浮。目前国内还没有一个实际应用的例子，原因是磁力轴承是集多学科为一体的高科技产品，有许多理论和技术问题尚待解决。3、高速磁悬浮电机高速磁悬浮电机(bearing less motors)是近年提出的一个新研究方向10all，它集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自悬浮和驱动能力，不需要任何独立的轴承支撑，且具有体积小、临界转速高等特点，更适合于超高速运行的场合，也适合小型乃至超小型结构。国外自90年代中期开始对其进行了研究，相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种结构。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单，成本低，可靠性高，气隙均匀，易于弱磁升速，是最有前途的方案之一。传统的电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接，在转子运动过程中存在机械摩擦，增加了转子的摩擦阻力，使得运动部件磨损，产生机械振动和噪声，使运动部件发热，润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场问“同性相斥，异性相吸”的原理使转子悬浮起来，同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视，并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域，现在国外已研制成功的离心式和振动式磁：悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝ifil和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅为解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，而且为人类延续生命具有深远意义。 在我国，磁悬浮技术的研究是从80年代初开始的，目前己掌握了磁悬浮列车技术。进行高速磁悬浮列车这类课题的研究耗资巨大，在目前国内情况下不能采取国外以试验为主的研究方法，主要从理论上进行研究，在此基础上进行模拟实验，为我国实际应用磁悬浮技术提供理沦依据。进行磁悬浮其它应用技术的研究，可以实现学科间的交叉、渗透，推动磁悬浮高技术产品的开发与应用，因此具有十分重要的理论意义和现实意义。磁悬浮控制方法及发展趋势 在磁悬浮的许多实际应用中，都要求磁悬浮系统的悬浮气隙有较大的工作范围。但由于磁悬浮力电流气隙之间的非线性特性，系统模型开环不稳定。至少需要输出反馈进行闭坏控制，才能够实现稳定悬浮。为了设计一个性能良好的悬浮控制器，基于磁悬浮系统的稳定性控制问题受到了广泛而又深入的研究。 传统工业控制中多采用成熟的pid控制调节器，其中比例环节可以加快系统反应速度，积分环节可以消除静差，调节系统刚度；微分环节可以调节系统阻尼特性，改善系统的动态品质。pid调节器结构简单，调节方便，应用成熟。但是在高精度的磁悬浮技术场合，工况的复杂性和磁场本身的非线性使得传统pid控制器难以满足工程需要。对磁悬浮模型的稳定控制通常是将非线性磁悬浮模型在平衡点附近进行泰勒展开，忽略高阶项以后，便得到一阶线性化模型。这种线性化模型在磁悬浮控制中得到了广泛应用，并已在工程上验证了它的实用价值，但使用这种线性化方法设计的控制策略也有其局限性。由于线性化模型是在平衡点附近得到的，当系统的平衡点改变时，系统的动态特性会显著改变，控制策略将迅速恶化，影响系统稳定。此时，线性控制律往往不能满足系统稳定性的要求。为此需要更加先进的控制方法。 近年来，随着工业水平的提高，很多先进控制方法涌现于自动化领域。l、智能控制智能控制方法是指基于在线学习和辨识的控制方法，如模糊控制、神经网络控制等，此类方法的特点是被控系统可当作“黑箱来处理，不需要任何有关的先验知识，控制器可根据输出响应来学习系统特性并根据需要对控制参数实施在线调节。此类方法的优点是能够克服磁浮非线性和外界干扰给系统造成的影响。然而，智能控制系统本身具有复杂性，尚处于实验研究阶段，并未得到成熟的工程运用。2、系统辨识系统就是利用系统观测到的信息，构造系统的数学模型的理论和方法。它涉及到的理论基础相当广泛，对于单变量线性系统，已经有一系列成功的理论和辨识方法，多变量系统中的研究还尚未成熟。然而，在单变量系统中与传统的控制方法相比并没有明显的优势。3、鲁棒控制鲁棒控制的基本原理是选择合适的控制规律使闭环系统稳定，并且对模型摄动和外界干扰有很好的抑制能力，不依赖于系统精确的数学模型。目前很受关注的鲁棒控制方法有h控制，变结构控制，自适应鲁棒控制，它可以避免磁：悬浮系统中的建模误差这一缺点，应用己只益成熟。4、非线性控制非线性控制是复杂控制系统理论中一个熏要的基本问题，也是控制领域的一个难点，很多复杂控制对象的运动是大范围的或系统本质上属于非线性系统，不能用线性系统来描述，只能用非线性微分方程来描述，用几何方法描述非线性控制系统在某些工程应用中取得了很大的成功。直接应用非线性控制理论对非线性系统进行鲁棒控制的一种很好方法是耗散方法。耗散理论提出了一种控制系统设计与分析的思想，它从能量的角度来描述系统的输入输出。耗散理论可以把一些数学工具与物理现象联系起来，适用于很多控制问题，在机电系统，机器人等控制应用方面和自适应控制，非线性以控制等控制方法方面，已经证实了耗散是一种有效的方法。 