課程設(shè)計(jì)微分先行PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 微分先行pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課 程： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣0703 姓 名： 高梁 學(xué) 號(hào)： 071301306 第 一 部 分任務(wù)書(shū)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、課題名稱(chēng)數(shù)字pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)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(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門(mén)實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的

2、課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的整定工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)以89c51單片機(jī)、adc、dac等電路和運(yùn)放電路組成的被控對(duì)象構(gòu)成的單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89c51最小系統(tǒng)加上模入電路adc0809和模出電路tlc7528；由運(yùn)放構(gòu)成的被控對(duì)象。2. 控制算法：微分先行的pid控制算法。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、

3、定時(shí)中斷程序、a/d轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、d/a輸出程序、pid控制程序等。四、課程設(shè)計(jì)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. 被控對(duì)象每個(gè)同學(xué)選擇不同：3. pid參數(shù)整定，根據(jù)情況可用擴(kuò)充臨界比例度法，擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。4. 定時(shí)中斷可在10-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷的整數(shù)倍，可取30-150ms，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。5. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。有關(guān)的設(shè)計(jì)要求可參考計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的相關(guān)內(nèi)容。五、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 系統(tǒng)正確運(yùn)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(shí)間盡量短。六、進(jìn)度安排

4、序號(hào)內(nèi)容天數(shù)1布置任務(wù)，查閱資料0.52總體方案確定，硬件電路設(shè)計(jì)1.53熟悉實(shí)驗(yàn)箱及c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，研讀范例程序，14控制算法設(shè)計(jì)15軟件編程，調(diào)試16實(shí)驗(yàn)17總結(jié)，撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告1七、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程，寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告具體內(nèi)容要求如下：1課程設(shè)計(jì)的目和設(shè)計(jì)的任務(wù)。2課程設(shè)計(jì)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(duì)象），電路的原理。 5軟件設(shè)計(jì)流程圖及其說(shuō)明。6電路設(shè)計(jì)，軟件編程、調(diào)試中遇到的問(wèn)題及分析解決方法。7實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。8體會(huì)。第 二 部 分課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄1 課題簡(jiǎn)介1.1課程名稱(chēng). 1.2課程設(shè)計(jì)目的. 1.3課程設(shè)

5、計(jì)內(nèi)容. 1.4課程設(shè)計(jì)要求. 2 方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)步驟. 72.1 系統(tǒng)流程圖及工作原理. 73 硬件電路設(shè)計(jì)3.1被控對(duì)象設(shè)計(jì). 83.2硬件電路圖. 84 控制算法設(shè)計(jì). 95 軟件編程設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)流程圖. 105.2程序. 116 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析. 157 小結(jié)與體會(huì). 17參考文獻(xiàn). 181 課題簡(jiǎn)介 1.1 課題名稱(chēng)微分先行pid控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2 課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)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(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門(mén)實(shí)用

6、性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的整定工作打下基礎(chǔ)。1.3 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)以89c51單片機(jī)、adc、dac等電路和運(yùn)放電路組成的被控對(duì)象構(gòu)成單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89c51最小系統(tǒng)加上模入電路adc0809和模出電路tlc7528；由運(yùn)放構(gòu)成

7、的被控對(duì)象。2. 控制算法：pid控制加史密斯預(yù)估控制。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、定時(shí)中斷程序、a/d轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、d/a輸出程序、pid控制加史密斯預(yù)估控制程序。1.4 課程設(shè)計(jì)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. 被控對(duì)象. 定時(shí)中斷間隔可在10-20ms中選取，采樣周期t取采樣中斷間隔的整數(shù)倍，可取30-50ms。. pid控制器用湊試法整定。. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。2 微分先行pid控制方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)步驟 1、進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)（）改造被控對(duì)象 2、進(jìn)行微分先行控制算法計(jì)算 3、讀范例程序，畫(huà)出流

