微分先行PID控制系统设计.docx
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微分先行PID控制系统设计
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：
071301306
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
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：
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、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
熟悉实验箱及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．控制系统总框图及系统工作原理。
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
1课题简介
1.1课程名称............................................................................................................................６
1.2课程设计目的....................................................................................................................６
1.3课程设计内容....................................................................................................................６
1.4课程设计要求....................................................................................................................６
2方案设计
2.1设计步骤.............................................................................................................................7
2.1系统流程图及工作原理.....................................................................................................7
3硬件电路设计
3.1被控对象设计.......................................................................................................................8
3.2硬件电路图............................................................................................................................8
4控制算法设计...............................................................................................................................9
5软件编程设计
5.1设计流程图.............................................................................................................................10
5.2程序.........................................................................................................................................11
6实验结果与分析..........................................................................................................................15
7小结与体会.....................................................................................................................................17
参考文献................................................................................................................................................18
1课题简介
1.1课题名称
微分先行PID控制系统设计
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。
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：
PID控制加史密斯预估控制。
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控制加史密斯预估控制程序。
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控制器用凑试法整定。
５.滤波方法可选择平均值法，中值法等。
2微分先行PID控制方案设计
2.1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
2.2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
（3）计算
（4）进行PI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
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=20K
R3=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控制控制算法设计
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
………③
5微分先行PID控制软件编程设计
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调节器的功能。
*****************************************/
#include
#include
#include
/*****************************************
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第二路的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*10ms
charTC;//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;//积分分离值
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;//偏差的变化量
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，并计算偏差的变化量
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;//判积分分离值
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
①
kp=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
②
kp=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
③
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，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砝码，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，和珍惜这种能够锻炼自己、提升自己的机会。
通过这次课程设计，我得到了一次难得的磨练，让我学到了很多，提高了自己的实验素养，也增强了自己的信心。
最后，我要感谢老师和我的同学对我的无私帮助，对我个人而言这次课程设计将会成为永远的回忆。
参考文献
[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，单片机原理及应用，北京：
高等教育出版社，2004
[4]陈涛编著，单片机应用及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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