随着控制方法的进步和系统要求的提高，控制手段应该在满足需求的同时，向提高系统稳定性、可靠性和经济性的方向发展，磁悬浮系统中先进控制方法的研究无疑成为磁悬浮领域中的一个热点。第1 章 磁悬浮系统的结构1.1 系统组成本设计所使用的磁悬浮实验装置由电磁铁、接近开关、功放模块、ad/da转换模块、显示模块和被控对象(钢球)等元器件组成，其结构简单，实验控制效果直观明了，极富有趣味性。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。此系统可以分为磁悬浮实验本体、及由ad/da采集和单片机机组成的控制平台等三大部分。系统组成主要由所需设计的pid控制器，以电磁铁为执行器，小球位置传感器和被控对象钢球组成，系统框图如图1所示。图1 磁悬浮控制系统框图1.2 磁悬浮实验本体电磁铁绕组中通以一定的电流或者加上一定的电压会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流或者绕组两端的电压，使之产生的电磁力与钢球的重量相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平衡状态是一种不稳定平衡。此系统是一开环不稳定系统。主要有以下几个部分组成：控制器、电磁铁、传感器、电源、悬浮体。磁悬浮实验本体见图2图2 磁悬浮实验本体1.3 磁悬浮系统的工作原理磁悬浮控制系统由铁心、线圈、光位移传感器、控制器、功率放大器和被控对象(钢球)等元器件组成。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统开环结构如图4所示。电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重力相平衡，钢球就可以悬浮于空中而处于平衡状态。但是这种平衡是一种不稳定平衡，这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力的大小与它们之间的距离成反比，只要平衡状态稍微受到扰动(如：加在电磁铁线圈上的电压产生脉动、周围的振动、风等)，就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住，因此必须对系统实现闭环控制。由电涡流位移传感器检测钢球与电磁铁之间的距离变化，当钢球受到扰动下降，钢球与电磁铁之间的距离增大，传感器输出电压增大，经控制器计算、功率放大器放大处理后，使电磁铁绕组中的控制电流相应增大，电磁力增大，钢球被吸回平衡位置，反之亦然。 第2章磁悬浮小球软件设计2.1整个程序组成整个系统要实现以下功能：位置传感器检测小球的位移（电压）信号，位移信号通过lcd12864显示，同时ad/da芯片pcf8591将位移信号读进其中的一路ad中，转化而来的数字信号送入单片机，并通过pid算法比较计算出执行器（电磁铁）应该的变化量（数字量），然后这些变化量送入da入口，然后da出口的模拟量值经过功率放大器放大之后给执行器，从而实现一个闭环自动控制。整个程序流程图如下：定义全局变量总线启动 系统复位主程序主循环调用延迟程序调用总线程序pid数模模数显示2.2显示程序模块 显示模块用的是一块lcd12864，目的是将反馈回来的信息以及执行器执行的信息显示。相关程序流程图如下： 功能设定初始化指针指向数组首地址关显示指令清屏写数据程序写数据关显示指令 清屏 图4初始化子程序流程图图 3 lcd显示主程序流程图读状态指令设置rs和 r/w状态 使能判忙使能有效 把p10设置状态为读入送数据指令关闭使能信号 使能信号开 判断屏幕是否忙使能信号关是写数据指令循环等待 图 6 送数据子程序流程图将数据写入p10口 使能信号关闭图5 写指令子程序流程图 整个显示程序的流程图如下所示：开始设置io口 调用液晶开机显示程序设置液晶工作模式进入 while(1)工作循环是否有按键按下否是判断按键功能lcd显示2.3 ad/da转换模块此模块用到的硬件为一个pcf8591芯片，pcf8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit cmos数据获取器件。pcf8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行i2c总线接口。pcf8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、4路8-bit模数转换和1路8-bit数模转换。2.3.1 ad转换芯片中的4路ad中只用1路用来信息采集，其余3路用来连接手动pid控制，其对应程序流程图如下： 开始pcf8591开始通道0采样等待a/d转换结果显示采样值 2.3.2 da转换芯片中有1路da，主要是将pid运算而来的数字量转化后给执行器，其程序流程图如下： 开始启动pcf8591输入数字量输出对应模拟量数据给执行器2.3.3 延时模块定义变量延时模块主要用于消除干扰，常用于按键扫描等。其原理就是让单片机执行一系列空的机器周期，从而达到延时。其一般的程序流程如下所示：延时时间计算函数for 循环调用计算函数结束 此外，还有总线启动程序和总线关闭程序，用于液晶显示的控制以及pcf8591的控制。第3章 pid控制模块的设计3.1 pid控制原理 pid控制器是一种线性控制器，是比例（proportional） ，积分（integrating） ，微分（differentiation）的线性组合。pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制。