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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第一部分任務(wù)書-1 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書、課題名稱數(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

2、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)。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

3、PID控制算法。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 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告2. 被控對(duì)象每個(gè)同學(xué)選擇不同:G(滬五TT)5G(S)-(0.8s 1)(0.3s 1)'-54G(s)：s(0.8s 十1)5G(S) (s 1)(0.8s 1)，8G(s) _ (0.8s 1)(0.2s 1)- 10Gs(0.8s 1)(0.4s 仃G(s) (s 1)(0.4s 1)8G(

4、s) " s(0.4s 1)(0.5s 1)-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告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。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。-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告4. 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

5、件電路設(shè)計(jì)1.53熟悉實(shí)驗(yàn)箱及 C語(yǔ)言開發(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)。-3 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第二部分課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告-4 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄1課題簡(jiǎn)介1.1課程名稱 61.2課

6、程設(shè)計(jì)目的 61.3課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 61.4課程設(shè)計(jì)要求 62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) 18-5 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告1課題簡(jiǎn)介1.1課題名稱微分先行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)

7、控制技術(shù)是一門實(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T

8、LC7528 ;由運(yùn)放構(gòu)成的被控對(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 )。、 102. 被控對(duì)象G(s)：(0.8s+1)(0.2s + 1)3 .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。4 . PID控制器用湊試法整定。5 .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)

9、行硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)G(Z )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，畫出流程圖，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1系統(tǒng)框圖(1) 采樣 y(t)(2) 計(jì)算 y°(k)(3) 計(jì)算 e(k) =y(k) - yD(k)(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)5被控對(duì)象G(s)由運(yùn)放和電阻電容組成，如圖2所

10、示。(0.8s+1)(0.2s+1)其中，R1=100K , C1=2Uf,R2=20KR3=100K , C2=4Uf ,R4=200K-8 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-9 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告2uF4uF圖2被控對(duì)象電路圖3.2硬件電路連接圖圖3硬件電路連線圖-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告4微分先行PID控制控制算法設(shè)計(jì)T ku(k)二 Kpe(k)e(i)TIi丄其中e(k) =r(k) -yd(k)而yd (k)可通過(guò)雙線性變換法得到，過(guò)程如下T +2Td 丄 T 2Td zYd(Z) 1 TdST 2 Td T 2 Td丫(Z)TdSS2z/1 t2 TdzjD s 亍

11、T +2?Td由式變型、整理得Yd(Z)2 Td -TT 2 TdZ 祝(z)咼丫(Z)咼ZY(Z)-10 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告將上式k變換得到y(tǒng)d (k)2 Td -TT 2Tdyd(k-1)T 2TdT 2 Tdy(k) T 一2®T+2%y(k -1)-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告5微分先行PID控制軟件編程設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)流程圖主程序采樣中斷服務(wù)程序圖4設(shè)計(jì)流程圖-12 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告5.2程序-13 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告/定義模數(shù)轉(zhuǎn)換10地址

12、/定義D/A第一路的10地址/定義D/A第二路的10地址/定義A/D啟動(dòng)信號(hào)/聲明同步信號(hào)/ 聲明 ADC信號(hào)/聲明變量，用于定時(shí)/用于存儲(chǔ)定時(shí)器0的初值/聲明采樣周期變量，/采樣周期=TK*10ms/TK的變量/比例系數(shù)/積分系數(shù)/微分系數(shù)/積分分離值/當(dāng)前采樣的偏差值/上一次采樣的偏差值/偏差的變化量/當(dāng)前時(shí)刻的D/A輸出文件名：PID.C功能描述：實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器的功能。* #in elude <reg51.h>#in elude <absacc.h>#in elude <math.h>/*宏定義*/#defi ne uehar un sig n