8、程圖，進(jìn)行修改 4、連線，調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.2控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理 圖系統(tǒng)框圖（1） 采樣y(t)（2） 計(jì)算（3） 計(jì)算（4） 進(jìn)行pi計(jì)算u(k)（5） 輸出u(k)微分先行pid原理：它和標(biāo)準(zhǔn)pid控制的不同之處在于，只對(duì)被控量y（t）微分，不對(duì)偏差e（t）微分，也就是說(shuō)對(duì)給定r（t）無(wú)微分作用。這樣就可避免給定值的升降給控制系統(tǒng)帶來(lái)沖擊。3 微分先行pid控制硬件電路設(shè)計(jì)3.1 被控對(duì)象設(shè)計(jì) 被控對(duì)象由運(yùn)放和電阻電容組成，如圖所示。其中， r1=100k , c1=2uf , r2=20k r3=100k , c2=4uf , r4=200k圖被控對(duì)象電路圖3.2 硬件電路連接圖

9、 圖硬件電路連線圖4 微分先行pid控制控制算法設(shè)計(jì)其中而yd（k）可通過(guò)雙線性變換法得到，過(guò)程如下由式變型、整理得將上式k變換得到5 微分先行pid控制軟件編程設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)流程圖圖設(shè)計(jì)流程圖5.2 程序/*文件名：pid.c功能描述：實(shí)現(xiàn)數(shù)字pid調(diào)節(jié)器的功能。*/#include #include #include /*宏定義*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define adc xbyte0x0600/定義模數(shù)轉(zhuǎn)換io地址#define dac_1 xbyte0x0640/定義d/a第一路的io地址#defi

10、ne dac_2 xbyte0x0641/定義d/a第二路的io地址/*全局變量定義*/sbit str = p17;/定義a/d啟動(dòng)信號(hào)sbit din0 = p10;/聲明同步信號(hào)sbit str0 = p14;/聲明adc信號(hào)uint data time;/聲明變量，用于定時(shí)uchar data t0_h,t0_l;/用于存儲(chǔ)定時(shí)器0的初值char tk = 5;/聲明采樣周期變量,/采樣周期tk*10mschar tc;/tk的變量float t=0.05;float kp = 0.9;/比例系數(shù)uint ti = 500;/積分系數(shù)float td =8;/微分系數(shù)char iban

11、d = 126;/積分分離值float v=1.1;char ek;/當(dāng)前采樣的偏差值char yk;char yk_1;char ydk;char ydk_1;char rk;char ek_1;/上一次采樣的偏差值char aek;/偏差的變化量char uk;/當(dāng)前時(shí)刻的d/a輸出float zek;/*主函數(shù)*/void main(void) tmod = 0x01;time = 10;/定時(shí)10mst0_h = (65536 - 1000 * time) / 256;/計(jì)算定時(shí)器0初值t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;t0_l = t0_l + 7

12、0;/修正因初值重裝而引起的定時(shí)誤差th0 = t0_h;tl0 = t0_l;it1 = 1;/邊沿觸發(fā)中斷ex1 = 1;/開(kāi)外部中斷1et0 = 1;/開(kāi)定時(shí)中斷0tr0 = 1;/啟動(dòng)定時(shí)器tc = 1;dac_1= 0x80;/d/a清零ek = ek_1 = 0;/變量清零 aek = uk = 0;zek = 0;str = 1;str0=1;ea= 1;/開(kāi)總中斷while(1);/*函數(shù)名：int1功能 ：1號(hào)外部中斷服務(wù)程序 參數(shù) ：無(wú)* 返回值：無(wú) * */void int1() interrupt 2 using 2float p,a,b,c,i,temp; int i

13、;din0 = 1;/讀取輸入前，先輸出高電平 if(din0)/判同步信號(hào)到否 yk=yk_1=0; ydk=ydk_1=0; ek = ek_1 = 0;/變量清零uk = aek =0; zek = 0; dac_1 = 0x80;/d/a輸出零dac_2 = 0x80;/d/a輸出零tc=1; else tc-;/判采樣周期到否 if(tc = 0) rk = adc - 128;/采樣當(dāng)前的偏差值，并計(jì)算偏差的變化量 str0=0;str=0;str=1;for(i=0;i iband) i = 0;/判積分分離值 else zek = ek + zek; /計(jì)算積分項(xiàng) i= zek