pid控制的程序实现数学表达：upkp*error（k）uiuiki*error（k）udkd*（error(k)-error(k-1)）u=up+ui+ud3.2 pid控制的程序流程pid的程序流程图如下所示：开始读入a/d转换值本次偏差=期望值-采样a/d值本次偏差与上次积分符号相同否n积分=上次积分+本次偏差微分=本次偏差-上次偏差y上次积分清0调整量=偏差xkp+微分xkd+积分xki调整量赋值给执行器结束 其中，pid的三个参数kp、ki、kd,是由matlab仿真整定得到的，详细的方法，将在下一章节介绍。第4章 matlab仿真4.1 matlab作用 过程控制系统通常是对一些过程变量(温度、压力等)实现自动化。最优化设计是指通过理论和优化方法，计算机从许多的可行方案中，按目标函数的要求自动寻出最优的方案后。对设计出来的系统在各种信号和扰动作用下进行响应测试，若系统性能指标不能令人满意，则再选定控制方案，进行参数优化，直到获得满意的性能指标。借助matlab软件，结合优化设计中的单纯形法，提出一种过程控制系统pid参数最优化设计的方法。matlab语句功能强大，一条语句相当于其它高级语句的几十条以至几百条以上，书写简便。它具有丰富的图形功能，可进行性能分析，提供了许多面向应用问题求解的工具箱函数，如最优化工具箱就提供了便利函数，使系统分析与设计变得简便。matlab附带的软件simulink，是对非线性动态系统进行仿真的交互式系统，可利用方框图构建动态系统，然后采用动态仿真的方法得到结果。利用matlab可减少编程量，使优化设计变得简单。4.2 参数最优化设计方法pid 参数最优化是指比例、积分、微分调节器的kp、td、ti为何值时，使得某个目标函数达到最优，归属于多变量函数寻优。由函数导数寻优的方法(梯度法)在非线性时变系统中是不适用的，只能采用直接寻优的方法，这一类方法不必计算目标函数剃度，常用的方法有黄金分割法，单纯形法等。而单纯形法是多变量技术中常用的方法。其思想为：在n维空间中取(n+1)个点构成单纯形，比较这(n+1)个点处的目标函数值，丢弃最坏的点(即函数值最大的点)，代之以其对称点，构成新的单纯形，反复迭代来寻得函数值最小的点。在计算机仿真中，采用c 语言，fortran语言实现，算法繁琐，编程量大。故采用matlab优化工具箱中的fminsearch函数，利用simulink建立仿真模型，实现优化设计。结论图28 实时控制结果由图28可知，本次毕业设计所设计的pid控制器能对磁悬浮控制系统实现稳定的控制，并且动态性能基本达到设计要求。磁悬浮技术以其特有的优点受到广泛的研究，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域具有广泛的应用背景。对磁悬浮技术进行进一步的研究，以推动磁悬浮高技术产品的开发与应用，具有重要的理论意义和现实意义。控制器是磁悬浮系统中的重要环节，其性能与系统的稳定性及各项技术指标有着密切关系。控制器应如何设计才能使系统稳定地工作并达到预期的性能指标是研究磁悬浮系统必须解决的问题。而控制器的核心是控制算法及其实现。因此，本设计旨在研究一种磁悬浮pid控制系统。本论文的主要工作有以下：1.在分析磁悬浮系统工作原理的基础上，推导出磁悬浮系统的数学模型，分析了该系统的稳定性；2.根据自动控制理论，分析了控制器对磁悬浮系统的影响，设计出了pid控制器再用matlab软件对其进行仿真；3.对磁悬浮控制系统做了pid控制仿真研究；4.用所设计的控制器对磁悬浮控制系统进行实时控制。有关进一步研究与开发的思考：1.用单片机机控制磁悬浮系统的方法并不唯一，针对单片机机控制的磁悬浮系统，还有以下几个方面值得进一步研究；2.可以考虑更加先进的控制算法，如神经网络控制，自适用控制等，至于这些控制方法的可行性有待以后进一步研究才可得知，所以磁悬浮系统控制算法未来的发展应该更加多元化；3.本设计所采用的是matlab软件，今后也可以利用matlab的可视化图形界面设计，开发出关于这些控制算法的磁悬浮应用工具箱或者软件，方便磁悬浮技术研究人员对磁悬浮控制进行深入研究。通过本次毕业设计，我从中了解到国内外磁悬浮技术的发展状况以及存在的问题、学会了怎样从一个实际的控制系统建立起数学模型并从控制理论的角度分析该模型、也学会了pid参数现场实验仿真的整定、更加强了我分析问题和解决问题的能力。在这半年来的设计中，由于学校及指导老师的严格要求，慢慢培养了我们严谨对待知识及问题的态度，为今后的人生之路打下坚实的基础。参考文献1 胡寿松.自动控制原理m.第五版.北京：科学出版社，2007.hu shousong. automatic control theory m. fifth ed. beijing: science press, 2007.2 刘豹，唐万生.现代控制理论m.第三版.北京：机械工业出版社，2006. 954.liu bao, tang wansheng. modern control theory m. third ed. beijing: china machine press, 2006.954.3 刘金琨.先进pid控制与matlab仿真m.北京：电子工业出版社，2003.3276.liu jinkun. advanced pid control and simulation of matlab m. beijing: publishing house of electronics industry, 2003.3276.4 黄忠霖.