微分先行PID控制系统设计

1、扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题目：微分先行PID控制系统设计课程：计算机控制技术课程设计专业： 电气工程及其自动化班级：电气0703姓 名：高梁学号：071301306计算机控制技术课程设计报告第一部分任务书-1 -计算机控制技术课程设计报告计算机控制技术课程设计任务书、课题名称数字PID控制系统设计二、课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节， 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重 要的意义。计算机控制技术是一门实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要

2、的地位。计算 机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知 识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解 计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控 制系统的理论设计和系统的整定工作打下基础。三、课程设计内容设计以89C51单片机、ADC、DAC等电路和运放电路组成的被控对象构成的单闭环反馈控制系统。1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路 ADC0809和模出电路TLC7528 ;由运放构成的被控对 象。2. 控制算法：微分先行的

3、PID控制算法。3. 软件设计：主程序、定时中断程序、A/D转换程序、滤波程序、D/A输出程序、PID控制程序等。四、课程设计要求1.模入电路能接受双极性电压输入（-5V+5V)，模出电路能输出双极性电压（-5V+5V ）。-2 -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告2. 被控对象每个同学选择不同:G(沪五TT)5G(S)-(0.8s 1)(0.3s 1)'-54G(s)：s(0.8s 十1)5G(S) (s 1)(0.8s 1)，8G(s) _ (0.8s 1)(0.2s 1)- 10Gs(0.8s 1)(0.4s 仃G(s) (s 1)(0.4s 1)8G(

4、s) " s(0.4s 1)(0.5s 1)-# -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告3. PID参数整定，根据情况可用扩充临界比例度法，扩充响应曲线法。定时中断可在10-50ms中选取，采样周期取采样中断的整数倍，可取30-150ms，由实验结果确定。-# -计算机控制技术课程设计报告4. 滤波方法可选择平均值法，中值法等。有关的设计要求可参考计算机控制实验指导书的相关内容。五、课程设计实验结果1. 系统正确运行2. 正确整定PID参数后，系统阶跃响应超调 <10%，调节时间尽量短。六、进度安排序号内容天数1布置任务，查阅资料0.52总体方案确定，硬

5、件电路设计1.53熟悉实验箱及 C语言开发环境，研读范例程序，14控制算法设计15软件编程，调试16实验17总结，撰写课程设计报告1七、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1 课程设计的目和设计的任务。2 课程设计的要求。3 控制系统总框图及系统工作原理。4 控制系统的硬件电路连接图（含被控对象），电路的原理。5 软件设计流程图及其说明。6电路设计，软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。7 实验结果及其分析。8体会。-3 -计算机控制技术课程设计报告第二部分课 程 设 计 报 告-4 -计算机控制技术课程设计报告目 录1课题简介1.1课程名称 61.2课

6、程设计目的 61.3课程设计内容 61.4课程设计要求 62方案设计2.1设计步骤 72.1系统流程图及工作原理 73硬件电路设计3.1被控对象设计 83.2硬件电路图 84控制算法设计95软件编程设计5.1设计流程图 105.2程序 116实验结果与分析 157小结与体会 17参考文献 18-5 -计算机控制技术课程设计报告1课题简介1.1课题名称微分先行PID控制系统设计1.2课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节， 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重 要的意义。计算机

7、控制技术是一门实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算 机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知 识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解 计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控 制系统的理论设计和系统的整定工作打下基础。1.3课程设计内容设计以89C51单片机、ADC、DAC等电路和运放电路组成的被控对象构成单闭环反馈控制系统。1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路 ADC0809和模出电路T

8、LC7528 ;由运放构成的被控对 象。2. 控制算法：PID控制加史密斯预估控制。3. 软件设计：主程序、定时中断程序、A/D转换程序、滤波程序、D/A输出程序、PID控制加史密斯预估控制程序。1.4课程设计要求1. 模入电路能接受双极性电压输入(-5V+5V)，模出电路能输出双极性电压(-5V+5V )。、 102. 被控对象G(s)：(0.8s+1)(0.2s + 1)3 .定时中断间隔可在10-20ms中选取，采样周期 T取采样中断间隔的整数倍，可取30-50ms。4 . PID控制器用凑试法整定。5 .滤波方法可选择平均值法，中值法等。2微分先行PID控制方案设计2.1设计步骤1、进