14、 * tk;i= i / ti; p = ek; temp = (p + i ) * kp;/計(jì)算比例項(xiàng) if(temp 0)/判控制量是否溢出，溢出賦極值 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輸出控制量 tc = tk;/采樣周期變量恢復(fù)/*函數(shù)名：timer0功能 ：定時(shí)器0中斷服務(wù)程序參數(shù) ：無(wú) 返回值：無(wú) */void timer0() interrupt 1 using 1th0

15、= t0_h;/重新裝入初值tl0 = t0_l;str = 0;str = 1;/產(chǎn)生a/d啟動(dòng)信號(hào)6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析kp = 0.8;ti = 500;td =8此時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，可以通過(guò)增大微分時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)kp = 0.8; ti = 500; td=9此時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)性能得到改善，但是存在一定靜差，可以通過(guò)調(diào)節(jié)比例增益kp來(lái)減小kp = 0.9; ti = 500; td=9通過(guò)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)，系統(tǒng)性能基本達(dá)到要求7 小結(jié)與體會(huì)通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門(mén)課和課程設(shè)計(jì)有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，也有了很多的體會(huì)和心得。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門(mén)實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)

16、占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，我對(duì)控制算法設(shè)計(jì)有了一個(gè)更深的認(rèn)識(shí)，也學(xué)會(huì)了控制算法的實(shí)際應(yīng)用，從整體上了解了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的整定工作打下基礎(chǔ)。按照老師給出的計(jì)劃，先進(jìn)行最少拍控制算法計(jì)算，接電路，讀范例程序，畫(huà)出流程圖，進(jìn)行修改，調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。思路很清晰，目標(biāo)很明確。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中雖然遇到問(wèn)題，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，計(jì)算容易出錯(cuò)，軟件使用

17、不熟練，但我們幾個(gè)小組同心協(xié)力、分工協(xié)作、互相探討，保證了結(jié)果的正確性。作為工科專(zhuān)業(yè)的一名學(xué)生，對(duì)于動(dòng)手能力有很大的要求。因此我們需要珍惜每次做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，盡可能的提高自己的實(shí)踐操作技能。也要利用各種機(jī)會(huì)，以及創(chuàng)造實(shí)踐的機(jī)會(huì)，不斷充實(shí)自己，為自己的將來(lái)增加更多砝碼，短短一周的課程設(shè)計(jì)，使我明白了合作的重要性和力量，我還要加強(qiáng)自己的動(dòng)手能力，我為將來(lái)走入社會(huì)做準(zhǔn)備。同時(shí)我也發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識(shí)是真正如此的缺乏，自己綜合應(yīng)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)能力是如此的不足，我深深體會(huì)到干任何事情都必須耐心、細(xì)致，充滿(mǎn)信心。我懂得了不管做什么一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)、認(rèn)真對(duì)待的態(tài)度。這次的課程設(shè)計(jì)也使我認(rèn)識(shí)到任何課程的學(xué)習(xí)都需要理論結(jié)合實(shí)際，這樣才能更好地掌握所學(xué)的知識(shí)并將它很好地應(yīng)用于實(shí)踐中。同時(shí)，在實(shí)踐過(guò)程中，可以通過(guò)查找資料、分析資料和請(qǐng)教老師和同學(xué)，使一些不清楚的問(wèn)題得以解決，這樣的話，可以起到事半功倍的效果。當(dāng)然，最關(guān)鍵的還是靠自己親自去思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，掌握獨(dú)自面對(duì)各類(lèi)的問(wèn)題的方法。不少人抱怨在大學(xué)學(xué)不到東西，我不這樣認(rèn)為。我覺(jué)得無(wú)論是學(xué)習(xí)還是生活中，只有自己真正用心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是本次課程設(shè)計(jì)給我的知識(shí)之外的一點(diǎn)小小的感悟吧。總之，本次課程設(shè)計(jì)收獲確實(shí)良多，和珍惜這種能夠鍛煉自己、提升自己的機(jī)會(huì)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我得到了一