1、揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院課程設(shè)計報告題 目： 數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計（I） 課 程： 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 第 一 部 分任務(wù)書計算機控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計（I）二、課程設(shè)計目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計算機控制技術(shù)是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運用知

2、識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計、硬件電路設(shè)計等方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計的認(rèn)識，學(xué)會控制算法的實際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，編程調(diào)試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運放等）；由運放實現(xiàn)的被控對象。2. 控制算法：增量型的PID控制。3. 控制算法仿真：在s

3、imulink中建立系統(tǒng)仿真圖，編寫S-function, 對算法進行仿真。四、課程設(shè)計要求1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3. 每個同學(xué)選擇不同的被控對象： 4. PID參數(shù)整定，根據(jù)情況可用擴充臨界比例度法，擴充響應(yīng)曲線法等。5. 對象輸出端加上擾動：擾動可選擇小幅度正弦信號、小幅度階躍信號、小幅度的脈沖信號。擾動的出現(xiàn)時刻選擇在系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后的適當(dāng)時刻。6. 對采樣信號加上濾波算法。算法可選擇滑動平均值法，復(fù)合濾波，慣性濾波等。7. simulink仿真采用ode4定步

4、長，仿真步長可取0.1-1ms。采樣周期可取20-100ms，由實驗結(jié)果確定。8. S-function的函數(shù)名由各人姓名拼音縮寫+學(xué)號后3位數(shù)組成。五、課程設(shè)計實驗結(jié)果1. 控制系統(tǒng)能正確運行。2. 正確整定PID參數(shù)后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)<10%，調(diào)節(jié)時間盡量短。六、進度安排序號內(nèi)容天數(shù)1布置任務(wù)，熟悉課題要求0.52總體方案確定，硬件電路設(shè)計1.53學(xué)習(xí)matlab及simulink的使用，研讀范例程序14控制算法設(shè)計15Simulink編程，調(diào)試16實驗17總結(jié)，撰寫課程設(shè)計報告1七、課程設(shè)計報告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計過程，寫出設(shè)計報告，設(shè)計報告具體內(nèi)容要求如下：1課程設(shè)計的目的和設(shè)計的任

5、務(wù)。2課程設(shè)計的要求。3控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。4控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖（含被控對象），電路的原理。 5控制算法及其原理。6. Simulink仿真圖及S-function的算法實現(xiàn)說明。7實驗結(jié)果及其分析。8電路設(shè)計、仿真調(diào)試中遇到的問題及解決方法。9體會。第 二 部 分課程設(shè)計報告目 錄1 課題簡介61.1 課程設(shè)計的目的61.2 課題任務(wù)和要求62 數(shù)字PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計62.1 控制系統(tǒng)總體介紹62.2 系統(tǒng)閉環(huán)工作原理73 數(shù)字PID控制硬件電路設(shè)計73.1 A/D轉(zhuǎn)換單元73.2 D/A轉(zhuǎn)換單元83.3 被控對象的實現(xiàn)84 數(shù)字PID控制算法設(shè)計94.1 數(shù)字PID增量

6、型控制算法94.2 采樣周期的選擇95 數(shù)字PID控制Simulink仿真設(shè)計105.1 主程序設(shè)計105.2 定時中斷程序設(shè)計105.3 外部中斷程序設(shè)計115.4 濾波程序設(shè)計126實驗與結(jié)果分析126.1 湊試法確定PID參數(shù)126.2 實驗結(jié)果分析147 小結(jié)與體會14參考文獻151 課題簡介1.1 課程設(shè)計的目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計、硬件電

7、路設(shè)計等方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計的認(rèn)識，學(xué)會控制算法的實際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，編程調(diào)試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。1.2 課題任務(wù)和要求本課題的任務(wù)：設(shè)計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運放等）；由運放實現(xiàn)的被控對象。2. 控制算法：增量型的PID控制。3. 控制算法仿真：在simulink中建立系

8、統(tǒng)仿真圖，編寫S-function, 對算法進行仿真。本課題的要求：1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3.被控對象為： 4. PID參數(shù)整定，要求用擴充臨界比例度法。5. 定時中斷時間可在10-50ms中選取，采樣周期取定時中斷周期的整數(shù)倍，可取20-100ms，由實驗結(jié)果確定。6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。2 數(shù)字PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 控制系統(tǒng)總體介紹 該閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控對象為 數(shù)字PID控制系統(tǒng)框圖如下圖所示：圖2.1 數(shù)字PID控制系統(tǒng)方框圖 其中被控