9、行硬件设计，根据G(Z )改造被控对象2 、进行微分先行控制算法计算3、读范例程序，画出流程图，进行修改4、连线，调试实验结果2.2控制系统总框图及系统工作原理图1系统框图(1) 采样 y(t)(2) 计算 y°(k)(3) 计算 e(k) =y(k) - yD(k)(4) 进行PI计算u(k)(5) 输出 u(k)微分先行PID原理：它和标准PID控制的不同之处在于，只对被控量y (t)微分，不对偏差e (t)微分，也就是说对给定无微分作用。这样就可避免给定值的升降给控制系统带来冲击。3微分先行PID控制硬件电路设计3.1被控对象设计5被控对象G(s)由运放和电阻电容组成，如图2所

10、示。(0.8s+1)(0.2s+1)其中，R1=100K , C1=2Uf,R2=20KR3=100K , C2=4Uf ,R4=200K-8 -计算机控制技术课程设计报告-9 -计算机控制技术课程设计报告2uF4uF图2被控对象电路图3.2硬件电路连接图图3硬件电路连线图-# -计算机控制技术课程设计报告4微分先行PID控制控制算法设计T ku(k)二 Kpe(k)e(i)TIi丄其中e(k) =r(k) -yd(k)而yd (k)可通过双线性变换法得到，过程如下T +2Td 丄 T 2Td zYd(Z) 1 TdST 2 Td T 2 Td丫(Z)TdSS2z/1 t2 TdzjD s 亍

11、T +2?Td由式变型、整理得Yd(Z)2 Td -TT 2 TdZ 祝(z)咼丫(Z)咼ZY(Z)-10 -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告将上式k变换得到yd (k)2 Td -TT 2Tdyd(k-1)T 2TdT 2 Tdy(k) T 一2®T+2%y(k -1)-# -计算机控制技术课程设计报告5微分先行PID控制软件编程设计5.1设计流程图主程序采样中断服务程序图4设计流程图-12 -计算机控制技术课程设计报告5.2程序-13 -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告/定义模数转换10地址

12、/定义D/A第一路的10地址/定义D/A第二路的10地址/定义A/D启动信号/声明同步信号/ 声明 ADC信号/声明变量，用于定时/用于存储定时器0的初值/声明采样周期变量，/采样周期=TK*10ms/TK的变量/比例系数/积分系数/微分系数/积分分离值/当前采样的偏差值/上一次采样的偏差值/偏差的变化量/当前时刻的D/A输出文件名：PID.C功能描述：实现数字 PID调节器的功能。* #in elude <reg51.h>#in elude <absacc.h>#in elude <math.h>/*宏定义*/#defi ne uehar un sig n

13、ed char#defi ne uint un sig ned int#defi ne ADC XBYTE0x0600#defi ne DAC_1 XBYTE0x0640#defi ne DAC_2 XBYTE0x0641/*全局变量定义*/sbit str = P1A7;sbit DIN0 = P1A0；sbit str0 = P1A4;uint data time;uehar data tO_h,tO_l;char TK = 5;ehar TC;float T=0.05;float kp = 0.9;uint ti = 500;float td =8;ehar IBAND = 126;fl

14、oat V=1.1;ehar EK;ehar YK;ehar YK_1;ehar YDK;ehar YDK_1;ehar RK;ehar EK_1;ehar AEK;ehar UK;float ZEK;*-# -计算机控制技术课程设计报告主函数*/void mai n(void)/定时10ms计算定时器0初值/修正因初值重装而引起的定时误差TMOD = 0x01;time = 10;t0_h = (65536 - 1000 * time) / 256; / t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;t0=t0_l + 70;TH0 = t0_h;/边沿触发中断/开外

15、部中断1/开定时中断0/启动定时器TL0 = t0_l;IT1 = 1;EX1 = 1;ET0 = 1;TR0 = 1;TC = 1;DAC_ 仁 0x80;EK = EK_1 = 0;AEK = UK = 0;ZEK = 0;str = 1; str0=1;EA = 1; while(1);/D/A清零/变量清零/开总中断-14 -计算机控制技术课程设计报告/*函数名：INT1功能：1号外部中断服务程序参数 ：无*返回值：无*void in t1() in terrupt 2 using 2float P,A,B,C,I,TEMP;int i;/读取输入前，先输出高电平/判同步信号到否DIN

