微分先行PID控制系统设计

扬州高校能源与动力工程学院课程设计报告题目：微分先行PID限制系统设计课程：计算机限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

第一部分任务书

《计算机限制技术》课程设计任务书一、课题名称数字PID限制系统设计二、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，它对帮助学生全面坚固地驾驭课堂教学内容、培育学生的实践和实际动手实力、提高学生全面素养具有很重要的意义。《计算机限制技术》是一门好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。计算机限制技术的课程设计是一个综合运用学问的过程，它须要限制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的学问融合。通过课程设计，加深对学生限制算法设计的相识，学会限制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机限制系统的实际组成，驾驭计算机限制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机限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限制系统。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.限制算法：微分先行的PID限制算法。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限制程序等。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.被控对象每个同学选择不同：3.PID参数整定，依据状况可用扩充临界比例度法，扩充响应曲线法。4.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，由试验结果确定。5.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《计算机限制试验指导书》的相关内容。五、课程设计试验结果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%，调整时间尽量短。六、进度支配序号内容天数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熟识试验箱及C语言开发环境，研读范例程序，14限制算法设计15软件编程，调试16试验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，设计报告详细内容要求如下：1．课程设计的目和设计的任务。2．课程设计的要求。3．限制系统总框图及系统工作原理。4．限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．试验结果及其分析。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限制算法设计...............................................................................................................................95软件编程设计5.1设计流程图.............................................................................................................................105.2程序.........................................................................................................................................116试验结果与分析..........................................................................................................................157小结与体会.....................................................................................................................................17参考文献................................................................................................................................................181课题简介1.1课题名称微分先行PID限制系统设计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，它对帮助学生全面坚固地驾驭课堂教学内容、培育学生的实践和实际动手实力、提高学生全面素养具有很重要的意义。《计算机限制技术》是一门好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。计算机限制技术的课程设计是一个综合运用学问的过程，它须要限制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的学问融合。通过课程设计，加深对学生限制算法设计的相识，学会限制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机限制系统的实际组成，驾驭计算机限制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机限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限制系统。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.限制算法：PID限制加史密斯预估限制。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限制加史密斯预估限制程序。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）。2.被控对象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限制器用凑试法整定。５.滤波方法可选择平均值法，中值法等。2微分先行PID限制方案设计2.1设计步骤1、进行硬件设计，依据Ｇ（Ｚ）改造被控对象2、进行微分先行限制算法计算3、读范例程序，画出流程图，进行修改4、连线，调试试验结果2.2限制系统总框图及系统工作原理图１系统框图采样y(t)计算计算进行PI计算u(k)输出u(k)微分先行PID原理：它和标准PID限制的不同之处在于，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。这样就可避开给定值的升降给限制系统带来冲击。3微分先行PID限制硬件电路设计3.1被控对象设计被控对象由运放和电阻电容组成，如图２所示。其中，R1=100K,C1=2Uf,R2=20KR3=100K,C2=4Uf,R4=200K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限制限制算法设计其中而yd（k）可通过双线性变换法得到，过程如下………………①由①式变型、整理得………②将上式k变换得到………③5微分先行PID限制软件编程设计5.1设计流程图图４设计流程图5.2程序/*****************************************文件名：PID.C功能描述：实现数字PID调整器的功能。*****************************************/#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<math.h>/*****************************************宏定义*****************************************/#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineADCXBYTE[0x0600] //定义模数转换IO地址#defineDAC_1XBYTE[0x0640] //定义D/A第一路的IO地址#defineDAC_2XBYTE[0x0641] //定义D/A其次路的IO地址/*****************************************全局变量定义*****************************************/sbitstr=P1^7; //定义A/D启动信号sbitDIN0=P1^0; //声明同步信号sbitstr0=P1^4; //声明ADC信号uintdatatime; //声明变量，用于定时uchardatat0_h,t0_l; //用于存储定时器0的初值charTK=5; //声明采样周期变量,//采样周期＝TK*10mscharTC; //TK的变量floatT=0.05;floatkp=0.9; //比例系数uintti=500; //积分系数floattd=8; //微分系数charIBAND=126; //积分分别值floatV=1.1;charEK; //当前采样的偏差值charYK;charYK_1;charYDK;charYDK_1;charRK;charEK_1; //上一次采样的偏差值charAEK; //偏差的改变量charUK; //当前时刻的D/A输出floatZEK;/*****************************************主函数*****************************************/voidmain(void){ TMOD=0x01; time=10; //定时10ms t0_h=(65536-1000*time)/256; //计算定时器0初值 t0_l=(65536-1000*time)%256; t0_l=t0_l+70; //修正因初值重装而引起的定时误差 TH0=t0_h; TL0=t0_l; IT1=1; //边沿触发中断 EX1=1; //开外部中断1 ET0=1; //开定时中断0 TR0=1; //启动定时器 TC=1; DAC_1=0x80; //D/A清零 EK=EK_1=0; //变量清零 AEK=UK=0; ZEK=0; str=1; str0=1; EA =1; //开总中断 while(1);}/**********************************************函数名：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; //读取输入前，先输出高电平 if(DIN0) //判同步信号到否 { YK=YK_1=0;YDK=YDK_1=0; EK=EK_1=0; //变量清零 UK=AEK=0; ZEK=0; DAC_1=0x80; //D/A输出零 DAC_2=0x80; //D/A输出零 TC=1; } else{ TC--; //判采样周期到否 if(TC==0) { RK=ADC-128; //采样当前的偏差值，并计算偏差的改变量 str0=0; str=0; str=1; for(i=0;i<15;i++);YK=ADC-128; str0=1; A=(2*V*td-T)/(T+2*V*td);B=(T+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; //判积分分别值 else { ZEK=EK+ZEK; //计算积分项 I=ZEK*TK; I=I/ti; } P=EK; TEMP=(P+I)*kp; //计算比例项 if(TEMP>0) //判限制量是否溢出，溢出赋极值 { if(TEMP>=127) UK=127; else UK=(char)TEMP; } else { if(TEMP<-128) UK=-128; else UK=(char)TEMP; } DAC_1=UK+128; //D/A输出限制量 TC=TK; //采样周期变量复原 } }}/**********************************************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; //重新装入初值 TL0=t0_l; str=0; str=1; //产生A/D启动信号}6试验结果与分析①kp=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整②kp=0.8; ti=500; td=9此时，系统的响应性能得到改善，但是存在肯定静差，可以通过调整比例增益kp来减小③ kp=0.9; ti=500; td=9通过调整三个参数，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《计算机限制技术》这门课和课程设计有了一个全新的相识，也有了许多的体会和心得。《计算机限制技术》是一门好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。计算机限制技术的课程设计是一个综合运用学问的过程，它须要限制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的学问融合。通过课程设计，我对限制算法设计有了一个更深的相识，也学会了限制算法的实际应用，从整体上了解了计算机限制系统的实际组成，驾驭了计算机限制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机限制系统的理论设计和系统的整定工作打下基础。依据老师给出的支配，先进行最少拍限制算法计算，接电路，读范例程序，画出流程图，进行修改，调试试验结果。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