9、對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。 首先利用模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對兩路信號（給定和輸出）進行采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后，由單片機進行計算偏差，控制器采用的是增量型數(shù)字PID控制，由比例（P）、積分（D）和微分（I）疊加而成。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號再通過PID程序進行增量型計算，輸出的信號值經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到控制信號，在D/A轉(zhuǎn)換器中利用雙運放實現(xiàn)雙極性輸出，經(jīng)過被控對象得出被控量Y。2.2 系統(tǒng)閉環(huán)工作原理由圖2.1可知，被控對象的響應(yīng)Y(t)經(jīng)采樣電路離散為Y(k)。偏差E(k)=R(k)-Y(k)，作為PID調(diào)節(jié)的輸入，經(jīng)過PID運算輸出，得到控制輸出U(k)。控制輸出U(k)經(jīng)采

10、樣保持器產(chǎn)生連續(xù)的控制輸出信號U(t)，作用于控制對象，使控制輸出值U(t)達到給定值R，消除偏差E(k)。 3 數(shù)字PID控制硬件電路設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換單元模數(shù)單元采用ADC0809芯片，主要包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分。其主要特點為：單電源供電、工作時鐘CLOCK最高可達到1200KHz、8位分辨率、8個單端模擬輸入端（IN0IN7）、TTL電平兼容等，可以很方便地和微處理器接口。 圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換單元如圖3.1，通過三端地址譯碼A、B、C多路開關(guān)可選通8路模擬輸入的任何一路進行A/D轉(zhuǎn)換。其中IN0對地接500歐電阻，構(gòu)成溫度控制實驗中的溫度傳感器專用輸入通道；IN1IN

11、5的模擬量輸入允許范圍；0V4.98v，對應(yīng)數(shù)字量00HFFH，2.5V對應(yīng)80H； IN6、IN7兩路由于接上了上拉電阻，所以模擬輸入允許范圍-5V+4.96V，對應(yīng)的數(shù)字量為00HFFH，0V對應(yīng)80H。這樣就實現(xiàn)了雙極性電壓的輸入。本課程設(shè)計中采用的ADC0809，其輸出8位數(shù)據(jù)線已連接到計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線。由于89C51外部時鐘為12 MHz，其ALE端輸出6分頻時鐘（2 MHz），再經(jīng)過D觸發(fā)器分頻得到所需的應(yīng)用時鐘1MCLK(1 MHz)，輸入CLOCK端。 在本課程設(shè)計中要求模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號，并且要雙極性電壓輸入，所以選擇ADC0809的IN

12、6、IN7兩個通道采集輸入模擬信號。 3.2 D/A轉(zhuǎn)換單元數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時間100ns，滿量程誤差1/2LSB，參考電壓-10V+10V，供電電壓+5V+15V，輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00H0FFH，80H對應(yīng)0V，輸出電壓為-5V+4.96V。本課程設(shè)計中采用的TLC7528，其輸入數(shù)字量的八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已接至控制計算機的總線上。片選線預(yù)留出待實驗中連接到相應(yīng)的I/O片選上，具體接線圖如下： 圖3.2 D/A轉(zhuǎn)換單元3.3被控對象的實現(xiàn)本課程設(shè)計中選取的被控對象為: 電

13、路如圖3.3。 圖3.3 控制對象4 數(shù)字PID控制算法設(shè)計4.1 數(shù)字PID增量型控制算法 對于連續(xù)系統(tǒng)，PID控制規(guī)律為： (4.1.1)其中，KP為比例增益，KP與比例帶成倒數(shù)關(guān)系即KP=1/，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，u(t)為控制量，e(t)為偏差。 在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分、后向差分代替微分，使模擬PID離散化為差分方程，得數(shù)字PID位置型控制算式： (4.1.2) 為了便于編寫程序，避免積分累加占用過多的存儲單元，我們需對式（4.1.2）進行改進。 由式（4.1.2）易寫出u(k-1)的表達式，

14、即 (4.1.3)將式（4.1.2）和式（4.1.3）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 (4.1.4)其中：KP稱為比例增益；KI=KPT/TI稱為積分系數(shù)；KD=KPTD/T稱為微分系數(shù)。為了編程方便，可將式（4.1.4）整理成如下形式： ()其中： ， ()最后輸出為： ()4.2 采樣周期的選擇 （1）首先，香農(nóng)采樣定理給出了采樣周期的上限。根據(jù)采樣定理，采樣周期應(yīng)滿足 T/max其中，max為被采集信號的上限角頻率。采樣周期的下限為計算機執(zhí)行程序和輸入輸出所耗的時間，系統(tǒng)的采樣周期只能在Tmax與Tmin之間選擇。 （2）其次，要綜合考慮給定值的變化頻率、被控對象的特性、執(zhí)行機構(gòu)類

