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：学1301306第一部分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

2、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

3、、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）。3 .被控对象每个同学选择不同:G(s)=G(s):s(0.2s1)5G(s)=(0.8s1)(0.3s1)5G(s)=,(s1)(0.8s1)G(s)=s(0.8s1)(0.4s1)G(s)=G(s)=G(s)=s(0.8s1)5(0.8s1)(0.2s1)10(s1)(0.4s1)8s(0.4s1)(0.5s1)4 .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。5 .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30-150m

4、s,由实验结果确定。6 .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

5、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。第二部分课程设计报告目录1课题简介1.1 课程名称61.2 课程设af目的61.3 课程设方f内容61.4 课程设方f要求62方案设计1 设计步骤71 系统流程图及工作原理73硬件电路设计被控对象设计8硬件电路图84控制算法设计95软件编程设计设计流程图10程序116实验结果与分析157小结与体会17参考文献181课题简介课题名称微分先行PID控制系统设计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

6、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。课程设计内容设计以89C51单片机、ADC、DAC等电路和运放

7、电路组成的被控对象构成单闭环反馈控制系统。.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。.控制算法：PID控制加史密斯预估控制。.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.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.被控对象G（s）=10(0.8s1)(0.2s1)30-50ms。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.PID控制器用凑试法整定。.滤波方法可选择

8、平均值法，中值法等。2微分先行PID控制方案设计设计步骤1、进行硬件设计，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yD(k)(3)计算e(k)=y(k)yD(k)(4)进彳TPI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r(t)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控制硬件电路设计被控对象设计5被控对象G(s)=由运放和电阻

9、电容组成，如图2所示。(0.8s1)(0.2s1)其中，R1=100K,C1=2Uf,R2=20KR3=100K,C2=4Uf,R4=200K2uF4uF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4微分先行PID控制控制算法设计T.ku(k)=Kpe(k)%e(i)T|t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T2TdT-2TdZjYd(Z)_1+TDS_T+2TdT+27TdY一1TdSs2z/1T-2TdzDs刀T2Td由式变型、整理得Yd(Z)2Td-TT2TdZ九(z)=Y(Z)母”将上式k变换得到yd(k)2Td-TT2Tdyd(k

10、-1)T2TdT2TdT2Tcy(k)TDy(k-1)T2Td5.1设计流程图5微分先行PID控制软件编程设计主程序采样中断服务程序图4设计流程图5.2程序/*文件名：PID.C功能描述：实现数字PID调节器的功能。*/#include#include#include/*宏定义*/#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineADCXBYTE0x0600#defineDAC_1XBYTE0x0640#defineDAC_2XBYTE0x0641/*全局变量定义*/定义模数转换IO地址/定义D/A第一路的IO地址/定义D/A第二路的IO

11、地址sbitstr=P1A7;sbitDIN0=P1A0；sbitstr0=P1A4;uintdatatime;uchardatat0_h,t0_l;charTK=5;charTC;/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/上一次采样的偏差值/偏差的变化量/当前时刻的D/A输出floatT=0.05;floatkp=0.9;uintti=500;floattd=8;charIBAND=126;floatV=1.1;charEK;charYK;charYK_1;charYDK;char

12、YDK_1;charRK;charEK_1;charAEK;charUK;floatZEK;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/*主函数*/voidmain(void)(TMOD=0x01;time=10;t0_h=(65536-1000*time)/256;/t0_l=(65536-1000*time)%256;t0_l=t0_l+70;TH0=t0_h;TL0=t0_l;IT1=1;EX1=1;ET0=1;TR0=1;TC=1;DAC_1=0x80;EK=EK_1=0;AEK=UK=0;ZEK=0;str=1;str0=1;EA=1;while(1);)/*函数名：

13、INT1功能：1号外部中断服务程序参数：无*返回值：无*/voidint1()interrupt2using2(floatP,A,B,C,I,TEMP;inti;DIN0=1;if(DIN0)(YK=YK_1=0;YDK=YDK_1=0;EK=EK1=0;/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/边沿触发中断/开外部中断1/开定时中断0/启动定时器/D/A清零/变量清零/开总中断/读取输入前，先输出高电平/判同步信号到否/变量清零/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UK=AEK=0;ZEK=0;DAC_1=0x80;DAC_2=

14、0x80;TC=1;)else(TC-;if(TC=0)(RK=ADC-128;str0=0;str=0;str=1;for(i=0;iIBAND)I=0;else(ZEK=EK+ZEK;I=ZEK*TK;I=I/ti;)P=EK;TEMP=(P+I)*kp;if(TEMP0)(if(TEMP=127)UK=127;/判积分分离值计算积分项计算比例项/判控制量是否溢出，溢出赋极值/D/A输出控制量/采样周期变量恢复/重新装入初值/产生A/D启动信号elseUK=(char)TEMP;)else(if(TEMP-128)UK=-128;elseUK=(char)TEMP;)DAC_1=UK+12

15、8;TC=TK;)/*函数名：Timer0功能：定时器0中断服务程序参数：无返回值：无*/voidTimer0()interrupt1using1(TH0=t0_h;TL0=t0_l;str=0;str=1;)6实验结果与分析|T1*T2|234.4msp/1-V2|=5123mvkp=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-/1/-?/j1hIil1iid.iiii1d11I1k1hd1idiidIali11iiiri1h1!-I71421=234.4ms1T0=427Hlp/1-V2|=512.8mv|7182|=5伍8rwT:1s席CH1:1喀kp

16、=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kp来减小V1-V2|=512-8mv_-T-/,-1ii-1d1.11i1/.iid1Ji1hihdiid.iiii1J111hIhl1lid1diaIi1d1Iti1kJ-；-|1CH2:T:1s席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

17、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，

18、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祛码，短短一周的课程设计，使我明白了合作的重要性和力量，我还要加强自己的动手能力，我为将来走入社会做准备。同时我也发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，我深深体会到干任何事情都必须耐心、细致，充满信心。我懂得了不管做什么一定要养成一种高度负责、认真对待的态度。这次的课程设计也使我认识到任何课程的学习都需要理论结合实际，这样才能更好地掌握所学的知识并将它很好地应用于实践中。同时，在实践过程中，可以通过查找资料、分析资料和请教老师和同学，使一些不清楚的问题得以解决，这样的话，可以起到事半功倍的效果。当然，最关键的还是靠自己亲自去思考问题、解决问题，掌握独自面对各类的问题的方法。不少人抱怨在大学学不到东西，我不这样认为。我觉得无论是学习还是生活中，只有自己真正用心去学习和参与才可能有收获，这也算是本次课程设计给我的知识之外的一点小小的感悟吧。总之，本次课程设计收获确实良多，和珍惜这种能