16、0 = 1;if(DIN0)YK=YK_ 仁0;YDK=YDK_1=0;/变量清零EK = EK_1 = 0;-15 -计算机控制技术课程设计报告-16 -计算机控制技术课程设计报告UK = AEK =0;ZEK = 0;DAC_1 = 0x80;DAC_2 = 0x80;TC=1;elseTC-;if(TC = 0)RK = ADC - 128;str0=0;str=0;str=1;for(i=0;i<15;i+);YK=ADC-128;D/A输出零D/A输出零/判采样周期到否/采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量str0=1;A=(2*V*td-T)/(T+2*V*td);B=(T+

17、2*td)/(T+2*V*td);C=(T-2*td)/(T+2*V*td);YDK=A*YDK_1+B*YK+C*YK_1;EK=RK-YDK;if(abs(EK)> IBAND) I = 0; elseZEK = EK + ZEK;I= ZEK * TK;I= I / ti;/判积分分离值/计算积分项P = EK;TEMP = (P + I ) * kp; if(TEMP > 0)/计算比例项/判控制量是否溢出，溢出赋极值if(TEMP >= 127)UK = 127;-17 -计算机控制技术课程设计报告elseUK =(char)TEMP; elseif(TEMP &l

18、t;-128)UK =-128;elseUK = (char)TEMP;DAC_1 = UK + 128;TC = TK;D/A输出控制量/采样周期变量恢复-18 -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告/*函数名：TimerO功能：定时器0中断服务程序参数 ：无返回值：无*void Timer0() in terrupt 1 using 1-# -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告TH0 = t0_h;/重新装入初值TL0 = t0_l;str = 0;-# -计算机控制技术课程设计报告str = 1;/产生A/D启动信号-19 -计算机控制技

19、术课程设计报告-20 -计算机控制技术课程设计报告6实验结果与分析|T1*T2| - 234.4 msp/1 -V2| = 512 3 mv1 ?|T1I-T2| k 4.27 Hz|V1 -V2| -512.3 mvkp = 0.8;ti = 500;td =8此时，系统响应较慢，可以通过增大微分时间常数调节T1- 234.4 ms1/fT1-T2| = 4.27Hzp/1 -V2| = 5128 mv|V1-V2| = 512.3 mv1 1-B111l> i 1=11iaiBia/i/ 厶-1 _1111ii 1l d11 /j 1 h 1i l1 i i d .ii iBj|ih

20、11-1siia1P"1i1I"l1iai-1ihi1 h d 1 i d iii 1 d 11 I 1 kd I a l i 11i i i1 b 1T: 1s/®CH1:CH2:-21 -计算机控制技术课程设计报告kp来减小kp = 0.8;ti = 500;td=9此时，系统的响应性能得到改善，但是存在一定静差，可以通过调节比例增益-22 -计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告|T1 *T2| = 234.4 msp/1 -V2| = 512 3 mv1 /1T1 -T2| = 4.27 Hz|V1 V2| = 512.B mv-#

21、-计算机控制技术课程设计报告-# -计算机控制技术课程设计报告kp = 0.9;ti = 500;td=9通过调节三个参数，系统性能基本达到要求7小结与体会通过这次的课程设计，我对计算机控制技术这门课和课程设计有了一个全新的认识，也有了很多的 体会和心得。计算机控制技术是一门实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算 机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知 识融合。通过课程设计，我对控制算法设计有了一个更深的认识，也学会了控制算法的实际应用，从整体上 了解了计算机控制系统的实际组成，掌握了计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事 计算机控制系统的理论设计和系统的整定工作打下基础。按照老师给出的计划，先进行最少拍控制算法计算，接电路，读范例程序，画出流程图，进行修改，调 试实验结果。思路很清晰，目标很明确。在设计的过程中虽然遇到问题，难免会遇到过各种各样的问题，同 时在设计的过程中发现了自己的不足之处，计算容易出错，软件使用不熟练，但我们几个小组同心协力、分 工协作、互相探讨，保证了结果的正确性。作为工科专业的一名学生，对于动手能力有很大的要求。因此我们需要珍惜每次做实验的机会，尽可能 的提高自己的实践操作技能。也要利用各种机会，以及创造实践的机会，不断充实自己，为自己的将来增加 更多