1、揚州大學能源與動力工程學院課程設計報告題 目： 數字PID控制系統設計（I） 課 程： 計算機控制技術課程設計 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 第 一 部 分任務書計算機控制技術課程設計任務書一、課題名稱數字PID控制系統設計（I）二、課程設計目的課程設計是課程教學中的一項重要內容，是達到教學目標的重要環節，是綜合性較強的實踐教學環節，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內容、培養學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質具有很重要的意義。計算機控制技術是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環節應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知

2、識的過程，它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統的實際組成，掌握計算機控制系統的整體設計方法和設計步驟，編程調試，為從事計算機控制系統的理論設計和系統的調試工作打下基礎。三、課程設計內容設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現的被控對象構成的計算機單閉環反饋控制系統。1. 硬件電路設計：89C51最小系統加上模入電路（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中建立系統仿真圖，編寫S-function, 對算法進行仿真。四、課程設計要求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. 每個同學選擇不同的被控對象： 4. PID參數整定，根據情況可用擴充臨界比例度法，擴充響應曲線法等。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。擾動的出現時刻選擇在系統進入穩態后的適當時刻。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，由實驗結果確定。8. S-function的函數名由各人姓名拼音縮寫+學號后3位數組成。五、課程設計實驗結果1. 控制系統能正確運行。2. 正確整定PID參數后，系統階躍響應超調<10%，調節時間盡量短。六、進度安排序號內容天數1布置任務，熟悉課題要求0.52總體方案確定，硬件電路設計1.53學習matlab及simulink的使用，研讀范例程序14控制算法設計15Simulink編程，調試16實驗17總結，撰寫課程設計報告1七、課程設計報告內容：總結設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內容要求如下：1課程設計的目的和設計的任

5、務。2課程設計的要求。3控制系統總框圖及系統工作原理。4控制系統的硬件電路連接圖（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的算法實現說明。7實驗結果及其分析。8電路設計、仿真調試中遇到的問題及解決方法。9體會。第 二 部 分課程設計報告目 錄1 課題簡介61.1 課程設計的目的61.2 課題任務和要求62 數字PID控制系統方案設計62.1 控制系統總體介紹62.2 系統閉環工作原理73 數字PID控制硬件電路設計73.1 A/D轉換單元73.2 D/A轉換單元83.3 被控對象的實現84 數字PID控制算法設計94.1 數字PID增量

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

7、路設計等方面的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統的實際組成，掌握計算機控制系統的整體設計方法和設計步驟，編程調試，為從事計算機控制系統的理論設計和系統的調試工作打下基礎。1.2 課題任務和要求本課題的任務：設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現的被控對象構成的計算機單閉環反饋控制系統。1. 硬件電路設計：89C51最小系統加上模入電路（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倍，可取20-100ms，由實驗結果確定。6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。2 數字PID控制系統方案設計2.1 控制系統總體介紹 該閉環控制系統的被控對象為 數字PID控制系統框圖如下圖所示：圖2.1 數字PID控制系統方框圖 其中被控

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

10、樣保持器產生連續的控制輸出信號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 數字PID控制硬件電路設計3.1 A/D轉換單元模數單元采用ADC0809芯片，主要包括多路模擬開關和A/D轉換器兩部分。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轉換單元如圖3.1，通過三端地址譯碼A、B、C多路開關可選通8路模擬輸入的任何一路進行A/D轉換。其中IN0對地接500歐電阻，構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，對應數字量00HFFH，2.5V對應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，對應的數字量為00HFFH，0V對應80H。這樣就實現了雙極性電壓的輸入。本課程設計中采用的ADC0809，其輸出8位數據線已連接到計算機控制系統的數據線。由于89C51外部時鐘為12 MHz，其ALE端輸出6分頻時鐘（2 MHz），再經過D觸發器分頻得到所需的應用時鐘1MCLK(1 MHz)，輸入CLOCK端。 在本課程設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轉換單元數模轉換單元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出數模轉換器。其主要參數如下：轉換時間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。輸入數字范圍為00H0FFH，80H對應0V，輸出電壓為-5V+4.96V。本課程設計中采用的TLC7528，其輸入數字量的八位數據線、寫線和通道選擇控制線已接至控制計算機的總線上。片選線預留出待實驗中連接到相應的I/O片選上，具體接線圖如下： 圖3.2 D/A轉換單元3.3被控對象的實現本課程設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 數字PID控制算法設計4.1 數字PID增量型控制算法 對于連續系統，PID控制規律為： (4.1.1)其中，KP為比例增益，KP與比例帶成倒數關系即KP=1/，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數，u(t)為控制量，e(t)為偏差。 在計算機控制系統中，PID控制規律的實現必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，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；KD=KPTD/T稱為微分系數。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，香農采樣定理給出了采樣周期的上限。根據采樣定理，采樣周期應滿足 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行程序和輸入輸出所耗的時間，系統的采樣周期只能在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、執行機構類