控制系统matlab计算及仿真m北京：国防工业出版社，2001.240286.huang zhonglin. control system and simulation of matlab m. beijing: national defence industry press, 2001. 240286.5 施阳.matlab语言精要及动态仿真工具simulinkm.陕西：西北工业大学出版社，1997.125157.shi yang. essentials of matlab language and the dynamic simulation tool simulink m. shanxi: northwest industry university press, 1997. 125157.6 卢伯英，于海勋.现代控制工程m.第四版.北京：电子工业出版社，2007.985.lu boying, yu haixun. modern control engineering m. fourth ed. beijing: publishing house of electronics industry, 2007.985.7 赫培峰.计算机仿真技术m.北京：机械工业出版社，2009.2228.he peifengcomputer simulation technology m. beijing: china machine press, 2009.2228.8 薛定宇反馈控制系统设计与分析 m.北京：清华大学出版社，2000. 120131.xue 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*s);void lcd_init(void);unsigned char readadc(unsigned char chl);bit writedac(unsigned char dat);void delayus2x(unsigned char t);void delayms(unsigned char t);/string voltage_pid(int u); /pid算法 typedef struct pid double setpoint; / 设定目标 desired value double proportion; / 比例常数 proportional const double integral; / 积分常数 integral const double derivative; / 微分常数 derivative const double lasterror; / error-1 double preverror; / error-2 double sumerror; / sums of errors pid;void pidinit (pid *pp) memset ( pp,0,sizeof(pid);/定义pid参数 /*=pid计算部分=*/double pidcalc( pid *pp, double nextpoint ) double derror, error; error = pp-setpoint - nextpoint; / 偏差 pp-sumerror += error; / 积分 derror = pp-lasterror - pp-preverror; / 当前微分 pp-preverror = pp-lasterror; pp-lasterror = error; return (pp-proportion * error / 比例项 + pp-integral * pp-sumerror / 积分项 + pp-derivative * derror / 微分项 );/*=initialize pid structure=*/double ensors (void) / dummy sensor function return 100.0;void actuator(double rdelta) / dummy actuator function sbit rs = p24; /定义端口 sbit rw = p25;sbit en = p26;#define rs_clr rs=0 #define rs_set rs=1#define rw_clr rw=0 #define rw_set rw=1 #define en_clr en=0#define en_set en=1/#define dataport p0bit ack;unsigned char readadc(unsigned char chl);bit writedac(unsigned char dat);extern bit ack;unsigned char readadc(unsigned char chl);bit writedac(unsigned char dat);/*- 主程序-*/main() /unsigned char num=0; /init_timer0(); unsigned char num=0,i; unsigned char temp7;/定义显示区域临时存储数组 float voltage; /定义浮点变量 lcd_init(); /初始化液晶 delayms(20); /延时有助于稳定 lcd_clear(); /清屏 pid spid; / pid control structure double rout; / pid response (output) double rin; / pid feedback (input) pidinit ( &spid ); / initialize structure spid.proportion = 0