计算机控制技术课程设计数字PID控制系统设计.docx
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计算机控制技术课程设计数字PID控制系统设计
课程设计报告
题目：
数字PID控制系统设计（II）
课程：
计算机控制技术课程设计
专业：
电气工程与其自动化
班级：
姓名：
学号：
第一部分
任
务
书
《计算机控制技术》课程设计任务书
一、课题名称
数字PID控制系统设计（II）
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：
增量梯形积分型的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、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.被控对象每个同学选择不同：
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。
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，由实验结果确定。
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
0.5
2
总体方案确定，硬件电路设计
1.5
3
熟悉实验箱与C语言开发环境，研读范例程序，
1
4
控制算法设计
1
5
软件编程，调试
1
6
实验
1
7
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．控制系统总框图与系统工作原理。
4．控制系统的硬件电路连接图（含被控对象），电路的原理。
5．软件设计流程图与其说明。
6．电路设计，软件编程、调试中遇到的问题与分析解决方法。
7．实验结果与其分析。
8．体会。
第二部分
课
程
设
计
报
告
1课题简介
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制）,是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。
实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业控制过程进行控制时，都能得到满意的效果。
不过，用计算机实现PID控制，不是简单的把模拟PID控制规律化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。
比例控制能迅速反应误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态误差；积分的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分控制将完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡；微分控制可以减少超调量，克服震荡，使系统稳定性更高，同时加快系统的响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。
（格式：
宋体5号，首行缩进2格，单倍行距，下同）
2方案设计
2.1***********
2.2***********
3硬件电路设计
3.1硬件总图
3.2被控对象
被控对象选择为
，硬件设计图如下：
3.3译码电路图
此处用到了锁存器和3-8译码器，先对低八位地址锁存，然后对低八位中的P0.6和高八位中的P2.1,P2.2进行译码，由Y3和Y7引出，分别接至模数转换单元的ENABLE和数模转单元的/OE接口，从而实现地址0600和0640对两转换单元的片选。
当地址为0600时CBA输入信号为011，Y3输出低电平片选模数转换单元；当地址0640为CBA输入信号为111，Y7输出为低电平，片选了数模转换单元。
4控制算法设计
4.1模拟PID调节器
控制规律为：
4.2数字PID增量梯形积分型控制算法
其中有如下近似：
计算可得：
5软件编程设计
5.1流程图
5.2软件程序
#include
#include
#include
/*****************************************
宏定义
*****************************************/
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineADC_7XBYTE[0x0600]//定义模数转换IO地址
#defineDAC_1XBYTE[0x0640]//定义D/A第一路的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
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*10ms
charTC;//TK的变量
floatkp=1.8;//比例系数
uintti=80;//积分系数
chartd=2;//微分系数
charIBAND=120;//积分分离值
charEK;//当前采样的偏差值
charEK_1;//上一次采样的偏差值
charAEK;//偏差的变化量
charUK;//当前时刻的D/A输出
charAEK_1;
charBEK;
charCEK;
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=BEK=AEK_1=CEK=UK=0;
ZEK=0;
str=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,D,I,TEMP,TEMP1;
DIN0=1;//读取输入前，先输出高电平
if（DIN0）//判同步信号到否
{
EK=EK_1=0;//变量清零
UK=AEK=BEK=CEK=AEK_1=0;
ZEK=0;
DAC_1=0x80;//D/A输出零
TC=1;
}
else
{
TC--;//判采样周期到否
if（TC==0）
{
EK=ADC_7-128;//采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量
AEK=EK-EK_1;
BEK=（EK+EK_1）/2;
CEK=AEK-AEK_1;
EK_1=EK;
AEK_1=AEK;
if（abs（EK）>IBAND）I=0;//判积分分离值
else
{
ZEK=EK+ZEK;
I=BEK*TK;
I=I/ti;
}
P=AEK;
D=CEK*td;//计算微分项
D=D/TK;
TEMP=（P+I+D）*kp;//计算比例项
TEMP1=（EK_1+ZEK*TK/ti+AEK_1*td/TK）*kp;
TEMP=TEMP+TEMP1;
if（TEMP>0）//判控制量是否溢出，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输出控制量
TC=TK;//采样周期变量恢复
}
}
}
/**********************************************
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实验结果与分析
6.1实验波形
6.2结果分析
经过对PID参数的调节，最终实现的波形较好的实现了控制的要求，使得阶跃超调小于10%，而且相应时间较快，控制算法与程序是可靠的。
7小结与体会
参考文献
（列出你所利用的参考文献。
格式参见下。
）
[1]于海生主编，微型计算机控制技术，北京：
清华大学出版社，1999
[2]张艳兵等编著，计算机控制技术，北京：
国防工业出版社，2008
[3]张毅刚主编，单片机原理与应用，北京：
高等教育出版社，2004
[4]陈涛编著，单片机应用与C51程序设计，北京：
机械工业出版社，2008
[5]楼然苗,李光飞编著,单片机课程设计指导,北京:
北京航空航天大学出版社,2007
[7]控制、电子技术类杂志、报刊
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