15、型和控制回路等因素。 具體就本次課程設計的課題來說，一方面，給定方波的周期為1020s間可調，且控制對象時間常數接近1s，變化較慢；另一方面，A/D轉換時間在100s左右，D/A轉換時間在100ns左右，而程序執行時間估計在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 數字PID控制軟件編程設計5.1 主程序設計 主程序設計圖如圖5.1所示，其中兩個輸入（一個給定，一個反饋），一個輸出U。本次課程設計重點在于對控制算法的原理，控制器設計，控制算法計算機實現的公式推導，采樣周期選擇進行研究。圖5.1主程序設計圖5.2 主程序設計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 /當輸出超過最大值5V，則輸出為5V，并停止 if uk<-umax uk=-umax; end /當輸出小于最小值-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 ，數字濾波有以下幾個優點： 數字濾波是用程序實現的，不需要增加硬件設備，所以可靠性高，穩定性好；數字濾波可以實現對頻率很低的信號的濾波，克服了模擬濾波的缺陷； 數字濾波可以根據信號的不同，采用不同的濾波參數，具有靈活、方便、功能強的特點。 由于數字濾波器具有以上優點，所以數字濾波在控制系統中得到了廣泛的應用。 在我們的課題中，我們對A/D轉換輸入到單片機的給定和控制響應分別進行濾波，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實驗與結果分析6.1 湊試法確定PID參數 增大比例系數KP一般能將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數會是系統有較大的超調，產生振蕩，使系統穩定性變壞。增大積分時間TI有利于減少超調，減少振蕩，使系統更加穩定，但系統靜差的消除將隨之減慢。增大微分時間TD也有利于加快系統的響應，使超調減小，穩定性增加，但系統對擾動的抑制減弱，對擾動有較敏感的響應。 綜上，采

19、用湊試法的整定步驟為：首先只整定比例部分。即將比例系數由小變大，并觀察相應的系統響應，直到得到反應快，超調小的響應曲線。如果比例調節響應曲線的靜差不滿足要求，則需加入積分環節。積分時間TI由大往小調，同時略為減小比例系數KP，直到消除靜差。若得到的曲線的動態性能不滿足要求，需加入微分環節。微分系數TD初值為0，逐漸調大TD，同時相應地改變積分時間和比例系數，逐步湊試，以獲得滿意的調節效果和控制參數。采用上述步驟，對于我的控制對象（傳遞函數見式3.3.1），得到的參數為：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曲線如圖6.1，加濾波程序后，響應曲線如圖6.2

20、所示。 圖6.1未加濾波時的響應曲線 圖6.2 加濾波時的響應曲線 6.2 實驗結果分析 由上兩圖對比可得，加濾波后控制輸出變得平穩了許多。相對于不加濾波時，在相同的參數（KP取0.7，ti取200，td取0）下，加濾波后的超調較小。加濾波和不加濾波的曲線的超調量都小于10%滿足要求。7 小結與體會為期一周半的計算機控制課程設計已經結束了，這次的課程設計做的是增量型數字PID控制系統設計。通過這次的課程設計我充分認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，對于一個電路設計我們不僅要知道原理更為重要的是要知道如何設計，設計的過程是一個比原理理解過程復雜的多的一個過程，原理易懂，參數整定難，這是我對它的認識。課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發展的日新日異，電力電子技術的應用日益廣泛。這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我得體會們通過這個方案包括設計了一套電路原理和連接圖，和器件上的選擇。通過此次實驗設計，使我熟悉并掌握計算機