13、ed char#defi ne uint un sig ned int#defi ne ADC XBYTE0x0600#defi ne DAC_1 XBYTE0x0640#defi ne DAC_2 XBYTE0x0641/*全局變量定義*/sbit str = P1A7;sbit DIN0 = P1A0；sbit str0 = P1A4;uint data time;uehar data tO_h,tO_l;char TK = 5;ehar TC;float T=0.05;float kp = 0.9;uint ti = 500;float td =8;ehar IBAND = 126;fl

14、oat V=1.1;ehar EK;ehar YK;ehar YK_1;ehar YDK;ehar YDK_1;ehar RK;ehar EK_1;ehar AEK;ehar UK;float ZEK;*-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告主函數(shù)*/void mai n(void)/定時(shí)10ms計(jì)算定時(shí)器0初值/修正因初值重裝而引起的定時(shí)誤差TMOD = 0x01;time = 10;t0_h = (65536 - 1000 * time) / 256; / t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;t0=t0_l + 70;TH0 = t0_h;/邊沿觸發(fā)中斷/開外

15、部中斷1/開定時(shí)中斷0/啟動(dòng)定時(shí)器TL0 = t0_l;IT1 = 1;EX1 = 1;ET0 = 1;TR0 = 1;TC = 1;DAC_ 仁 0x80;EK = EK_1 = 0;AEK = UK = 0;ZEK = 0;str = 1; str0=1;EA = 1; while(1);/D/A清零/變量清零/開總中斷-14 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告/*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 in t1() in terrupt 2 using 2float P,A,B,C,I,TEMP;int i;/讀取輸入前，先輸出高電平/判同步信號(hào)到否DIN

16、0 = 1;if(DIN0)YK=YK_ 仁0;YDK=YDK_1=0;/變量清零EK = EK_1 = 0;-15 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-16 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告UK = AEK =0;ZEK = 0;DAC_1 = 0x80;DAC_2 = 0x80;TC=1;elseTC-;if(TC = 0)RK = ADC - 128;str0=0;str=0;str=1;for(i=0;i<15;i+);YK=ADC-128;D/A輸出零D/A輸出零/判采樣周期到否/采樣當(dāng)前的偏差值，并計(jì)算偏差的變化量str0=1;A=(2*V*td-T)/(T+2*V*td);B=(T+

17、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; elseZEK = EK + ZEK;I= ZEK * TK;I= I / ti;/判積分分離值/計(jì)算積分項(xiàng)P = EK;TEMP = (P + I ) * kp; if(TEMP > 0)/計(jì)算比例項(xiàng)/判控制量是否溢出，溢出賦極值if(TEMP >= 127)UK = 127;-17 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告elseUK =(char)TEMP; elseif(TEMP &l

18、t;-128)UK =-128;elseUK = (char)TEMP;DAC_1 = UK + 128;TC = TK;D/A輸出控制量/采樣周期變量恢復(fù)-18 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告/*函數(shù)名：TimerO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() in terrupt 1 using 1-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告TH0 = t0_h;/重新裝入初值TL0 = t0_l;str = 0;-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告str = 1;/產(chǎn)生A/D啟動(dòng)信號(hào)-19 -計(jì)算機(jī)控制技

19、術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-20 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告6實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析|T1*T2| - 234.4 msp/1 -V2| = 512 3 mv1 ?|T1I-T2| k 4.27 Hz|V1 -V2| -512.3 mvkp = 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)T1- 234.4 ms1/fT1-T2| = 4.27Hzp/1 -V2| = 5128 mv|V1-V2| = 512.3 mv1 1-B111l> i 1=11iaiBia/i/ 厶-1 _1111ii 1l d11 /j 1 h 1i l1 i i d .ii iBj|ih

20、11-1siia1P"1i1I"l1iai-1ihi1 h d 1 i d iii 1 d 11 I 1 kd I a l i 11i i i1 b 1T: 1s/®CH1:CH2:-21 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告kp來(lái)減小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-22 -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告|T1 *T2| = 234.4 msp/1 -V2| = 512 3 mv1 /1T1 -T2| = 4.27 Hz|V1 V2| = 512.B mv-#

21、-計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-# -計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告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