15、型和控制回路等因素。 具體就本次課程設(shè)計的課題來說，一方面，給定方波的周期為1020s間可調(diào)，且控制對象時間常數(shù)接近1s，變化較慢；另一方面，A/D轉(zhuǎn)換時間在100s左右，D/A轉(zhuǎn)換時間在100ns左右，而程序執(zhí)行時間估計在100s左右。故綜合考慮上述因素，對于我的控制對象，我選擇的采樣周期為20ms。5 數(shù)字PID控制軟件編程設(shè)計5.1 主程序設(shè)計 主程序設(shè)計圖如圖5.1所示，其中兩個輸入（一個給定，一個反饋），一個輸出U。本次課程設(shè)計重點在于對控制算法的原理，控制器設(shè)計，控制算法計算機實現(xiàn)的公式推導(dǎo)，采樣周期選擇進行研究。圖5.1主程序設(shè)計圖5.2 主程序設(shè)計function sys=md

16、lOutputs(t,x,u,Kp,Ti,Td)global umax uk ek yk /uk為輸出，ek為偏差 ek(1)=u(1)-u(2); / u(1)是給定量，u(2)是輸出反饋量yk=Kp*(ek(1)-ek(2)+Ti*ek(1)+Td*(ek(1)-2*ek(2)+ek(3);/為數(shù)字PID增量型控制算式 ek(3)=ek(2); /保存偏差 ek(2)=ek(1); /保存偏差 if uk>umax uk=umax; end /當(dāng)輸出超過最大值5V，則輸出為5V，并停止 if uk<-umax uk=-umax; end /當(dāng)輸出小于最小值-5V，則輸出為-5V

17、，并停止 sys=yk;% end mdlOutputs 5.3 濾波程序設(shè)計 濾波程序主要完成輸入值的程序濾波。相對于模擬濾波 ，數(shù)字濾波有以下幾個優(yōu)點： 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好；數(shù)字濾波可以實現(xiàn)對頻率很低的信號的濾波，克服了模擬濾波的缺陷； 數(shù)字濾波可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。 由于數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點，所以數(shù)字濾波在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 在我們的課題中，我們對A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機的給定和控制響應(yīng)分別進行濾波，采用的是滑動窗口平均值濾波。其部分程序如下：char M，N; /滑動窗口大小為2M

18、=N=0; YK= (ADC_7 - 128+M)/2; /取平均值M=ADC_7 - 128; /“滑動” N=ADC_7 - 128; /取平均值RK= (ADC_7 - 128+N)/2; /“滑動”。 6實驗與結(jié)果分析6.1 湊試法確定PID參數(shù) 增大比例系數(shù)KP一般能將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會是系統(tǒng)有較大的超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。增大積分時間TI有利于減少超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。增大微分時間TD也有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。 綜上，采

19、用湊試法的整定步驟為：首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果比例調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線的靜差不滿足要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。積分時間TI由大往小調(diào)，同時略為減小比例系數(shù)KP，直到消除靜差。若得到的曲線的動態(tài)性能不滿足要求，需加入微分環(huán)節(jié)。微分系數(shù)TD初值為0，逐漸調(diào)大TD，同時相應(yīng)地改變積分時間和比例系數(shù)，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。采用上述步驟，對于我的控制對象（傳遞函數(shù)見式3.3.1），得到的參數(shù)為：KP取0.5，ti取6，td取0.05，用虛擬示波器觀察到的未加濾波程序的響應(yīng)曲線如圖6.1，加濾波程序后，響應(yīng)曲線如圖6.2

20、所示。 圖6.1未加濾波時的響應(yīng)曲線 圖6.2 加濾波時的響應(yīng)曲線 6.2 實驗結(jié)果分析 由上兩圖對比可得，加濾波后控制輸出變得平穩(wěn)了許多。相對于不加濾波時，在相同的參數(shù)（KP取0.7，ti取200，td取0）下，加濾波后的超調(diào)較小。加濾波和不加濾波的曲線的超調(diào)量都小于10%滿足要求。7 小結(jié)與體會為期一周半的計算機控制課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，這次的課程設(shè)計做的是增量型數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計。通過這次的課程設(shè)計我充分認(rèn)識到了自己的不足之處，首先是計算機控制知識儲備方面，其次是DXP，和matlab的simulink仿真方面，對于一個電路設(shè)計我們不僅要知道原理更為重要的是要知道如何設(shè)計，設(shè)計的過程是一個比原理理解過程復(fù)雜的多的一個過程，原理易懂，參數(shù)整定難，這是我對它的認(rèn)識。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電力電子技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。這次課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設(shè)計過程中，我得體會們通過這個方案包括設(shè)計了一套電路原理和連接圖，和器件上的選擇。通過此次實驗設(shè)計，使我熟悉并掌握計算機